เมื่อศึกษาองค์ประกอบของสสาร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลและอะตอม เป็นเวลานาน อะตอม (แปลจากภาษากรีกว่า "แบ่งไม่ได้") ถือเป็นหน่วยโครงสร้างที่เล็กที่สุดของสสาร อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพิ่มเติมได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมมีโครงสร้างที่ซับซ้อนและในที่สุดก็มีอนุภาคที่เล็กกว่าด้วย
อะตอมทำมาจากอะไร
ในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์รัทเธอร์ฟอร์ดแนะนำว่าอะตอมมีส่วนตรงกลางที่มีประจุบวก นี่คือลักษณะที่แนวคิดของนิวเคลียสของอะตอมปรากฏขึ้นครั้งแรก
ตามแบบแผนของรัทเธอร์ฟอร์ด ที่เรียกว่าแบบจำลองดาวเคราะห์ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอนุภาคมูลฐานที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์
ในปี 1932 นักวิทยาศาสตร์อีกคน แชดวิก ค้นพบนิวตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า
ตามแนวคิดสมัยใหม่ โครงสร้างของนิวเคลียสอะตอมสอดคล้องกับแบบจำลองดาวเคราะห์ที่รัทเธอร์ฟอร์ดเสนอ นิวเคลียสถูกลำเลียงในส่วนใหญ่ของมวลอะตอม มีประจุบวกด้วย นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน - อนุภาคที่มีประจุบวกและนิวตรอน - อนุภาคที่ไม่มีประจุ โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่านิวคลีออน อนุภาคที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอน - โคจรรอบนิวเคลียส
จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในวงโคจร ดังนั้นอะตอมจึงเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ หากอะตอมจับอิเล็กตรอนของคนอื่นหรือสูญเสียอิเล็กตรอนไปเอง อะตอมจะกลายเป็นบวกหรือลบและเรียกว่าไอออน
อิเลคตรอน โปรตอน และนิวตรอนถูกเรียกรวมกันว่าอนุภาคย่อย
ประจุของนิวเคลียสอะตอม
นิวเคลียสมีหมายเลขประจุ Z ถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม การหาจำนวนเงินนี้เป็นเรื่องง่าย: เพียงแค่อ้างถึงระบบเป็นระยะของ Mendeleev เลขอะตอมของธาตุที่มีอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้น หากออกซิเจนขององค์ประกอบทางเคมีตรงกับหมายเลขซีเรียล 8 จำนวนโปรตอนก็จะเท่ากับแปดด้วย เนื่องจากจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากัน จึงจะมีอิเล็กตรอนแปดตัวด้วย
จำนวนนิวตรอนเรียกว่าเลขไอโซโทปและเขียนแทนด้วยตัวอักษร N จำนวนของนิวตรอนอาจแตกต่างกันไปในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน
ผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอนในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวลของอะตอมและเขียนแทนด้วยตัวอักษร A ดังนั้น สูตรการคำนวณเลขมวลจึงเป็นดังนี้: A=Z+N
ไอโซโทป
ในกรณีที่ธาตุมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน จะเรียกว่าไอโซโทปของธาตุเคมี สามารถมีไอโซโทปได้ตั้งแต่หนึ่งไอโซโทปขึ้นไป พวกมันอยู่ในเซลล์เดียวกันของระบบธาตุ
ไอโซโทปมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านเคมีและฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจน - ดิวเทอเรียม - ร่วมกับออกซิเจนทำให้เกิดสารใหม่อย่างสมบูรณ์ซึ่งเรียกว่าน้ำหนัก มีจุดเดือดและจุดเยือกแข็งที่แตกต่างจากปกติ และการรวมกันของดิวเทอเรียมกับไอโซโทปอื่นของไฮโดรเจน - ทริเทียมทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์แบบเทอร์โมนิวเคลียร์และสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างพลังงานจำนวนมหาศาลได้
มวลของนิวเคลียสและอนุภาคของอะตอม
ขนาดและมวลของอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมนั้นไม่มีนัยสำคัญในแนวคิดของมนุษย์ ขนาดเมล็ดประมาณ 10-12cm. มวลของนิวเคลียสอะตอมมีการวัดทางฟิสิกส์ในหน่วยที่เรียกว่าหน่วยมวลอะตอม - amu
สำหรับหนึ่งคน เอาหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมของคาร์บอน โดยใช้หน่วยวัดปกติ (กิโลกรัมและกรัม) มวลสามารถแสดงได้ดังนี้: 01:00 น.=1, 660540 10-24g. แสดงในลักษณะนี้เรียกว่ามวลอะตอมสัมบูรณ์
