კითხვები "რისგან შედგება მატერია?", "რა არის მატერიის ბუნება?" ყოველთვის იკავებს კაცობრიობას. უძველესი დროიდან ფილოსოფოსები და მეცნიერები ეძებდნენ პასუხებს ამ კითხვებზე, ქმნიდნენ როგორც რეალისტურ, ისე სრულიად გასაოცარ და ფანტასტიკურ თეორიებსა და ჰიპოთეზებს. თუმცა, ფაქტიურად ერთი საუკუნის წინ, კაცობრიობა მაქსიმალურად მიუახლოვდა ამ საიდუმლოს ამოხსნას მატერიის ატომური სტრუქტურის აღმოჩენით. მაგრამ როგორია ატომის ბირთვის შემადგენლობა? რისგან შედგება ეს ყველაფერი?
თეორიიდან რეალობამდე
მეოცე საუკუნის დასაწყისისთვის ატომის სტრუქტურა შეწყდა მხოლოდ ჰიპოთეზა იყო, მაგრამ გახდა აბსოლუტური ფაქტი. აღმოჩნდა, რომ ატომის ბირთვის შემადგენლობა ძალიან რთული კონცეფციაა. ის შეიცავს ელექტრო მუხტს. მაგრამ გაჩნდა კითხვა: შეიცავს თუ არა ატომისა და ატომის ბირთვის შემადგენლობა ამ მუხტების სხვადასხვა რაოდენობას?
პლანეტარული მოდელი
თავდაპირველად, ითვლებოდა, რომ ატომი ძალიან ჰგავს ჩვენს მზის სისტემას. თუმცასწრაფად გაირკვა, რომ ეს მოსაზრება არ იყო მთლად სწორი. სურათის ასტრონომიული მასშტაბის წმინდა მექანიკური გადაცემის პრობლემამ ფართობზე, რომელიც იკავებს მილიმეტრის მემილიონედს, გამოიწვია მნიშვნელოვანი და დრამატული ცვლილება ფენომენების თვისებებში და თვისებებში. მთავარი განსხვავება იყო ბევრად უფრო მკაცრი კანონები და წესები, რომლითაც ატომ იქმნება.
პლანეტარული მოდელის ნაკლოვანებები
უპირველეს ყოვლისა, ვინაიდან ერთი და იგივე სახის და ელემენტის ატომები ზუსტად ერთნაირი უნდა იყოს პარამეტრებისა და თვისებების მიხედვით, ამ ატომების ელექტრონების ორბიტებიც იგივე უნდა იყოს. თუმცა, ასტრონომიული სხეულების მოძრაობის კანონები ამ კითხვებზე პასუხს ვერ იძლევიან. მეორე წინააღმდეგობა მდგომარეობს იმაში, რომ ელექტრონის მოძრაობა ორბიტის გასწვრივ, თუ მას კარგად შესწავლილი ფიზიკური კანონები გამოიყენებს, აუცილებლად უნდა ახლდეს ენერგიის მუდმივი გამოყოფა. შედეგად, ეს პროცესი გამოიწვევდა ელექტრონის ამოწურვას, რომელიც საბოლოოდ დაიღუპება და ბირთვშიც კი მოხვდება.
დედა ტალღის სტრუქტურადა
1924 წელს ახალგაზრდა არისტოკრატმა ლუი დე ბროლიმ წამოაყენა იდეა, რომელმაც შეცვალა სამეცნიერო საზოგადოების იდეები ისეთ საკითხებზე, როგორიცაა ატომის სტრუქტურა, ატომის ბირთვების შემადგენლობა. იდეა იყო, რომ ელექტრონი არ არის მხოლოდ მოძრავი ბურთი, რომელიც ბრუნავს ბირთვის გარშემო. ეს არის ბუნდოვანი ნივთიერება, რომელიც მოძრაობს კოსმოსში ტალღების გავრცელების მსგავსი კანონების მიხედვით. საკმაოდ სწრაფად, ეს იდეა გავრცელდა ნებისმიერი სხეულის მოძრაობაზეზოგადად, იმის ახსნა, რომ ჩვენ ვამჩნევთ ამ მოძრაობის მხოლოდ ერთ მხარეს, მაგრამ მეორე ფაქტობრივად არ ვლინდება. ჩვენ შეგვიძლია დავინახოთ ტალღების გავრცელება და ვერ შევამჩნიოთ ნაწილაკების მოძრაობა ან პირიქით. სინამდვილეში, მოძრაობის ეს ორივე მხარე ყოველთვის არსებობს და ორბიტაზე ელექტრონის ბრუნვა არა მხოლოდ თავად მუხტის მოძრაობაა, არამედ ტალღების გავრცელებაც. ეს მიდგომა ფუნდამენტურად განსხვავდება ადრე მიღებული პლანეტარული მოდელისგან.
