กลางศตวรรษที่ผ่านมาเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ ยุคหินเคยถูกแทนที่ด้วยยุคสำริด จากนั้นช่วงเวลาของรัชกาลเหล็ก ไอน้ำ และไฟฟ้าจะตามมาอย่างต่อเนื่อง ตอนนี้เราอยู่ในจุดเริ่มต้นของยุคของอะตอม แม้แต่ความรู้ที่ผิวเผินที่สุดในด้านโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมก็เปิดโลกทัศน์ที่ไม่เคยปรากฏมาก่อนสำหรับมนุษยชาติ
เรารู้อะไรเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมบ้าง? ความจริงที่ว่ามันประกอบด้วย 99.99% ของมวลของอะตอมทั้งหมดและประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกกันทั่วไปว่านิวคลีออน นิวคลีออนคืออะไร มีกี่ชนิด กี่ชนิด ตอนนี้นักเรียนมัธยมปลายทุกคนที่มีคะแนนเต็ม 4 วิชาฟิสิกส์คงรู้ดี
เราจะจินตนาการถึงโครงสร้างของอะตอมได้อย่างไร
อนิจจา เร็ว ๆ นี้เทคนิคจะปรากฏขึ้นเพื่อให้คุณเห็นอนุภาคที่ประกอบเป็นอะตอม ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอม มีคำถามมากมายเกี่ยวกับการจัดเรียงสสาร และยังมีทฤษฎีมากมายเกี่ยวกับโครงสร้างของอนุภาคมูลฐาน จนถึงปัจจุบันทฤษฎีที่ว่าตอบคำถามส่วนใหญ่เป็นแบบจำลองดาวเคราะห์ของโครงสร้างของอะตอม
ตามที่กล่าวไว้ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะหมุนรอบนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งจับโดยแรงดึงดูดทางไฟฟ้า นิวคลีออนคืออะไร? ความจริงก็คือว่านิวเคลียสไม่ใช่เสาหิน มันประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่มีประจุบวก - อนุภาคที่มีประจุเป็นศูนย์ สิ่งเหล่านี้คืออนุภาคที่สร้างนิวเคลียสของอะตอม และเป็นเรื่องปกติที่จะเรียกพวกมันว่านิวคลีออน
ทฤษฎีนี้มาจากไหน ถ้าอนุภาคมีขนาดเล็กมาก? นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปเกี่ยวกับโครงสร้างดาวเคราะห์ของอะตอมด้วยการชี้นำลำแสงของอนุภาคขนาดเล็กต่างๆ ลงบนแผ่นโลหะที่บางที่สุด
ขนาดเท่าไหร่
ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมจะไม่สมบูรณ์หากคุณไม่ได้จินตนาการถึงองค์ประกอบของอะตอมในระดับ นิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก เมื่อเทียบกับตัวอะตอมเอง หากคุณนึกภาพอะตอม เช่น ทองคำ ในรูปของบอลลูนขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 เมตร แกนกลางของมันจะเป็น … เฮเซลนัท แต่นิวคลีออนคืออะไร และทำไมพวกมันถึงมีบทบาทสำคัญเช่นนี้? ใช่ ถ้าเพียงเพราะมันอยู่ในนั้นมวลทั้งหมดของอะตอมมีความเข้มข้น
ในรังของตาข่ายคริสตัล อะตอมของทองคำนั้นตั้งอยู่ค่อนข้างหนาแน่น ดังนั้นระยะห่างระหว่าง "ถั่ว" ข้างเคียงในระดับที่เราเลี้ยงจะอยู่ที่ประมาณ 250-300 เมตร
โปรตอน
นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่านิวเคลียสของอะตอมไม่ใช่สารเสาหินบางชนิด ขนาดของมวลและประจุที่เพิ่มขึ้นใน "ขั้นตอน" จากองค์ประกอบทางเคมีหนึ่งไปยังอีกองค์ประกอบหนึ่งนั้นน่าทึ่งอย่างเจ็บปวด มันมีเหตุผลที่จะสมมติว่ามีอนุภาคบางตัวที่มีประจุบวกคงที่ซึ่งนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดจะถูก "รวบรวม" จำนวนนิวเคลียสที่มีประจุบวกอยู่ในนิวเคลียส นี่จะเป็นประจุของมัน
สมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างที่ซับซ้อนของนิวเคลียสอะตอมถูกสร้างขึ้นในช่วงที่ Mendeleev สร้างตารางธาตุของเขา อย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้ทางเทคนิคในการทดลองยืนยันการคาดเดาไม่มีอยู่ในขณะนั้น ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เท่านั้น Ernest Rutherford ได้ทำการทดลองที่ยืนยันการมีอยู่ของโปรตอน
จากการสัมผัสกับสารโดยการแผ่รังสีของโลหะกัมมันตภาพรังสี อนุภาคปรากฏขึ้นเป็นครั้งคราว - สำเนานิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน มันมีน้ำหนักเท่ากัน (1.67 ∙ 10-27 kg) และประจุอะตอม +1.
