Pētot vielas sastāvu, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka visa matērija sastāv no molekulām un atomiem. Ilgu laiku atoms (tulkojumā no grieķu valodas kā "nedalāms") tika uzskatīts par mazāko matērijas struktūrvienību. Tomēr turpmākie pētījumi ir parādījuši, ka atomam ir sarežģīta struktūra un tas, savukārt, ietver mazākas daļiņas.
No kā sastāv atoms?
1911. gadā zinātnieks Rezerfords ierosināja, ka atomam ir centrālā daļa, kurai ir pozitīvs lādiņš. Šādi pirmo reizi parādījās atoma kodola jēdziens.
Saskaņā ar Raterforda shēmu, ko sauc par planētu modeli, atoms sastāv no kodola un elementārdaļiņām ar negatīvu lādiņu – elektroniem, kas pārvietojas ap kodolu, tāpat kā planētas riņķo ap Sauli.
1932. gadā cits zinātnieks Čedviks atklāja neitronu, daļiņu, kurai nav elektriskā lādiņa.
Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām atoma kodola uzbūve atbilst Raterforda piedāvātajam planētu modelim. Kodols tiek ievestslielākā daļa atomu masas. Tam ir arī pozitīvs lādiņš. Atomu kodols satur protonus – pozitīvi lādētas daļiņas un neitronus – daļiņas, kurām nav lādiņa. Protonus un neitronus sauc par nukleoniem. Negatīvi lādētas daļiņas - elektroni - riņķo ap kodolu.
Protonu skaits kodolā ir vienāds ar elektronu skaitu, kas pārvietojas orbītā. Tāpēc pats atoms ir daļiņa, kas nenes lādiņu. Ja atoms uztver citu cilvēku elektronus vai zaudē savus elektronus, tas kļūst pozitīvs vai negatīvs un tiek saukts par jonu.
Elektronus, protonus un neitronus kopā dēvē par subatomiskām daļiņām.
Atomu kodola lādiņš
Kodolam ir lādiņa numurs Z. To nosaka protonu skaits, kas veido atoma kodolu. Noskaidrot šo summu ir vienkārši: vienkārši skatiet Mendeļejeva periodisko sistēmu. Elementa, kuram pieder atoms, atomu skaits ir vienāds ar protonu skaitu kodolā. Tādējādi, ja ķīmiskais elements skābeklis atbilst kārtas numuram 8, tad arī protonu skaits būs vienāds ar astoņiem. Tā kā protonu un elektronu skaits atomā ir vienāds, tajā būs arī astoņi elektroni.
Neitronu skaitu sauc par izotopu skaitli un apzīmē ar burtu N. To skaits var atšķirties viena un tā paša ķīmiskā elementa atomā.
Protonu un elektronu summu kodolā sauc par atoma masas skaitli un apzīmē ar burtu A. Tādējādi masas skaitļa aprēķināšanas formula izskatās šādi: A=Z+N.
Izotopi
Ja elementiem ir vienāds protonu un elektronu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits, tos sauc par ķīmiskā elementa izotopiem. Var būt viens vai vairāki izotopi. Tie ir ievietoti vienā periodiskās sistēmas šūnā.
Izotopiem ir liela nozīme ķīmijā un fizikā. Piemēram, ūdeņraža izotops - deitērijs - savienojumā ar skābekli dod pilnīgi jaunu vielu, ko sauc par smago ūdeni. Tam ir atšķirīgs viršanas un sasalšanas punkts nekā parasti. Un deitērija kombinācija ar citu ūdeņraža izotopu - tritiju izraisa kodolsintēzes reakciju, un to var izmantot, lai radītu milzīgu enerģijas daudzumu.
Kodola un subatomisko daļiņu masa
Atomu un subatomisko daļiņu izmēri un masas cilvēka uztverē ir niecīgi. Kodolu izmērs ir aptuveni 10-12cm. Atomu kodola masu fizikā mēra tā sauktajās atomu masas vienībās - amu
Vienam amu ņem vienu divpadsmito daļu no oglekļa atoma masas. Izmantojot parastās mērvienības (kilogrami un grami), masu var izteikt šādi: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Šādā veidā to sauc par absolūto atommasu.
