მატერიის შემადგენლობის შესწავლისას, მეცნიერები მივიდნენ დასკვნამდე, რომ ყველა მატერია შედგება მოლეკულებისა და ატომებისგან. დიდი ხნის განმავლობაში, ატომი (ბერძნულიდან თარგმნილი, როგორც "განუყოფელი") ითვლებოდა მატერიის უმცირეს სტრუქტურულ ერთეულად. თუმცა, შემდგომმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ატომს აქვს რთული სტრუქტურა და, თავის მხრივ, მოიცავს უფრო მცირე ნაწილაკებს.
რისგან შედგება ატომი?
1911 წელს მეცნიერმა რეზერფორდმა გამოთქვა ვარაუდი, რომ ატომს აქვს ცენტრალური ნაწილი, რომელსაც აქვს დადებითი მუხტი. ასე გაჩნდა პირველად ატომის ბირთვის კონცეფცია.
რეზერფორდის სქემის მიხედვით, რომელსაც ეწოდება პლანეტარული მოდელი, ატომი შედგება ბირთვისა და ელემენტარული ნაწილაკებისგან უარყოფითი მუხტით - ელექტრონები მოძრაობენ ბირთვის გარშემო, ისევე როგორც პლანეტები ბრუნავენ მზის გარშემო.
1932 წელს კიდევ ერთმა მეცნიერმა, ჩადვიკმა, აღმოაჩინა ნეიტრონი, ნაწილაკი, რომელსაც არ აქვს ელექტრული მუხტი.
თანამედროვე კონცეფციების მიხედვით, ატომის ბირთვის სტრუქტურა შეესაბამება რეზერფორდის მიერ შემოთავაზებულ პლანეტარული მოდელს. ბირთვი ხორციელდებაატომური მასის უმეტესი ნაწილი. მას ასევე აქვს დადებითი მუხტი. ატომის ბირთვი შეიცავს პროტონებს - დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს და ნეიტრონებს - ნაწილაკებს, რომლებიც არ ატარებენ მუხტს. პროტონებს და ნეიტრონებს ნუკლეონებს უწოდებენ. უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები - ელექტრონები - ბრუნავს ბირთვის გარშემო.
პროტონების რაოდენობა ბირთვში უდრის ორბიტაზე მოძრავი ელექტრონების რაოდენობას. ამრიგად, ატომი თავისთავად არის ნაწილაკი, რომელიც არ ატარებს მუხტს. თუ ატომი იჭერს სხვა ადამიანების ელექტრონებს ან კარგავს საკუთარს, მაშინ ის ხდება დადებითი ან უარყოფითი და ეწოდება იონი.
ელექტრონებს, პროტონებს და ნეიტრონებს ერთობლივად მოიხსენიებენ, როგორც სუბატომურ ნაწილაკებს.
ატომის ბირთვის მუხტი
ბირთვს აქვს მუხტის ნომერი Z. ის განისაზღვრება პროტონების რაოდენობით, რომლებიც ქმნიან ატომის ბირთვს. ამ თანხის გარკვევა მარტივია: უბრალოდ მიმართეთ მენდელეევის პერიოდულ სისტემას. ელემენტის ატომური ნომერი, რომელსაც ეკუთვნის ატომი, უდრის ბირთვში არსებული პროტონების რაოდენობას. ამრიგად, თუ ქიმიური ელემენტი ჟანგბადი შეესაბამება სერიულ ნომერს 8, მაშინ პროტონების რაოდენობაც რვის ტოლი იქნება. ვინაიდან ატომში პროტონებისა და ელექტრონების რაოდენობა იგივეა, ასევე იქნება რვა ელექტრონი.
ნეიტრონების რაოდენობას ეწოდება იზოტოპური რიცხვი და აღინიშნება ასო N-ით. მათი რიცხვი შეიძლება განსხვავდებოდეს იმავე ქიმიური ელემენტის ატომში.
ბირთვში პროტონებისა და ელექტრონების ჯამს ეწოდება ატომის მასური რიცხვი და აღინიშნება ასო A. ამრიგად, მასის რიცხვის გამოთვლის ფორმულა ასე გამოიყურება: A=Z+N.
იზოტოპები
იმ შემთხვევაში, როდესაც ელემენტებს აქვთ პროტონებისა და ელექტრონების თანაბარი რაოდენობა, მაგრამ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა, მათ უწოდებენ ქიმიური ელემენტის იზოტოპებს. შეიძლება იყოს ერთი ან მეტი იზოტოპი. ისინი მოთავსებულია პერიოდული სისტემის ერთსა და იმავე უჯრედში.
იზოტოპებს დიდი მნიშვნელობა აქვთ ქიმიასა და ფიზიკაში. მაგალითად, წყალბადის იზოტოპი - დეიტერიუმი - ჟანგბადთან ერთად იძლევა სრულიად ახალ ნივთიერებას, რომელსაც მძიმე წყალი ეწოდება. მას ჩვეულებრივზე განსხვავებული დუღილისა და გაყინვის წერტილი აქვს. ხოლო დეიტერიუმის ერთობლიობა წყალბადის სხვა იზოტოპთან - ტრიტიუმთან იწვევს თერმობირთვული შერწყმის რეაქციას და შეიძლება გამოყენებულ იქნას უზარმაზარი ენერგიის გამომუშავებისთვის.
ბირთვის და სუბატომური ნაწილაკების მასა
ატომების და სუბატომური ნაწილაკების ზომები და მასები უმნიშვნელოა ადამიანის ცნებებში. ბირთვების ზომა არის დაახლოებით 10-12სმ. ატომის ბირთვის მასა ფიზიკაში იზომება ეგრეთ წოდებული ატომური მასის ერთეულებში - amu
ერთი ამუსთვის აიღეთ ნახშირბადის ატომის მასის მეთორმეტი. ჩვეულებრივი საზომი ერთეულების (კილოგრამები და გრამი) გამოყენებით, მასა შეიძლება გამოისახოს შემდეგნაირად: დილის 1 საათი.=1, 660540 10-24გ. გამოხატული ამ გზით, მას უწოდებენ აბსოლუტურ ატომურ მასას.
მიუხედავად იმისა, რომ ატომის ბირთვი არის ატომის ყველაზე მასიური კომპონენტი, მისი ზომები მის გარშემო არსებულ ელექტრონულ ღრუბელთან შედარებით ძალიან მცირეა.
ბირთვული ძალები
ატომის ბირთვები უკიდურესად სტაბილურია. ეს ნიშნავს, რომ პროტონები და ნეიტრონები ბირთვში ინახება გარკვეული ძალების მიერ. Არ არისშეიძლება არსებობდეს ელექტრომაგნიტური ძალები, რადგან პროტონები მსგავსი დამუხტული ნაწილაკებია და ცნობილია, რომ ერთი და იგივე მუხტის მქონე ნაწილაკები ერთმანეთს უკუაგდებენ. გრავიტაციული ძალები ზედმეტად სუსტია ნუკლეონების ერთმანეთთან შესანარჩუნებლად. მაშასადამე, ნაწილაკები ინარჩუნებენ ბირთვს სხვა ურთიერთქმედებით - ბირთვული ძალებით.
ბირთვული ურთიერთქმედება ითვლება ყველაზე ძლიერად ყველა არსებულ ბუნებაში. ამიტომ ატომის ბირთვის ელემენტებს შორის ამ ტიპის ურთიერთქმედებას ძლიერი ეწოდება. ის იმყოფება ბევრ ელემენტარულ ნაწილაკში, ისევე როგორც ელექტრომაგნიტურ ძალებში.
ბირთვული ძალების თავისებურებები
- მოკლე მოქმედება. ბირთვული ძალები, ელექტრომაგნიტური ძალებისგან განსხვავებით, ვლინდება მხოლოდ ძალიან მცირე დისტანციებზე, რომლებიც შედარებულია ბირთვის ზომასთან.
- დამუხტვის დამოუკიდებლობა. ეს თვისება გამოიხატება იმაში, რომ ბირთვული ძალები თანაბრად მოქმედებენ პროტონებზე და ნეიტრონებზე.
- გაჯერება. ბირთვის ნუკლეონები ურთიერთქმედებენ მხოლოდ გარკვეული რაოდენობის სხვა ნუკლეონებთან.
ბირთვის შეკვრის ენერგია
სხვა რამ მჭიდროდ არის დაკავშირებული ძლიერი ურთიერთქმედების კონცეფციასთან - ბირთვების შემაკავშირებელ ენერგიასთან. ბირთვული შებოჭვის ენერგია არის ენერგიის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა ატომის ბირთვის მის შემადგენელ ნუკლეონებად გასაყოფად. ის უდრის იმ ენერგიას, რომელიც საჭიროა ცალკეული ნაწილაკებისგან ბირთვის შესაქმნელად.
ბირთვის შებოჭვის ენერგიის გამოსათვლელად აუცილებელია სუბატომური ნაწილაკების მასის ცოდნა. გამოთვლები აჩვენებს, რომ ბირთვის მასა ყოველთვის ნაკლებია, ვიდრე მისი შემადგენელი ნუკლეონების ჯამი. მასის დეფექტი არის განსხვავებაბირთვის მასა და მისი პროტონებისა და ელექტრონების ჯამი. აინშტაინის ფორმულის გამოყენებით მასასა და ენერგიას შორის ურთიერთობის შესახებ (E=mc2), შეგიძლიათ გამოთვალოთ ბირთვის წარმოქმნის დროს წარმოქმნილი ენერგია.
ბირთვის შემაკავშირებელ ენერგიის სიძლიერე შეიძლება ვიმსჯელოთ შემდეგი მაგალითით: რამდენიმე გრამი ჰელიუმის წარმოქმნა წარმოქმნის იმდენ ენერგიას, რამდენიც რამდენიმე ტონა ნახშირის წვისას.
ბირთვული რეაქციები
ატომების ბირთვებს შეუძლიათ ურთიერთქმედება სხვა ატომების ბირთვებთან. ასეთ ურთიერთქმედებებს ბირთვული რეაქციები ეწოდება. არსებობს ორი სახის რეაქცია.
- დაშლის რეაქციები. ისინი წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც ურთიერთქმედების შედეგად მძიმე ბირთვები იშლება მსუბუქ ბირთვებად.
- სინთეზის რეაქციები. პროცესი დაშლის საპირისპიროა: ბირთვები ეჯახება, რითაც წარმოიქმნება უფრო მძიმე ელემენტები.
ყველა ბირთვულ რეაქციას თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა, რომელიც შემდგომში გამოიყენება ინდუსტრიაში, სამხედროში, ენერგეტიკაში და ასე შემდეგ.
ატომის ბირთვის შემადგენლობის გაცნობით, შეგვიძლია შემდეგი დასკვნების გამოტანა.
- ატომი შედგება ბირთვისგან, რომელიც შეიცავს პროტონებს და ნეიტრონებს და მის გარშემო ელექტრონებს.
- ატომის მასური რიცხვი უდრის მისი ბირთვის ნუკლეონების ჯამს.
- ნუკლონებს ძლიერი ძალა უჭირავს.
- უზარმაზარ ძალებს, რომლებიც ინარჩუნებენ ატომის ბირთვს სტაბილურობას, ეწოდება ბირთვული შემაკავშირებელ ენერგიას.
