«Атом» атауы грек тілінен «бөлінбейтін» деп аударылған. Айналамыздағы барлық заттар – қатты заттар, сұйықтықтар және ауа – осы миллиардтаған бөлшектерден жасалған.
Атом туралы нұсқаның пайда болуы
Атомдар туралы алғаш рет біздің дәуірімізге дейінгі 5 ғасырда грек философы Демокрит материя қозғалатын ұсақ бөлшектерден тұрады деген тұжырым жасаған кезде белгілі болды. Бірақ кейін олардың бар нұсқасын тексеру мүмкін болмады. Бұл бөлшектерді ешкім көре алмаса да, бұл идея талқыланды, өйткені ғалымдар нақты әлемде болып жатқан процестерді түсіндіре алатын жалғыз әдіс. Сондықтан олар бұл фактіні дәлелдемес бұрын микробөлшектердің бар екеніне сенген.
Тек 19 ғасырда. олар атомдардың спецификалық қасиеттері – қатаң белгіленген мөлшерде басқалармен қосылыстарға түсу қабілетіне ие химиялық элементтердің ең кіші құрамдас бөліктері ретінде талдана бастады. 20 ғасырдың басында атомдар материяның ең кішкентай бөлшектері деп есептелді, бірақ олардың одан да кішірек бірліктерден тұратыны дәлелденгенге дейін.
Химиялық элемент неден жасалған?
Химиялық элемент атомы – заттың микроскопиялық құрылыс материалы. Атомның молекулалық салмағы осы микробөлшектің анықтаушы белгісі болды. Тек Менделеевтің периодтық заңының ашылуы ғана олардың түрлері бір материяның әртүрлі формалары екенін дәлелдеді. Олар соншалықты кішкентай, оларды қарапайым микроскоптар арқылы көруге болмайды, тек ең қуатты электрондық құрылғылар. Салыстыратын болсақ, адамның қолындағы шаш миллион есе кең.
Атомның электрондық құрылымында нейтрондар мен протондардан, сондай-ақ жұлдыздардың айналасындағы планеталар сияқты тұрақты орбиталарда орталықтың айналасында айналым жасайтын электрондардан тұратын ядро бар. Олардың барлығын ғаламдағы төрт негізгі күштің бірі болып табылатын электромагниттік күш біріктіреді. Нейтрондар бейтарап заряды бар бөлшектер, протондар оң зарядпен, ал электрондар теріс зарядпен жабдықталған. Соңғылары оң зарядталған протондарға тартылады, сондықтан олар орбитада қалуға бейім.
Атом құрылымы
Орталық бөлігінде бүкіл атомның ең аз бөлігін толтыратын ядро бар. Бірақ зерттеулер бүкіл массаның дерлік (99,9%) онда орналасқанын көрсетеді. Әрбір атомда протондар, нейтрондар, электрондар болады. Ондағы айналатын электрондар саны оң орталық зарядқа тең. Ядро заряды Z бірдей, бірақ атомдық массасы А және ядродағы нейтрондар саны N әр түрлі бөлшектер изотоптар деп, A бірдей, Z және N әр түрлі изобарлар деп аталады. Электрон – теріс жағы бар заттың ең кішкентай бөлшегіэлектр заряды e=1,6 10-19 кулон. Ионның заряды жоғалған немесе алынған электрондардың санын анықтайды. Бейтарап атомның зарядталған ионға айналу процесі иондану деп аталады.
Атом үлгісінің жаңа нұсқасы
Физиктер осы уақытқа дейін көптеген басқа элементар бөлшектерді ашты. Атомның электрондық құрылымының жаңа нұсқасы бар.
Протондар мен нейтрондар қанша кішкентай болса да, кварк деп аталатын ең кішкентай бөлшектерден тұрады деген пікір бар. Олар атом құрылысының жаңа үлгісін құрайды. Ғалымдар бұрынғы модельдің бар екендігін дәлелдейтін дәлелдер жинаса, бүгінде олар кварктардың бар екенін дәлелдеуге тырысуда.