Neskatoties uz to, ka atoma kodols ir atoma masīvākā sastāvdaļa, tā izmēri attiecībā pret apkārtējo elektronu mākoni ir ārkārtīgi mazi.
Kodolspēki
Atomu kodoli ir ārkārtīgi stabili. Tas nozīmē, ka protonus un neitronus kodolā notur daži spēki. Navvar būt elektromagnētiskie spēki, jo protoni ir līdzīgi uzlādētas daļiņas, un ir zināms, ka daļiņas ar vienādu lādiņu viena otru atgrūž. Gravitācijas spēki ir pārāk vāji, lai noturētu nukleonus kopā. Tāpēc daļiņas kodolā notur cita mijiedarbība – kodolspēki.
Kodolmijiedarbība tiek uzskatīta par spēcīgāko no visiem dabā esošajiem. Tāpēc šāda veida mijiedarbību starp atomu kodola elementiem sauc par spēcīgu. Tas atrodas daudzās elementārdaļiņās, kā arī elektromagnētiskajos spēkos.
Kodolspēku iezīmes
- Īsa darbība. Kodolspēki, atšķirībā no elektromagnētiskajiem spēkiem, izpaužas tikai ļoti mazos attālumos, kas ir salīdzināmi ar kodola izmēru.
- Uzlādes neatkarība. Šī iezīme izpaužas faktā, ka kodolspēki vienādi iedarbojas uz protoniem un neitroniem.
- Piesātinājums. Kodola nukleoni mijiedarbojas tikai ar noteiktu skaitu citu nukleonu.
Pamata saistīšanas enerģija
Cita lieta ir cieši saistīta ar spēcīgas mijiedarbības jēdzienu - kodolu saistīšanas enerģiju. Kodolenerģija ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams atoma kodola sadalīšanai tā sastāvā esošajos nukleonos. Tā ir vienāda ar enerģiju, kas nepieciešama, lai no atsevišķām daļiņām izveidotu kodolu.
Lai aprēķinātu kodola saistīšanas enerģiju, ir jāzina subatomisko daļiņu masa. Aprēķini liecina, ka kodola masa vienmēr ir mazāka par to veidojošo nukleonu summu. Masas defekts ir atšķirība starpkodola masa un tā protonu un elektronu summa. Izmantojot Einšteina formulu par masu un enerģijas saistību (E=mc2), var aprēķināt kodola veidošanās laikā radīto enerģiju.
Par kodola saistīšanas enerģijas stiprumu var spriest pēc šāda piemēra: veidojoties vairākiem gramiem hēlija, rodas tikpat daudz enerģijas, cik sadegot vairākām tonnām ogļu.
Kodolreakcijas
Atomu kodoli var mijiedarboties ar citu atomu kodoliem. Šādas mijiedarbības sauc par kodolreakcijām. Ir divu veidu reakcijas.
- Skaldīšanās reakcijas. Tās rodas, kad smagāki kodoli mijiedarbības rezultātā sadalās vieglākos.
- Sintēzes reakcijas. Process ir pretējs dalīšanās procesam: kodoli saduras, tādējādi veidojot smagākus elementus.
Visas kodolreakcijas pavada enerģijas izdalīšanās, ko pēc tam izmanto rūpniecībā, militārajā jomā, enerģētikā un tā tālāk.
Iepazīstoties ar atoma kodola sastāvu, varam izdarīt šādus secinājumus.
- Atoms sastāv no kodola, kas satur protonus un neitronus, un elektronus ap to.
- Atoma masas skaitlis ir vienāds ar tā kodola nukleonu summu.
- Nuklonus kopā satur spēcīgais spēks.
- Milzīgos spēkus, kas notur atoma kodolu stabilu, sauc par kodola saistīšanas enerģijām.
