ชื่อ "อะตอม" แปลจากภาษากรีกว่า "แบ่งไม่ได้" ทุกสิ่งรอบตัวเรา - ของแข็ง ของเหลว และอากาศ - ถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคเหล่านี้นับพันล้าน
รูปลักษณ์ของอะตอม
อะตอมเป็นที่รู้จักครั้งแรกในศตวรรษที่ 5 เมื่อนักปรัชญาชาวกรีก Democritus เสนอว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ได้ แต่แล้วมันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบเวอร์ชั่นของการดำรงอยู่ของพวกเขา และแม้ว่าจะไม่มีใครเห็นอนุภาคเหล่านี้ แต่แนวคิดนี้ก็ถูกกล่าวถึง เพราะวิธีเดียวที่นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นในโลกแห่งความเป็นจริงได้ ดังนั้นพวกเขาจึงเชื่อในการมีอยู่ของอนุภาคขนาดเล็กก่อนที่จะสามารถพิสูจน์ความจริงข้อนี้ได้
ในศตวรรษที่ 19 เท่านั้น พวกเขาเริ่มวิเคราะห์ว่าเป็นองค์ประกอบที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีโดยมีคุณสมบัติเฉพาะของอะตอม - ความสามารถในการเข้าสู่สารประกอบกับผู้อื่นในปริมาณที่กำหนดอย่างเคร่งครัด ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เชื่อกันว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสาร จนกระทั่งได้รับการพิสูจน์ว่าประกอบด้วยหน่วยที่เล็กกว่านั้นอีก
ธาตุเคมีทำมาจากอะไร
อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีคือหน่วยการสร้างของสสารด้วยกล้องจุลทรรศน์ น้ำหนักโมเลกุลของอะตอมได้กลายเป็นคุณลักษณะที่กำหนดของอนุภาคขนาดเล็กนี้ มีเพียงการค้นพบกฎเป็นระยะ ๆ ของ Mendeleev เท่านั้นที่ยืนยันว่าประเภทของพวกมันเป็นรูปแบบที่หลากหลายของเรื่องเดียว มีขนาดเล็กมากจนมองไม่เห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา มีเพียงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทรงพลังที่สุดเท่านั้น ในการเปรียบเทียบ ผมบนมือมนุษย์นั้นกว้างกว่าล้านเท่า
โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมมีนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน รวมทั้งอิเล็กตรอน ซึ่งทำการหมุนรอบศูนย์กลางในวงโคจรคงที่ เช่น ดาวเคราะห์รอบดาวของพวกมัน ทั้งหมดถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่กองกำลังหลักในจักรวาล นิวตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุเป็นกลาง โปรตอนมีประจุบวก และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ตัวหลังถูกดึงดูดด้วยโปรตอนที่มีประจุบวก ดังนั้นพวกมันจึงมักจะอยู่ในวงโคจร
โครงสร้างอะตอม
ในส่วนกลางจะมีนิวเคลียสที่เติมส่วนต่ำสุดของอะตอมทั้งหมด แต่จากการศึกษาพบว่ามีมวลเกือบทั้งหมด (99.9%) อยู่ในนั้น ทุกอะตอมประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน จำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนอยู่ภายในนั้นเท่ากับประจุบวกจากส่วนกลาง อนุภาคที่มีประจุนิวเคลียร์ Z เท่ากัน แต่มีมวลอะตอม A ต่างกันและจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส N เรียกว่าไอโซโทป และมี A เท่ากัน Z และ N ต่างกันเรียกว่าไอโซบาร์ อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารที่มีประจุลบประจุไฟฟ้า e=1.6 10-19 คูลอมบ์ ประจุของไอออนเป็นตัวกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนที่สูญเสียหรือได้รับ กระบวนการเปลี่ยนรูปร่างของอะตอมที่เป็นกลางให้เป็นไอออนที่มีประจุเรียกว่าไอออไนเซชัน
อะตอมรุ่นใหม่
นักฟิสิกส์ได้ค้นพบอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ อีกมากมายจนถึงปัจจุบัน โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมมีเวอร์ชันใหม่
เชื่อกันว่าโปรตอนและนิวตรอนไม่ว่าจะเล็กแค่ไหนก็ประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดที่เรียกว่าควาร์ก เป็นแบบจำลองใหม่สำหรับการสร้างอะตอม เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์เคยรวบรวมหลักฐานการมีอยู่ของแบบจำลองก่อนหน้านี้ วันนี้พวกเขากำลังพยายามพิสูจน์การมีอยู่ของควาร์ก
