Questions "สสารประกอบด้วยอะไร", "ธรรมชาติของสสารเป็นอย่างไร" ได้ครอบครองมนุษยชาติอยู่เสมอ ตั้งแต่สมัยโบราณ นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ต่างมองหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ ทำให้เกิดทฤษฎีและสมมติฐานที่สมจริงและน่าทึ่งมาก อย่างไรก็ตาม แท้จริงแล้วเมื่อหนึ่งศตวรรษก่อน มนุษยชาติเข้ามาใกล้ที่สุดเท่าที่จะมากได้เพื่อไขปริศนานี้โดยการค้นพบโครงสร้างอะตอมของสสาร แต่องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมคืออะไร? ทั้งหมดทำมาจากอะไร?
จากทฤษฎีสู่ความเป็นจริง
เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 โครงสร้างอะตอมได้หยุดเป็นเพียงสมมติฐาน แต่กลายเป็นความจริงอย่างแท้จริง ปรากฎว่าองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมเป็นแนวคิดที่ซับซ้อนมาก ประกอบด้วยประจุไฟฟ้า แต่คำถามก็เกิดขึ้น: องค์ประกอบของอะตอมและนิวเคลียสของอะตอมมีประจุต่างกันหรือไม่
แบบจำลองดาวเคราะห์
ในขั้นต้น คาดว่าอะตอมจะถูกสร้างขึ้นเหมือนกับระบบสุริยะของเรา อย่างไรก็ตามปรากฎอย่างรวดเร็วว่ามุมมองนี้ไม่ถูกต้องทั้งหมด ปัญหาของการถ่ายโอนขนาดทางดาราศาสตร์ของภาพทางกลอย่างหมดจดไปยังพื้นที่หนึ่งล้านมิลลิเมตรได้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติและคุณภาพของปรากฏการณ์อย่างมีนัยสำคัญและน่าทึ่ง ความแตกต่างที่สำคัญคือกฎหมายและกฎเกณฑ์ที่เข้มงวดมากขึ้นในการสร้างอะตอม
ข้อเสียของแบบจำลองดาวเคราะห์
ประการแรก เนื่องจากอะตอมของชนิดและองค์ประกอบเดียวกันจะต้องเหมือนกันทุกประการในแง่ของพารามิเตอร์และคุณสมบัติ ดังนั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนของอะตอมเหล่านี้จึงต้องเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม กฎการเคลื่อนที่ของวัตถุทางดาราศาสตร์ไม่สามารถให้คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ได้ ความขัดแย้งประการที่สองอยู่ในความจริงที่ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปตามวงโคจรหากมีการใช้กฎทางกายภาพที่ได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดีจะต้องมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานอย่างถาวร เป็นผลให้กระบวนการนี้จะนำไปสู่การพร่องของอิเล็กตรอนซึ่งในที่สุดจะตายและตกลงไปในนิวเคลียส
โครงสร้างคลื่นแม่และ
ในปี ค.ศ. 1924 หลุยส์ เดอ บรอกลี ขุนนางรุ่นเยาว์ได้เสนอแนวคิดที่เปลี่ยนแนวคิดของชุมชนวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับประเด็นต่างๆ เช่น โครงสร้างของอะตอม องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม แนวคิดก็คือว่าอิเล็กตรอนไม่ใช่แค่ลูกบอลเคลื่อนที่ที่หมุนรอบนิวเคลียส นี่คือสสารที่พร่ามัวซึ่งเคลื่อนที่ตามกฎคล้ายการแผ่ขยายของคลื่นในอวกาศ ค่อนข้างเร็ว ความคิดนี้ขยายไปถึงการเคลื่อนไหวของร่างกายในโดยทั่วไป อธิบายว่าเราสังเกตเห็นเพียงด้านเดียวของการเคลื่อนไหวนี้ แต่ส่วนที่สองไม่ปรากฏให้เห็นจริง เราสามารถเห็นการแพร่กระจายของคลื่นและไม่สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือในทางกลับกัน อันที่จริง การเคลื่อนที่ทั้งสองด้านนี้มีอยู่เสมอ และการหมุนของอิเล็กตรอนในวงโคจรไม่ได้เป็นเพียงการเคลื่อนที่ของประจุเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแพร่กระจายของคลื่นด้วย วิธีการนี้แตกต่างจากแบบจำลองดาวเคราะห์ที่ยอมรับก่อนหน้านี้โดยพื้นฐาน
รองพื้นเบื้องต้น
นิวเคลียสของอะตอมเป็นศูนย์กลาง อิเล็กตรอนหมุนรอบมัน อย่างอื่นถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของแกนกลาง จำเป็นต้องพูดถึงแนวคิดเช่นองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมจากจุดที่สำคัญที่สุด - จากประจุ อะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งที่มีประจุลบ นิวเคลียสนั้นมีประจุบวก จากนี้ไปเราสามารถสรุปได้ว่า:
- นิวเคลียสเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก
- รอบๆ แกนกลางเป็นบรรยากาศที่เร้าใจที่เกิดจากการชาร์จ
- มันคือนิวเคลียสและลักษณะของมันที่กำหนดจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม
คุณสมบัติของเคอร์เนล
ทองแดง แก้ว เหล็ก ไม้ มีอิเล็กตรอนเหมือนกัน อะตอมสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนสองสามตัวหรือทั้งหมดได้ หากนิวเคลียสยังคงมีประจุบวก ก็สามารถดึงดูดอนุภาคที่มีประจุลบจากวัตถุอื่นในปริมาณที่เหมาะสม ซึ่งจะทำให้อยู่รอดได้ หากอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนไปจำนวนหนึ่ง ประจุบวกบนนิวเคลียสจะมากกว่าประจุลบที่เหลือ ที่ในกรณีนี้ อะตอมทั้งหมดจะได้รับประจุส่วนเกิน และสามารถเรียกได้ว่าเป็นไอออนบวก ในบางกรณี อะตอมสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนได้มากขึ้น และจากนั้นก็จะกลายเป็นประจุลบ จึงสามารถเรียกได้ว่าเป็นไอออนลบ
อะตอมมีน้ำหนักเท่าไหร่?