นิวตรอน
ข้อสรุปเกี่ยวกับความจำเป็นในการค้นหาอนุภาคอื่นที่เรียกว่านิวตรอนซึ่งไม่มีอยู่นั้นมาอย่างรวดเร็ว เนื่องจากคำถามว่ามีนิวคลีออนจำนวนเท่าใดในนิวเคลียสและมันคืออะไร มีมวลเพิ่มขึ้นไม่สม่ำเสมอและมีประจุโดยเปลี่ยนเลขลำดับของธาตุ รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของโปรตอนแฝดที่มีประจุเป็นศูนย์ แต่เขาล้มเหลวในการยืนยันการคาดเดาของเขา
โดยทั่วไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์ด้านนิวเคลียร์มีความคิดที่ดีอยู่แล้วว่านิวคลีออนคืออะไรและองค์ประกอบเชิงปริมาณของนิวเคลียสของอะตอม และอนุภาคที่เข้าใจยากซึ่งยังไม่มีใครค้นพบโดยการทดลองกำลังรออยู่ในปีก เจมส์ แชดวิกถือเป็นผู้ค้นพบซึ่งสามารถแยก "สิ่งที่มองไม่เห็น" ออกจากสารได้ปล่อยให้มันถูกทิ้งระเบิดด้วยนิวเคลียสฮีเลียมที่เร่งความเร็วเป็นความเร็วสูงพิเศษ (อนุภาคα) มวลของอนุภาคตามที่คาดไว้กลับกลายเป็นว่าเท่ากับมวลของโปรตอนที่ค้นพบก่อนหน้านี้ จากการวิจัยสมัยใหม่ นิวตรอนจะหนักกว่าเล็กน้อย
เพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับ "อิฐ" ของนิวเคลียสของอะตอม
คำนวณจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสของธาตุเคมีหรือไอโซโทปของธาตุนั้นง่าย สิ่งนี้ต้องการสองสิ่ง: ตารางธาตุและเครื่องคิดเลข แม้ว่าคุณจะสามารถคำนวณในใจได้ ตัวอย่างคือไอโซโทปทั่วไปสองไอโซโทปของยูเรเนียม: 235 และ 238 ตัวเลขเหล่านี้แสดงถึงมวลอะตอม หมายเลขซีเรียลของยูเรเนียมคือ 92 ซึ่งแสดงถึงประจุของนิวเคลียสเสมอ
อย่างที่คุณทราบ นิวคลีออนในนิวเคลียสของอะตอมอาจเป็นโปรตอนที่มีประจุบวกหรือนิวตรอนที่มีมวลเท่ากันก็ได้ แต่ไม่มีประจุ หมายเลขซีเรียล 92 หมายถึงตัวเลขในนิวเคลียสของโปรตอน จำนวนนิวตรอนคำนวณโดยการลบอย่างง่าย:
- - ยูเรเนียม 235 จำนวนนิวตรอน=235 – 92=143;
- - ยูเรเนียม 238 จำนวนนิวตรอน=238 – 92=146.
และสามารถนำมารวมกันได้ครั้งละกี่นิวคลีออน? เป็นที่เชื่อกันว่าในช่วงหนึ่งของชีวิตของดาวฤกษ์ที่มีมวลเพียงพอ เมื่อปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ไม่สามารถควบคุมแรงโน้มถ่วงได้อีกต่อไป ความดันในลำไส้ของดาวฤกษ์จะเพิ่มขึ้นมากจน "เกาะ" อิเล็กตรอนเข้าไป โปรตอน เป็นผลให้ประจุกลายเป็นศูนย์และคู่โปรตอน - อิเล็กตรอนกลายเป็นนิวตรอน สสารที่ได้ซึ่งประกอบด้วยนิวตรอน "กด" มีความหนาแน่นสูงมาก
ดาวที่ชั่งน้ำหนักดวงอาทิตย์กลายเป็นลูกบอลเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบกิโลเมตร "โจ๊กนิวตรอน" หนึ่งช้อนชาสามารถชั่งน้ำหนักได้หลายร้อยตันบนโลก