RTM – болашақтың құрылғысы
Қазіргі ғалымдар заттың атомдық бөлшектерін компьютер мониторынан көре алады, сондай-ақ сканерлеуші туннельдік микроскоп (RTM) деп аталатын арнайы құралдың көмегімен оларды беттің үстіне жылжыта алады.
Бұл материалдың бетіне өте жұмсақ қозғалатын ұшы бар компьютерленген құрал. Ұш қозғалған кезде электрондар ұшы мен бетінің арасындағы саңылау арқылы қозғалады. Материал мінсіз тегіс көрінгенімен, атом деңгейінде ол біркелкі емес. Компьютер зат бетінің картасын жасайды, оның бөлшектерінің бейнесін жасайды, осылайша ғалымдар атомның қасиеттерін көре алады.
Радиоактивті бөлшектер
Теріс зарядталған иондар ядроның айналасында жеткілікті үлкен қашықтықта айналады. Атомның құрылымы тұтас болатындайшын мәнінде бейтарап және электр заряды жоқ, өйткені оның барлық бөлшектері (протондар, нейтрондар, электрондар) тепе-теңдікте.
Радиактивті атом оңай бөлінетін элемент. Оның орталығы көптеген протондар мен нейтрондардан тұрады. Жалғыз ерекшелік - бір протоны бар сутегі атомының диаграммасы. Ядро электрондар бұлтымен қоршалған, бұл олардың орталық айналасында айналуына ықпал ететін тартылыс. Зарядтары бірдей протондар бір-бірін тебеді.
Бірнешелері бар ұсақ бөлшектердің көпшілігі үшін бұл мәселе емес. Бірақ олардың кейбіреулері тұрақсыз, әсіресе 92 протоны бар уран сияқты ірілері. Кейде оның орталығы мұндай жүктемеге төтеп бере алмайды. Оларды радиоактивті деп атайды, өйткені олар өз ядросынан бірнеше бөлшектер шығарады. Тұрақсыз ядро протондардан құтылғаннан кейін, қалған протондар жаңа қызды құрайды. Ол жаңа ядродағы протондар санына байланысты тұрақты болуы мүмкін немесе одан әрі бөлінуі мүмкін. Бұл процесс тұрақты еншілес өзегі қалғанша жалғасады.
Атомдардың қасиеттері
Атомның физикалық және химиялық қасиеттері бір элементтен екінші элементке табиғи түрде өзгереді. Олар келесі негізгі параметрлермен анықталады.
Атомдық масса. Микробөлшектердің негізгі орнын протондар мен нейтрондар алатындықтан, олардың қосындысы атомдық массалық бірліктермен (amu) өрнектелетін санды анықтайды Формула: A=Z + N.
Атом радиусы. Радиус элементтің Менделеев жүйесіндегі орналасуына, химиялықбайланыстар, көрші атомдар саны және кванттық механикалық әрекет. Ядроның радиусы элементтің радиусынан жүз мың есе кіші. Атомның құрылымы электрондарды жоғалтып, оң ионға айналуы немесе электрондарды қосып теріс ионға айналуы мүмкін.
Менделеевтің периодтық жүйесінде кез келген химиялық элемент өз орнын алады. Кестеде атомның өлшемі жоғарыдан төменге қарай жылжыған сайын үлкейеді, ал солдан оңға қарай жылжыған сайын азаяды. Бұдан ең кіші элемент - гелий, ал ең үлкені - цезий.
Валенттілік. Атомның сыртқы электрондық қабатын валенттік қабат деп атайды, ал ондағы электрондар сәйкес атауды – валенттік электрондарды алды. Олардың саны атомның басқалармен химиялық байланыс арқылы байланысын анықтайды. Соңғы микробөлшектерді жасау әдісі арқылы олар өздерінің сыртқы валенттік қабықшаларын толтыруға тырысады.