มวลของอะตอมถูกกำหนดโดยนิวเคลียสเป็นหลัก อิเล็กตรอนที่ประกอบเป็นอะตอมและนิวเคลียสของอะตอมมีน้ำหนักน้อยกว่าหนึ่งในพันของมวลทั้งหมด เนื่องจากมวลถือเป็นหน่วยวัดพลังงานสำรองของสาร ข้อเท็จจริงนี้จึงถือว่ามีความสำคัญอย่างไม่น่าเชื่อเมื่อศึกษาคำถามเช่นองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม
กัมมันตภาพรังสี
คำถามที่ยากที่สุดเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบรังสีเอกซ์ ธาตุกัมมันตรังสีปล่อยคลื่นอัลฟา เบต้า และแกมมา แต่รังสีดังกล่าวต้องมีแหล่งกำเนิด รัทเทอร์ฟอร์ดในปี 2445 แสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดดังกล่าวคืออะตอมหรือนิวเคลียส ในทางกลับกัน กัมมันตภาพรังสีไม่ได้เป็นเพียงการแผ่รังสีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนองค์ประกอบหนึ่งเป็นองค์ประกอบอื่นด้วยคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพใหม่ทั้งหมด นั่นคือ กัมมันตภาพรังสีคือการเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียส
เรารู้อะไรเกี่ยวกับโครงสร้างนิวเคลียร์บ้าง
เมื่อเกือบร้อยปีที่แล้ว Prout นักฟิสิกส์ได้เสนอแนวคิดที่ว่าธาตุในตารางธาตุไม่ใช่รูปแบบสุ่ม แต่เป็นการรวมกันของอะตอมไฮโดรเจน ดังนั้น เราสามารถคาดหวังได้ว่าทั้งประจุและมวลของนิวเคลียสจะแสดงออกมาในรูปของจำนวนเต็มและประจุหลายตัวของไฮโดรเจนเอง อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่เป็นความจริงเลย โดยศึกษาคุณสมบัติของอะตอมนิวเคลียสด้วยความช่วยเหลือของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า นักฟิสิกส์ Aston ได้พิสูจน์ว่าธาตุที่น้ำหนักอะตอมไม่ใช่จำนวนเต็มและทวีคูณ อันที่จริงแล้ว เป็นการรวมกันของอะตอมที่แตกต่างกัน และไม่ใช่สารตัวเดียว ในทุกกรณีที่น้ำหนักอะตอมไม่ใช่จำนวนเต็ม เราจะสังเกตส่วนผสมของไอโซโทปที่แตกต่างกัน มันคืออะไร? ถ้าเราพูดถึงองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม ไอโซโทปก็คืออะตอมที่มีประจุเท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน
ไอน์สไตน์กับนิวเคลียสของอะตอม
ทฤษฎีสัมพัทธภาพกล่าวว่ามวลไม่ใช่ตัววัดที่ใช้หาปริมาณของสสาร แต่เป็นตัววัดพลังงานที่สสารมีอยู่ ดังนั้น สสารจึงวัดไม่ได้ด้วยมวล แต่วัดโดยประจุที่ประกอบเป็นสสาร และพลังงานของประจุ เมื่อประจุชนิดเดียวกันเข้าใกล้ประจุชนิดเดียวกัน พลังงานจะเพิ่มขึ้น ไม่เช่นนั้นก็จะลดลง แน่นอนว่าสิ่งนี้ไม่ได้หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในเรื่อง จากตำแหน่งนี้ นิวเคลียสของอะตอมจึงไม่ใช่แหล่งพลังงาน แต่กลับกลายเป็นสารตกค้างหลังจากการปลดปล่อย ดังนั้นจึงมีความขัดแย้งบ้าง
นิวตรอน
เมื่อ Curies ทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟาของเบริลเลียม ได้ค้นพบรังสีที่ไม่สามารถเข้าใจได้ซึ่งชนกับนิวเคลียสของอะตอมและขับไล่มันด้วยกำลังมหาศาล อย่างไรก็ตาม พวกมันสามารถผ่านสสารที่มีความหนามากได้ ความขัดแย้งนี้ได้รับการแก้ไขโดยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคที่กำหนดนั้นมีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง ดังนั้นจึงถูกเรียกว่านิวตรอน จากการวิจัยเพิ่มเติม ปรากฏว่ามวลของนิวตรอนเกือบจะเท่ากับมวลของโปรตอน โดยทั่วไปแล้วนิวตรอนและโปรตอนมีความคล้ายคลึงกันอย่างไม่น่าเชื่อ ด้วยการพิจารณาจากการค้นพบนี้ เป็นไปได้อย่างแน่นอนที่จะพิสูจน์ว่าองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมนั้นมีทั้งโปรตอนและนิวตรอนและในปริมาณที่เท่ากัน ทุกอย่างก็ค่อยๆ ลงตัว จำนวนโปรตอนคือเลขอะตอม น้ำหนักอะตอมเป็นผลรวมของมวลของนิวตรอนและโปรตอน ไอโซโทปสามารถเรียกได้ว่าเป็นองค์ประกอบที่จำนวนนิวตรอนและโปรตอนจะไม่เท่ากัน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ในกรณีเช่นนี้ แม้ว่าองค์ประกอบจะยังคงเหมือนเดิม แต่คุณสมบัติขององค์ประกอบอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมาก
