Bij het bestuderen van de samenstelling van materie kwamen wetenschappers tot de conclusie dat alle materie uit moleculen en atomen bestaat. Lange tijd werd het atoom (uit het Grieks vertaald als "ondeelbaar") beschouwd als de kleinste structurele eenheid van materie. Verdere studies hebben echter aangetoond dat het atoom een complexe structuur heeft en op zijn beurt kleinere deeltjes bevat.
Waar is een atoom van gemaakt?
In 1911 suggereerde de wetenschapper Rutherford dat het atoom een centraal deel heeft met een positieve lading. Dit is hoe het concept van de atoomkern voor het eerst verscheen.
Volgens het schema van Rutherford, het planetaire model genoemd, bestaat een atoom uit een kern en elementaire deeltjes met een negatieve lading - elektronen die rond de kern bewegen, net zoals de planeten rond de zon draaien.
In 1932 ontdekte een andere wetenschapper, Chadwick, het neutron, een deeltje dat geen elektrische lading heeft.
Volgens moderne concepten komt de structuur van de atoomkern overeen met het door Rutherford voorgestelde planetaire model. De kern wordt naar binnen gedragenhet grootste deel van de atoommassa. Het heeft ook een positieve lading. De atoomkern bevat protonen - positief geladen deeltjes en neutronen - deeltjes die geen lading dragen. Protonen en neutronen worden nucleonen genoemd. Negatief geladen deeltjes - elektronen - draaien om de kern.
Het aantal protonen in de kern is gelijk aan het aantal elektronen dat in een baan om de aarde beweegt. Daarom is het atoom zelf een deeltje dat geen lading draagt. Als een atoom de elektronen van andere mensen opvangt of zijn eigen elektronen verliest, wordt het positief of negatief en wordt het een ion genoemd.
Elektronen, protonen en neutronen worden gezamenlijk subatomaire deeltjes genoemd.
De lading van de atoomkern
De kern heeft een ladingsgetal Z. Het wordt bepaald door het aantal protonen waaruit de atoomkern bestaat. Het is eenvoudig om dit bedrag te achterhalen: raadpleeg het periodieke systeem van Mendelejev. Het atoomnummer van het element waartoe een atoom behoort is gelijk aan het aantal protonen in de kern. Dus als het chemische element zuurstof overeenkomt met het serienummer 8, dan is het aantal protonen ook gelijk aan acht. Aangezien het aantal protonen en elektronen in een atoom hetzelfde is, zullen er ook acht elektronen zijn.
Het aantal neutronen wordt het isotopengetal genoemd en wordt aangegeven met de letter N. Hun aantal kan variëren in een atoom van hetzelfde chemische element.
De som van protonen en elektronen in de kern wordt het massagetal van een atoom genoemd en wordt aangegeven met de letter A. De formule voor het berekenen van het massagetal ziet er dus als volgt uit: A=Z+N.
Isotopen
In het geval dat elementen een gelijk aantal protonen en elektronen hebben, maar een verschillend aantal neutronen, worden ze isotopen van een chemisch element genoemd. Er kunnen een of meer isotopen zijn. Ze worden in dezelfde cel van het periodiek systeem geplaatst.
Isotopen zijn van groot belang in de scheikunde en natuurkunde. Zo geeft een isotoop van waterstof - deuterium - in combinatie met zuurstof een geheel nieuwe stof, die zwaar water wordt genoemd. Het heeft een ander kook- en vriespunt dan normaal. En de combinatie van deuterium met een andere isotoop van waterstof - tritium leidt tot een thermonucleaire fusiereactie en kan worden gebruikt om een enorme hoeveelheid energie op te wekken.