Гравитация, тартылыс – планеталарды орбитада ұстап тұратын күш, соның салдарынан қолынан босатылған заттар еденге түседі. Адам гравитацияны көбірек байқайды, бірақ электромагниттік әрекет бірнеше есе күшті. Атомдағы зарядталған бөлшектерді тартатын (немесе кері қайтаратын) күш ондағы тартылыс күшінен 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 есе күшті. Бірақ ядроның ортасында протондар мен нейтрондарды бірге ұстай алатын одан да күшті күш бар.
Ядролардағы реакциялар атомдар бөлінген ядролық реакторлардағы сияқты энергияны тудырады. Элемент неғұрлым ауыр болса, оның атомдары соғұрлым көп бөлшектерден тұрады. Егер элементтегі протондар мен нейтрондардың жалпы санын қоссақ, оны табамызмассасы. Мысалы, табиғаттағы ең ауыр элемент уранның атомдық массасы 235 немесе 238.
Атомды деңгейлерге бөлу
Атомның энергетикалық деңгейлері – электрон қозғалыстағы ядроның айналасындағы кеңістіктің өлшемі. Периодтық жүйедегі периодтар санына сәйкес барлығы 7 орбиталь бар. Электронның ядродан орналасуы неғұрлым алыс болса, оның энергия қоры соғұрлым маңызды болады. Период нөмірі оның ядросының айналасындағы атомдық орбитальдардың санын көрсетеді. Мысалы, калий 4-ші периодтың элементі, яғни атомның 4 энергетикалық деңгейі бар. Химиялық элементтің саны оның зарядына және ядроның айналасындағы электрондар санына сәйкес келеді.
Атом – энергия көзі
Ең атақты ғылыми формуланы неміс физигі Эйнштейн ашқан шығар. Ол массаның энергияның бір түрі екенін айтады. Осы теорияға сүйене отырып, материяны энергияға айналдырып, оның қанша бөлігін алуға болатынын формула бойынша есептеуге болады. Бұл түрлендірудің алғашқы практикалық нәтижесі алдымен Лос-Аламос шөлінде (АҚШ) сыналған атом бомбалары болды, содан кейін жапон қалаларында жарылды. Жарылғыш заттың жетінші бөлігі ғана энергияға айналғанымен, атом бомбасының жойғыш күші қорқынышты болды.
Ядро өз энергиясын шығару үшін ол құлауы керек. Оны бөлу үшін сырттан келген нейтронмен әрекет ету керек. Содан кейін ядро энергияның үлкен бөлінуін қамтамасыз ете отырып, басқа, жеңілірек екіге бөлінеді. Ыдырау басқа нейтрондардың бөлінуіне әкеледі,және олар басқа ядроларды бөлуді жалғастырады. Процесс тізбекті реакцияға айналады, нәтижесінде орасан зор энергия пайда болады.
Қазіргі уақытта ядролық реакцияны қолданудың жақсы және жаман жақтары
Материяның өзгеруі кезінде бөлінетін жойқын күш, адамзат атом электр станцияларында көндіруге тырысуда. Мұнда ядролық реакция жарылыс түрінде емес, жылудың біртіндеп бөлінуі ретінде жүреді.
Атом энергиясын өндірудің жақсы және жаман жақтары бар. Ғалымдардың айтуынша, өркениетімізді жоғары деңгейде ұстап тұру үшін осынау орасан зор қуат көзін пайдалану қажет. Бірақ ең заманауи әзірлемелердің өзі атом электр станцияларының толық қауіпсіздігіне кепілдік бере алмайтынын да ескеру қажет. Сонымен қатар, энергия өндіру кезінде пайда болатын радиоактивті қалдықтар дұрыс сақталмаса, ондаған мың жылдар бойы біздің ұрпақтарымызға әсер етуі мүмкін.
Чернобыль атом электр станциясындағы апаттан кейін атом энергиясын өндіруді адамзат үшін өте қауіпті деп санайтындар көбейіп келеді. Мұндай жалғыз қауіпсіз электр станциясы - бұл орасан зор ядролық энергиясы бар Күн. Ғалымдар күн батареяларының барлық үлгілерін жасауда, мүмкін, жақын болашақта адамзат өзін қауіпсіз атом энергиясымен қамтамасыз ете алады.