დაწყებითი საძირკველი
ატომის ბირთვი არის ცენტრი. მის გარშემო ტრიალებს ელექტრონები. ყველაფერი დანარჩენი განისაზღვრება ბირთვის თვისებებით. აუცილებელია ვისაუბროთ ისეთ კონცეფციაზე, როგორიცაა ატომის ბირთვის შემადგენლობა ყველაზე მნიშვნელოვანი წერტილიდან - მუხტიდან. ატომი შეიცავს ელექტრონების გარკვეულ რაოდენობას, რომლებიც ატარებენ უარყოფით მუხტს. თავად ბირთვს აქვს დადებითი მუხტი. აქედან შეგვიძლია გამოვიტანოთ გარკვეული დასკვნები:
- ბირთვი არის დადებითად დამუხტული ნაწილაკი.
- ბირთის ირგვლივ არის მუხტების მიერ შექმნილი პულსირებული ატმოსფერო.
- ეს არის ბირთვი და მისი მახასიათებლები, რომელიც განსაზღვრავს ელექტრონების რაოდენობას ატომში.
ბირთის თვისებები
სპილენძი, მინა, რკინა, ხე ერთნაირი ელექტრონებია. ატომს შეუძლია დაკარგოს რამდენიმე ელექტრონი ან თუნდაც ყველა. თუ ბირთვი რჩება დადებითად დამუხტული, მაშინ მას შეუძლია მიიზიდოს სხვა სხეულებიდან უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების სწორი რაოდენობა, რაც მას გადარჩენის საშუალებას მისცემს. თუ ატომი კარგავს ელექტრონების გარკვეულ რაოდენობას, მაშინ ბირთვზე დადებითი მუხტი მეტი იქნება, ვიდრე დარჩენილი უარყოფითი მუხტები. ATამ შემთხვევაში, მთელი ატომი შეიძენს ჭარბ მუხტს და მას შეიძლება ეწოდოს დადებითი იონი. ზოგიერთ შემთხვევაში, ატომს შეუძლია მეტი ელექტრონის მიზიდვა, შემდეგ კი ის უარყოფითად დამუხტული გახდება. ამიტომ მას შეიძლება ეწოდოს უარყოფითი იონი.
რამდენს იწონის ატომი?
ატომის მასას ძირითადად ბირთვი განსაზღვრავს. ელექტრონები, რომლებიც ქმნიან ატომს და ატომის ბირთვს, იწონის მთლიანი მასის მეათასედზე ნაკლებს. ვინაიდან მასა განიხილება ნივთიერების ენერგიის რეზერვის საზომად, ეს ფაქტი წარმოუდგენლად მნიშვნელოვანია ისეთი საკითხის შესწავლისას, როგორიცაა ატომის ბირთვის შემადგენლობა.
რადიოაქტიურობა
ყველაზე რთული კითხვები რენტგენის აღმოჩენის შემდეგ გაჩნდა. რადიოაქტიური ელემენტები ასხივებენ ალფა, ბეტა და გამა ტალღებს. მაგრამ ასეთ გამოსხივებას უნდა ჰქონდეს წყარო. რეზერფორდმა 1902 წელს აჩვენა, რომ ასეთი წყარო არის თავად ატომი, უფრო სწორად, ბირთვი. მეორეს მხრივ, რადიოაქტიურობა არის არა მხოლოდ სხივების გამოსხივება, არამედ ერთი ელემენტის მეორეში გადაქცევა, სრულიად ახალი ქიმიური და ფიზიკური თვისებებით. ანუ რადიოაქტიურობა არის ბირთვის ცვლილება.