Massa van de kern en subatomaire deeltjes
De afmetingen en massa's van atomen en subatomaire deeltjes zijn verwaarloosbaar in menselijke concepten. De grootte van de korrels is ongeveer 10-12cm. De massa van een atoomkern wordt in de natuurkunde gemeten in de zogenaamde atomaire massa-eenheden - amu
Voor één vriend een twaalfde van de massa van een koolstofatoom nemen. Met de gebruikelijke meeteenheden (kilogram en gram) kan de massa als volgt worden uitgedrukt: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Op deze manier uitgedrukt, wordt het de absolute atomaire massa genoemd.
Ondanks het feit dat de atoomkern de meest massieve component van het atoom is, zijn de afmetingen ten opzichte van de elektronenwolk eromheen extreem klein.
Kernkrachten
Atomaire kernen zijn extreem stabiel. Dit betekent dat protonen en neutronen door bepaalde krachten in de kern worden vastgehouden. Is nieter kunnen elektromagnetische krachten zijn, aangezien protonen gelijkgeladen deeltjes zijn, en het is bekend dat deeltjes met dezelfde lading elkaar afstoten. De zwaartekrachten zijn te zwak om de nucleonen bij elkaar te houden. Daarom worden deeltjes in de kern vastgehouden door een andere interactie - kernkrachten.
Nucleaire interactie wordt beschouwd als de sterkste van alle bestaande in de natuur. Daarom wordt dit type interactie tussen de elementen van de atoomkern sterk genoemd. Het is aanwezig in veel elementaire deeltjes, evenals in elektromagnetische krachten.
Kenmerken van nucleaire strijdkrachten
- Korte actie. Kernkrachten manifesteren zich, in tegenstelling tot elektromagnetische krachten, alleen op zeer kleine afstanden die vergelijkbaar zijn met de grootte van de kern.
- Onafhankelijkheid opladen. Dit kenmerk komt tot uiting in het feit dat kernkrachten in gelijke mate werken op protonen en neutronen.
- Verzadiging. De nucleonen van de kern hebben alleen interactie met een bepaald aantal andere nucleonen.
Kern bindende energie
Een ander ding is nauw verbonden met het concept van sterke interactie - de bindingsenergie van kernen. Kernbindingsenergie is de hoeveelheid energie die nodig is om een atoomkern te splitsen in zijn samenstellende nucleonen. Het is gelijk aan de energie die nodig is om een kern te vormen uit individuele deeltjes.
Om de bindingsenergie van een kern te berekenen, is het noodzakelijk om de massa van subatomaire deeltjes te kennen. Berekeningen laten zien dat de massa van een kern altijd kleiner is dan de som van de samenstellende nucleonen. Het massadefect is het verschil tussen:de massa van de kern en de som van zijn protonen en elektronen. Met behulp van de Einstein-formule over de relatie tussen massa en energie (E=mc2), kun je de energie berekenen die wordt gegenereerd tijdens de vorming van de kern.
De sterkte van de bindingsenergie van de kern kan worden beoordeeld aan de hand van het volgende voorbeeld: de vorming van enkele grammen helium produceert evenveel energie als de verbranding van enkele tonnen steenkool.
Kernreacties
De kernen van atomen kunnen interageren met de kernen van andere atomen. Dergelijke interacties worden kernreacties genoemd. Er zijn twee soorten reacties.
- Splijtingsreacties. Ze treden op wanneer zwaardere kernen als gevolg van de interactie uiteenvallen in lichtere.
- Reacties van synthese. Het proces is het omgekeerde van splijting: de kernen botsen en vormen zo zwaardere elementen.
Alle kernreacties gaan gepaard met het vrijkomen van energie, die vervolgens wordt gebruikt in de industrie, in het leger, in energie enzovoort.
Bekend met de samenstelling van de atoomkern, kunnen we de volgende conclusies trekken.
- Atoom bestaat uit een kern met daarin protonen en neutronen, en elektronen eromheen.
- Het massagetal van een atoom is gelijk aan de som van de nucleonen van zijn kern.
- Nuclons worden bij elkaar gehouden door de sterke kracht.
- De enorme krachten die de atoomkern stabiel houden, worden de nucleaire bindingsenergieën genoemd.
