Het midden van de vorige eeuw markeerde de geboorte van een nieuw tijdperk in de geschiedenis van de mensheid. De steentijd werd ooit vervangen door de bronstijd, daarna volgden de perioden van de heerschappij van ijzer, stoom en elektriciteit. We staan nu aan het begin van het tijdperk van het atoom. Zelfs de meest oppervlakkige kennis op het gebied van de structuur van de atoomkern opent ongekende horizonten voor de mensheid.
Wat weten we over de atoomkern? Het feit dat het 99,99% van de massa van het hele atoom uitmaakt en bestaat uit deeltjes die gewoonlijk nucleonen worden genoemd. Wat zijn nucleonen, hoeveel van hen, wat ze zijn, weet nu elke middelbare scholier met een solide vier in natuurkunde.
Hoe stellen we ons de structuur van het atoom voor
Helaas, er zal niet snel een techniek verschijnen waarmee je de deeltjes kunt zien waaruit een atoom bestaat, een atoomkern. Er zijn duizenden vragen over hoe materie is gerangschikt, en er zijn ook veel theorieën over de structuur van elementaire deeltjes. Tot op heden is de theorie datbeantwoordt de meeste vragen, is het planetaire model van de structuur van het atoom.
Volgens deze wet draaien negatief geladen elektronen rond een positief geladen kern, die wordt vastgehouden door elektrische aantrekkingskracht. Wat zijn nucleonen? Het feit is dat de kern niet monolithisch is, maar bestaat uit positief geladen protonen en neutronen - deeltjes zonder lading. Dit zijn de deeltjes waaruit de atoomkern is opgebouwd, en het is gebruikelijk om ze nucleonen te noemen.
Waar komt deze theorie vandaan, als de deeltjes zo klein zijn? Wetenschappers kwamen tot de conclusie over de planetaire structuur van het atoom door bundels van verschillende microdeeltjes op de dunste metalen platen te richten.
Wat zijn de afmetingen
Kennis over de structuur van het atoom zal niet compleet zijn als je je de elementen ervan niet op een schaal voorstelt. De kern is extreem klein, zelfs vergeleken met het atoom zelf. Als je je een atoom voorstelt, bijvoorbeeld goud, in de vorm van een enorme ballon met een diameter van 200 meter, dan is de kern slechts … een hazelnoot. Maar wat zijn nucleonen en waarom spelen ze zo'n belangrijke rol? Ja, alleen al omdat daarin de hele massa van het atoom is geconcentreerd.
In de nesten van het kristalrooster bevinden goudatomen zich vrij dicht op elkaar, dus de afstand tussen aangrenzende "noten" op de door ons aangenomen schaal zal ongeveer 250-300 meter zijn.
Proton
Wetenschappers vermoeden al lang dat de kern van een atoom niet een soort monolithische substantie is. De groottes van massa en lading, die in "stappen" van het ene chemische element naar het andere groeiden, waren pijnlijk opvallend. Het was logisch om aan te nemendat er bepaalde deeltjes zijn met een vaste positieve lading, waaruit de kernen van alle atomen worden “verzameld”. Hoeveel positief geladen nucleonen zijn er in de kern, dit zal zijn lading zijn.
Aannames over de complexe structuur van de atoomkern werden gedaan in de periode waarin Mendelejev zijn periodiek systeem der elementen maakte. De technische mogelijkheden om vermoedens experimenteel te bevestigen bestonden toen echter nog niet. Pas aan het begin van de 20e eeuw deed Ernest Rutherford een experiment dat het bestaan van het proton bevestigde.
Als gevolg van blootstelling aan de stof door de straling van radioactieve metalen, verscheen van tijd tot tijd een deeltje - een kopie van de kern van een waterstofatoom. Het had hetzelfde gewicht (1,67 ∙ 10-27 kg) en atoomlading +1.
Neutron
De conclusie over de noodzaak om naar een ander deeltje te zoeken, bij verstek het neutron genoemd, kwam snel. Aangezien de vraag hoeveel nucleonen er in de kern zijn en wat ze zijn, lag in de ongelijke groei van massa en lading met een verandering in het rangnummer van het element. Rutherford deed een aanname over het bestaan van een proton-tweeling zonder lading, maar hij kon zijn vermoeden niet bevestigen.
Over het algemeen hadden kernwetenschappers al een goed idee van wat nucleonen zijn en de kwantitatieve samenstelling van atoomkernen. En het ongrijpbare deeltje, dat nog door niemand experimenteel werd ontdekt, wachtte in de coulissen. James Chadwick wordt beschouwd als de ontdekker ervan, die het 'onzichtbare' van de stof wist te isoleren,het onderwerpt aan een bombardement met heliumkernen die worden versneld tot ultrahoge snelheden (α-deeltjes). De massa van het deeltje bleek, zoals verwacht, gelijk te zijn aan de massa van het eerder ontdekte proton. Volgens modern onderzoek is het neutron iets zwaarder.
Een beetje meer over de "stenen" van de atoomkern
Bereken hoeveel nucleonen in de kern van een chemisch element of zijn isotoop eenvoudig is. Hiervoor zijn twee dingen nodig: een periodiek systeem en een rekenmachine, hoewel je in je hoofd kunt rekenen. Een voorbeeld zijn de twee veelvoorkomende isotopen van uranium: 235 en 238. Deze getallen vertegenwoordigen de atoommassa. Het serienummer van uranium is 92, het geeft altijd de lading van de kern aan.
Zoals je weet, kunnen nucleonen in de kern van een atoom ofwel positief geladen protonen zijn of neutronen met dezelfde massa, maar zonder lading. Serienummer 92 geeft het aantal protonen in de kern aan. Het aantal neutronen wordt berekend door eenvoudig af te trekken:
- - uranium 235, aantal neutronen=235 – 92=143;
- - uranium 238, aantal neutronen=238 – 92=146.
En hoeveel nucleonen kunnen er tegelijk worden samengebracht? Er wordt aangenomen dat in een bepaald stadium in het leven van sterren met voldoende massa, wanneer de thermonucleaire reactie niet langer in staat is om de zwaartekracht te bedwingen, de druk in de ingewanden van de ster zo sterk toeneemt dat het elektronen "plakt" aan protonen. Als gevolg hiervan wordt de lading nul en wordt het proton-elektronenpaar een neutron. De resulterende materie, bestaande uit "geperste" neutronen, is extreem dicht.
Een ster die weegt in onze zon verandert in een balenkele tientallen kilometers in doorsnee. Een theelepel van zo'n "neutronenpap" kan op aarde enkele honderden tonnen wegen.
