Jautājumi "No kā sastāv matērija?", "Kāda ir matērijas būtība?" vienmēr ir nodarbinājis cilvēci. Jau kopš seniem laikiem filozofi un zinātnieki ir meklējuši atbildes uz šiem jautājumiem, radot gan reālistiskas, gan pilnīgi pārsteidzošas un fantastiskas teorijas un hipotēzes. Tomēr burtiski pirms gadsimta cilvēce nonāca pēc iespējas tuvāk šī noslēpuma atšķetināšanai, atklājot matērijas atomu struktūru. Bet kāds ir atoma kodola sastāvs? No kā tas viss sastāv?
No teorijas līdz realitātei
Līdz divdesmitā gadsimta sākumam atomu struktūra vairs nebija tikai hipotēze, bet kļuva par absolūtu faktu. Izrādījās, ka atoma kodola sastāvs ir ļoti sarežģīts jēdziens. Tas satur elektriskos lādiņus. Bet radās jautājums: vai atoma un atoma kodola sastāvs ietver dažādus šo lādiņu daudzumus vai ne?
Planētu modelis
Sākotnēji tika uzskatīts, ka atoms ir uzbūvēts ļoti līdzīgi mūsu Saules sistēmai. TomērĀtri izrādījās, ka šis viedoklis nav gluži pareizs. Problēma, kas saistīta ar attēla astronomiskā mēroga tīri mehānisku pārnešanu uz apgabalu, kas aizņem milimetra miljondaļas, ir izraisījusi ievērojamas un dramatiskas parādību īpašību un kvalitātes izmaiņas. Galvenā atšķirība bija daudz stingrāki likumi un noteikumi, saskaņā ar kuriem atoms tiek būvēts.
Planētu modeļa trūkumi
Pirmkārt, tā kā viena veida atomiem un elementiem ir jābūt precīzi vienādiem parametru un īpašību ziņā, arī šo atomu elektronu orbītām ir jābūt vienādām. Tomēr astronomisko ķermeņu kustības likumi nevarēja sniegt atbildes uz šiem jautājumiem. Otrā pretruna slēpjas apstāklī, ka elektrona kustībai pa orbītu, ja tai tiek piemēroti labi izpētīti fiziskie likumi, obligāti jāpavada pastāvīga enerģijas izdalīšanās. Rezultātā šis process novestu pie elektronu izsīkuma, kas galu galā izmirtu un pat iekristu kodolā.
Mātes viļņu struktūraun
1924. gadā jaunais aristokrāts Luiss de Broglis izvirzīja ideju, kas pagrieza zinātnieku aprindas priekšstatus par tādiem jautājumiem kā atoma uzbūve, atomu kodolu sastāvs. Ideja bija tāda, ka elektrons nav tikai kustīga bumba, kas griežas ap kodolu. Šī ir neskaidra viela, kas pārvietojas saskaņā ar likumiem, kas atgādina viļņu izplatīšanos kosmosā. Diezgan ātri šī ideja tika attiecināta uz jebkura ķermeņa kustībuvispār, paskaidrojot, ka mēs pamanām tikai vienu šīs kustības pusi, bet otrā faktiski neizpaužas. Mēs varam redzēt viļņu izplatīšanos un nepamanīt daļiņas kustību vai otrādi. Faktiski abas šīs kustības puses pastāv vienmēr, un elektrona rotācija orbītā ir ne tikai paša lādiņa kustība, bet arī viļņu izplatīšanās. Šī pieeja būtiski atšķiras no iepriekš pieņemtā planētu modeļa.
Elementārais pamats
Atoma kodols ir centrs. Ap to griežas elektroni. Visu pārējo nosaka serdes īpašības. Ir jārunā par tādu jēdzienu kā atoma kodola sastāvs no vissvarīgākā punkta - no lādiņa. Atoms satur noteiktu skaitu elektronu, kuriem ir negatīvs lādiņš. Pašam kodolam ir pozitīvs lādiņš. No tā mēs varam izdarīt dažus secinājumus:
- Kodols ir pozitīvi lādēta daļiņa.
- Apkārt kodolam ir pulsējoša atmosfēra, ko rada lādiņi.
- Tas ir kodols un tā īpašības, kas nosaka elektronu skaitu atomā.