RTM เป็นอุปกรณ์แห่งอนาคต
นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่สามารถเห็นอนุภาคอะตอมของสารบนจอคอมพิวเตอร์ และเคลื่อนอนุภาคเหล่านี้ไปบนพื้นผิวโดยใช้เครื่องมือพิเศษที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์สแกนอุโมงค์ (RTM)
นี่คือเครื่องมือคอมพิวเตอร์ที่มีส่วนปลายที่เคลื่อนที่เบา ๆ ใกล้กับพื้นผิวของวัสดุ ขณะที่ส่วนปลายเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างระหว่างส่วนปลายกับพื้นผิว แม้ว่าวัสดุจะดูเรียบสนิท แต่ก็ไม่เท่ากันในระดับอะตอม คอมพิวเตอร์สร้างแผนที่พื้นผิวของสสาร สร้างภาพอนุภาค และทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นคุณสมบัติของอะตอมได้
อนุภาคกัมมันตภาพรังสี
ไอออนที่มีประจุลบจะวนรอบนิวเคลียสในระยะที่ไกลพอสมควร โครงสร้างของอะตอมนั้นทั้งมวลเป็นกลางอย่างแท้จริงและไม่มีประจุไฟฟ้าเพราะอนุภาคทั้งหมด (โปรตอน นิวตรอน อิเล็กตรอน) อยู่ในสมดุล
อะตอมกัมมันตภาพรังสีเป็นธาตุที่แยกออกได้ง่าย ศูนย์กลางประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนจำนวนมาก ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือแผนภาพของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งมีโปรตอนเพียงตัวเดียว นิวเคลียสล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆอิเล็กตรอน แรงดึงดูดของนิวเคลียสทำให้หมุนรอบศูนย์กลาง โปรตอนที่มีประจุเท่ากันจะผลักกัน
นี่ไม่ใช่ปัญหาสำหรับอนุภาคขนาดเล็กส่วนใหญ่ที่มีหลายอนุภาค แต่บางชนิดก็ไม่เสถียร โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดใหญ่อย่างยูเรเนียมซึ่งมีโปรตอน 92 ตัว บางครั้งศูนย์ของเขาไม่สามารถทนต่อภาระดังกล่าวได้ พวกมันถูกเรียกว่ากัมมันตภาพรังสีเพราะมันปล่อยอนุภาคหลายตัวออกจากแกนกลางของพวกมัน หลังจากที่นิวเคลียสที่ไม่เสถียรกำจัดโปรตอนออกไป โปรตอนที่เหลือก็จะก่อตัวเป็นลูกสาวคนใหม่ มันสามารถคงตัวได้ขึ้นอยู่กับจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสใหม่ หรือมันสามารถแบ่งเพิ่มเติมได้ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าแกนย่อยที่เสถียรจะยังคงอยู่
คุณสมบัติของอะตอม
คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของอะตอมเปลี่ยนจากธาตุหนึ่งเป็นธาตุอื่นโดยธรรมชาติ ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์หลักต่อไปนี้
มวลอะตอม. เนื่องจากตำแหน่งหลักของอนุภาคขนาดเล็กถูกครอบครองโดยโปรตอนและนิวตรอน ผลรวมของพวกมันจึงเป็นตัวกำหนดจำนวน ซึ่งแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม (amu) สูตร: A=Z + N
รัศมีอะตอม. รัศมีขึ้นอยู่กับตำแหน่งขององค์ประกอบในระบบ Mendeleev เคมีพันธะ จำนวนอะตอมใกล้เคียง และการกระทำทางกลควอนตัม รัศมีของแกนกลางนั้นเล็กกว่ารัศมีขององค์ประกอบหนึ่งแสนเท่า โครงสร้างของอะตอมสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนบวก หรือเพิ่มอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนลบ
ในระบบธาตุของ Mendeleev ธาตุเคมีใด ๆ ก็เข้ามาแทนที่ ในตาราง ขนาดของอะตอมจะเพิ่มขึ้นเมื่อคุณเคลื่อนจากบนลงล่าง และลดลงเมื่อคุณเคลื่อนจากซ้ายไปขวา จากนี้ธาตุที่เล็กที่สุดคือฮีเลียมและที่ใหญ่ที่สุดคือซีเซียม
วาเลนซี่. เปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกของอะตอมเรียกว่าเปลือกเวเลนซ์และอิเล็กตรอนในนั้นได้รับชื่อที่สอดคล้องกัน - วาเลนซ์อิเล็กตรอน จำนวนของพวกเขากำหนดว่าอะตอมเชื่อมต่อกับอะตอมอื่นอย่างไรโดยใช้พันธะเคมี โดยวิธีการสร้างอนุภาคขนาดเล็กสุดท้าย พวกเขาพยายามเติมเปลือกความจุภายนอกของพวกเขา
แรงโน้มถ่วง แรงดึงดูดคือแรงที่ทำให้ดาวเคราะห์โคจรรอบ เพราะวัตถุที่ปล่อยจากมือตกลงสู่พื้น คนสังเกตเห็นแรงโน้มถ่วงมากขึ้น แต่การกระทำของแม่เหล็กไฟฟ้ามีพลังมากกว่าหลายเท่า แรงที่ดึงดูด (หรือขับไล่) อนุภาคที่มีประจุในอะตอมนั้นมีพลังมากกว่าแรงโน้มถ่วงในอะตอมถึง 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 เท่า แต่มีแรงที่ใจกลางนิวเคลียสที่แรงกว่าซึ่งสามารถจับโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกัน
ปฏิกิริยาในนิวเคลียสสร้างพลังงานเหมือนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่อะตอมถูกแยกออก ยิ่งธาตุหนักเท่าใด อะตอมของธาตุก็จะยิ่งสร้างอนุภาคมากขึ้นเท่านั้น ถ้าเราบวกจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในองค์ประกอบหนึ่งเข้าด้วยกัน เราจะหามันได้มวล. ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียมซึ่งเป็นธาตุที่หนักที่สุดที่พบในธรรมชาติ มีมวลอะตอม 235 หรือ 238
แบ่งอะตอมออกเป็นระดับ
ระดับพลังงานของอะตอมคือขนาดของพื้นที่รอบนิวเคลียสที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ มีทั้งหมด 7 ออร์บิทัล ซึ่งสอดคล้องกับจำนวนคาบในตารางธาตุ ยิ่งตำแหน่งของอิเล็กตรอนอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากเท่าใด พลังงานสำรองก็จะยิ่งมีนัยสำคัญมากขึ้นเท่านั้น หมายเลขคาบระบุจำนวนออร์บิทัลของอะตอมรอบนิวเคลียส ตัวอย่างเช่น โพแทสเซียมเป็นองค์ประกอบของช่วงที่ 4 ซึ่งหมายความว่ามี 4 ระดับพลังงานของอะตอม จำนวนขององค์ประกอบทางเคมีสอดคล้องกับประจุและจำนวนอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส
อะตอมเป็นแหล่งพลังงาน
บางทีสูตรทางวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดก็ถูกค้นพบโดยไอน์สไตน์นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เธออ้างว่ามวลเป็นเพียงพลังงานรูปแบบหนึ่ง ตามทฤษฎีนี้ เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนสสารเป็นพลังงานและคำนวณโดยสูตรว่าสามารถรับสสารได้มากน้อยเพียงใด ผลลัพธ์เชิงปฏิบัติประการแรกของการเปลี่ยนแปลงนี้คือระเบิดปรมาณู ซึ่งได้รับการทดสอบครั้งแรกในทะเลทรายลอสอาลามอส (สหรัฐอเมริกา) และระเบิดเหนือเมืองต่างๆ ในญี่ปุ่น และถึงแม้ระเบิดเพียงหนึ่งในเจ็ดจะกลายเป็นพลังงาน แต่พลังทำลายล้างของระเบิดปรมาณูนั้นแย่มาก
เพื่อให้แกนปล่อยพลังงานออกมา มันจะต้องยุบตัวลง ในการแยกออกนั้นจำเป็นต้องกระทำด้วยนิวตรอนจากภายนอก จากนั้นนิวเคลียสจะแตกตัวออกเป็นอีก 2 อันที่เบากว่า ในขณะที่ปล่อยพลังงานออกมาอย่างมหาศาล การสลายตัวนำไปสู่การปลดปล่อยนิวตรอนอื่นและยังคงแยกนิวเคลียสอื่นต่อไป กระบวนการนี้กลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ทำให้เกิดพลังงานจำนวนมาก
ข้อดีและข้อเสียของการใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในยุคของเรา
พลังทำลายล้างซึ่งปล่อยออกมาระหว่างการเปลี่ยนแปลงของสสาร มนุษยชาติกำลังพยายามทำให้เชื่องในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ในที่นี้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ไม่ได้เกิดขึ้นในรูปแบบของการระเบิด แต่เป็นการปลดปล่อยความร้อนทีละน้อย
การผลิตพลังงานปรมาณูมีทั้งข้อดีและข้อเสีย ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าเพื่อที่จะรักษาอารยธรรมของเราไว้ในระดับสูงจำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานขนาดใหญ่นี้ แต่ควรคำนึงถึงด้วยว่าแม้แต่การพัฒนาที่ทันสมัยที่สุดก็ไม่สามารถรับประกันความปลอดภัยที่สมบูรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้ นอกจากนี้ ของเสียกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตพลังงาน หากจัดเก็บอย่างไม่เหมาะสม อาจส่งผลกระทบต่อลูกหลานของเราเป็นเวลาหลายหมื่นปี
หลังจากเกิดอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล ผู้คนจำนวนมากขึ้นมองว่าการผลิตพลังงานนิวเคลียร์เป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อมนุษยชาติ โรงไฟฟ้าประเภทนี้มีความปลอดภัยเพียงแห่งเดียวคือดวงอาทิตย์ที่มีพลังงานนิวเคลียร์มหาศาล นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนาแบบจำลองเซลล์แสงอาทิตย์ทุกประเภท และบางทีในอนาคตอันใกล้นี้ มนุษยชาติจะสามารถจัดหาพลังงานปรมาณูที่ปลอดภัยให้กับตัวเองได้