რა ვიცით ბირთვული სტრუქტურის შესახებ?
თითქმის ასი წლის წინ ფიზიკოსმა პროუტმა წამოაყენა იდეა, რომ პერიოდული ცხრილის ელემენტები არ არის შემთხვევითი ფორმები, არამედ წყალბადის ატომების კომბინაციაა. მაშასადამე, შეიძლება ველოდოთ, რომ როგორც მუხტები, ისე ბირთვების მასები გამოისახება თავად წყალბადის მთელი და მრავალჯერადი მუხტების მიხედვით. თუმცა, ეს არ არის მთლად სიმართლე. ატომის თვისებების შესწავლითბირთვები ელექტრომაგნიტური ველების დახმარებით ფიზიკოსმა ასტონმა დაადგინა, რომ ელემენტები, რომელთა ატომური წონა არ იყო მთელი რიცხვები და მრავლობითი, სინამდვილეში, არის სხვადასხვა ატომების ერთობლიობა და არა ერთი ნივთიერების. ყველა შემთხვევაში, როდესაც ატომური წონა არ არის მთელი რიცხვი, ჩვენ ვაკვირდებით სხვადასხვა იზოტოპების ნარევს. რა არის ეს? თუ ვსაუბრობთ ატომის ბირთვის შემადგენლობაზე, იზოტოპები არის იგივე მუხტის მქონე, მაგრამ განსხვავებული მასის მქონე ატომები.
აინშტაინი და ატომის ბირთვი
ფარდობითობის თეორია ამბობს, რომ მასა არ არის საზომი, რომლითაც განისაზღვრება მატერიის რაოდენობა, არამედ საზომი ენერგია, რომელსაც მატერია ფლობს. შესაბამისად, მატერიის გაზომვა შესაძლებელია არა მასით, არამედ მუხტით, რომელიც ამ მატერიას ქმნის და მუხტის ენერგიით. როდესაც ერთი და იგივე მუხტი უახლოვდება იმავე მუხტს, ენერგია გაიზრდება, წინააღმდეგ შემთხვევაში შემცირდება. ეს, რა თქმა უნდა, არ ნიშნავს მატერიის ცვლილებას. შესაბამისად, ამ პოზიციიდან გამომდინარე, ატომის ბირთვი არის არა ენერგიის წყარო, არამედ ნარჩენი მისი გათავისუფლების შემდეგ. ასე რომ, არის გარკვეული წინააღმდეგობა.
ნეიტრონები
კურიებმა, ბერილიუმის ალფა ნაწილაკებით დაბომბვისას, აღმოაჩინეს რამდენიმე გაუგებარი სხივები, რომლებიც ატომის ბირთვთან შეჯახებისას მას დიდი ძალით იგერიებენ. თუმცა, მათ შეუძლიათ დიდი სისქის მატერიის გავლა. ეს წინააღმდეგობა მოგვარდა იმით, რომ მოცემულ ნაწილაკს ნეიტრალური ელექტრული მუხტი ჰქონდა. შესაბამისად მას ნეიტრონი ეწოდა. შემდგომი კვლევის წყალობით, აღმოჩნდა, რომ ნეიტრონის მასა თითქმის იგივეა, რაც პროტონის. ზოგადად რომ ვთქვათ, ნეიტრონი და პროტონი წარმოუდგენლად მსგავსია. გათვალისწინებითამ აღმოჩენიდან ნამდვილად შესაძლებელი გახდა იმის დადგენა, რომ ატომის ბირთვის შემადგენლობაში შედის პროტონებიც და ნეიტრონებიც და თანაბარი რაოდენობით. თანდათან ყველაფერი თავის ადგილზე დადგა. პროტონების რაოდენობა არის ატომური რიცხვი. ატომური წონა არის ნეიტრონების და პროტონების მასების ჯამი. იზოტოპი ასევე შეიძლება ეწოდოს ელემენტს, რომელშიც ნეიტრონების და პროტონების რაოდენობა არ იქნება ერთმანეთის ტოლი. როგორც ზემოთ განვიხილეთ, ასეთ შემთხვევაში, თუმცა ელემენტი არსებითად იგივე რჩება, მისი თვისებები შეიძლება არსებითად შეიცვალოს.