Kodola rekvizīti
Varam, stiklam, dzelzs, kokam ir vienādi elektroni. Atoms var zaudēt pāris elektronus vai pat visus. Ja kodols paliek pozitīvi uzlādēts, tad tas spēj piesaistīt pareizo daudzumu negatīvi lādētu daļiņu no citiem ķermeņiem, kas ļaus tam izdzīvot. Ja atoms zaudē noteiktu skaitu elektronu, tad pozitīvais kodola lādiņš būs lielāks par atlikušo negatīvo lādiņu daļu. ATŠajā gadījumā viss atoms iegūs lieko lādiņu, un to var saukt par pozitīvo jonu. Dažos gadījumos atoms var piesaistīt vairāk elektronu, un tad tas kļūs negatīvi uzlādēts. Tāpēc to var saukt par negatīvu jonu.
Cik sver atoms?
Atoma masu galvenokārt nosaka kodols. Elektroni, kas veido atomu un atoma kodolu, sver mazāk par vienu tūkstošdaļu no kopējās masas. Tā kā masa tiek uzskatīta par vielas enerģijas rezerves mēru, šis fakts tiek uzskatīts par neticami svarīgu, pētot tādu jautājumu kā atoma kodola sastāvs.
Radioaktivitāte
Visgrūtākie jautājumi radās pēc rentgenstaru atklāšanas. Radioaktīvie elementi izstaro alfa, beta un gamma viļņus. Bet šādam starojumam ir jābūt avotam. Rezerfords 1902. gadā parādīja, ka šāds avots ir pats atoms vai, pareizāk sakot, kodols. No otras puses, radioaktivitāte ir ne tikai staru emisija, bet arī viena elementa pārvēršana citā, ar pilnīgi jaunām ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām. Tas ir, radioaktivitāte ir izmaiņas kodolā.
Ko mēs zinām par kodolstruktūru?
Gandrīz pirms simts gadiem fiziķis Prouts izvirzīja domu, ka elementi periodiskajā tabulā nav nejaušas formas, bet gan ūdeņraža atomu kombinācijas. Tāpēc varētu sagaidīt, ka gan kodolu lādiņi, gan masas tiks izteiktas paša ūdeņraža veselos skaitļos un vairākos lādiņos. Tomēr tā nav gluži taisnība. Pētot atomu īpašībasKodolus ar elektromagnētisko lauku palīdzību fiziķis Astons konstatēja, ka elementi, kuru atomu svars nebija veseli skaitļi un daudzkārtņi, patiesībā ir dažādu atomu kombinācija, nevis viena viela. Visos gadījumos, kad atomu svars nav vesels skaitlis, mēs novērojam dažādu izotopu maisījumu. Kas tas ir? Ja runājam par atoma kodola sastāvu, izotopi ir atomi ar vienādu lādiņu, bet ar atšķirīgu masu.
Einšteins un atoma kodols
Relativitātes teorija saka, ka masa nav mērs, ar kuru nosaka vielas daudzumu, bet gan matērijai piemītošās enerģijas mērs. Attiecīgi matēriju var izmērīt nevis pēc masas, bet ar lādiņu, kas veido šo vielu, un lādiņa enerģiju. Kad tas pats lādiņš tuvojas citam tādam pašam, enerģija palielināsies, pretējā gadījumā tā samazināsies. Tas, protams, nenozīmē izmaiņas matērijā. Attiecīgi no šīs pozīcijas atoma kodols nav enerģijas avots, bet gan atlikums pēc tā atbrīvošanas. Tātad ir zināma pretruna.
Neitrons
Kirijs, bombardējot ar berilija alfa daļiņām, atklāja dažus nesaprotamus starus, kas, saduroties ar atoma kodolu, atgrūž to ar lielu spēku. Tomēr tie spēj iziet cauri lielam matērijas biezumam. Šo pretrunu atrisināja fakts, ka dotajai daļiņai izrādījās neitrāls elektriskais lādiņš. Attiecīgi to sauca par neitronu. Pateicoties turpmākiem pētījumiem, izrādījās, ka neitrona masa ir gandrīz tāda pati kā protonam. Vispārīgi runājot, neitrons un protons ir neticami līdzīgi. Ar apsveršanuNo šī atklājuma noteikti varēja konstatēt, ka atoma kodola sastāvā ir gan protoni, gan neitroni, turklāt vienādos daudzumos. Viss pamazām nostājās savās vietās. Protonu skaits ir atomskaitlis. Atomu svars ir neitronu un protonu masu summa. Par izotopu var saukt arī elementu, kurā neitronu un protonu skaits nebūs vienāds viens ar otru. Kā minēts iepriekš, tādā gadījumā, lai gan elements būtībā paliek nemainīgs, tā īpašības var būtiski mainīties.