แม้ว่านิวเคลียสของอะตอมจะเป็นองค์ประกอบที่มีมวลมากที่สุดของอะตอม แต่ขนาดของอะตอมที่สัมพันธ์กับเมฆอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบมันมีขนาดเล็กมาก
กองกำลังนิวเคลียร์
นิวเคลียสของอะตอมมีความเสถียรอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่าโปรตอนและนิวตรอนถูกยึดไว้ในนิวเคลียสโดยแรงบางอย่าง ไม่ใช่อาจมีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุเหมือนกัน และเป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคที่มีประจุเดียวกันจะผลักกัน แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนเกินไปที่จะยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกัน ดังนั้น อนุภาคจึงถูกกักไว้ในนิวเคลียสโดยปฏิกิริยาที่ต่างกัน - แรงนิวเคลียร์
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ถือว่าแข็งแกร่งที่สุดในธรรมชาติ ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้ระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมจึงเรียกว่าแรง มีอยู่ในอนุภาคมูลฐานจำนวนมาก เช่นเดียวกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
คุณสมบัติของกองกำลังนิวเคลียร์
- การกระทำสั้นๆ แรงนิวเคลียร์ ต่างจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ที่จะแสดงตัวเองในระยะทางที่น้อยมาก เทียบได้กับขนาดของนิวเคลียส
- ชาร์จอิสระ. คุณลักษณะนี้แสดงให้เห็นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าแรงนิวเคลียร์กระทำต่อโปรตอนและนิวตรอนเท่าๆ กัน
- ความอิ่มตัว. นิวคลีออนของนิวเคลียสมีปฏิกิริยากับนิวคลีออนอื่นๆ จำนวนหนึ่งเท่านั้น
พลังงานจับแกน
อีกสิ่งหนึ่งเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดเรื่องปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง - พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส พลังงานจับนิวเคลียร์คือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการแบ่งนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ เท่ากับพลังงานที่จำเป็นในการสร้างนิวเคลียสจากอนุภาคแต่ละตัว
ในการคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส จำเป็นต้องรู้มวลของอนุภาคย่อยของอะตอม การคำนวณแสดงว่ามวลของนิวเคลียสน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบเสมอ ข้อบกพร่องของมวลคือความแตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสและผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอน การใช้สูตรของไอน์สไตน์เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างมวลกับพลังงาน (E=mc2) คุณสามารถคำนวณพลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส
ความแข็งแรงของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสสามารถตัดสินได้จากตัวอย่างต่อไปนี้ การก่อตัวของฮีเลียมหลายกรัมจะให้พลังงานมากเท่ากับการเผาไหม้ถ่านหินหลายตัน
ปฏิกิริยานิวเคลียร์
นิวเคลียสของอะตอมสามารถโต้ตอบกับนิวเคลียสของอะตอมอื่นได้ ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยามีสองประเภท
- ปฏิกิริยาฟิชชัน. เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่หนักกว่าแตกตัวเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์
- ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ กระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับการแยกตัว: นิวเคลียสชนกัน ทำให้เกิดองค์ประกอบที่หนักขึ้น
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดมาพร้อมกับการปล่อยพลังงาน ซึ่งต่อมาใช้ในอุตสาหกรรม ในการทหาร พลังงาน และอื่นๆ
ทำความคุ้นเคยกับองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม เราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้
- อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอน และอิเล็กตรอนรอบๆ
- เลขมวลของอะตอมเท่ากับผลรวมของนิวคลีออนของนิวเคลียส
- นิวเคลียร์ถูกยึดไว้ด้วยพลังที่แข็งแกร่ง
- พลังมหาศาลที่ทำให้นิวเคลียสของอะตอมมีความเสถียรเรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์
