Заттың құрамын зерттей отырып, ғалымдар барлық зат молекулалар мен атомдардан тұрады деген қорытындыға келді. Ұзақ уақыт бойы атом (грек тілінен аударғанда «бөлінбейтін») материяның ең кіші құрылымдық бірлігі болып саналды. Дегенмен, кейінгі зерттеулер атомның күрделі құрылымды және өз кезегінде кішірек бөлшектерді қамтитынын көрсетті.
Атом неден тұрады?
1911 жылы ғалым Резерфорд атомның оң заряды бар орталық бөлігі бар деген болжам жасады. Атом ядросы ұғымы алғаш рет осылай пайда болды.
Планетарлық модель деп аталатын Резерфорд схемасы бойынша атом ядродан және теріс заряды бар элементар бөлшектерден тұрады - электрондар ядроны айнала қозғалады, планеталар Күнді айналады.
1932 жылы тағы бір ғалым Чадвик нейтронды, электр заряды жоқ бөлшекті ашты.
Қазіргі концепциялар бойынша атом ядросының құрылымы Резерфорд ұсынған планетарлық модельге сәйкес келеді. Ядро ішке тасымалданадыатомдық массаның көп бөлігі. Оның да оң заряды бар. Атом ядросында протондар – оң зарядталған бөлшектер және нейтрондар – зарядты көтермейтін бөлшектер бар. Протондар мен нейтрондар нуклондар деп аталады. Теріс зарядталған бөлшектер – электрондар – ядроның айналасында айналады.
Ядродағы протондар саны орбитада қозғалатын электрондар санына тең. Демек, атомның өзі зарядты көтермейтін бөлшек. Егер атом басқа адамдардың электрондарын басып алса немесе өзінің электронын жоғалтса, онда ол оң немесе теріс болады және ион деп аталады.
Электрондар, протондар және нейтрондар бірге субатомдық бөлшектер деп аталады.
Атом ядросының заряды
Ядроның заряд нөмірі Z. Ол атом ядросын құрайтын протондар санымен анықталады. Бұл соманы табу оңай: Менделеевтің периодтық жүйесіне сілтеме жасау жеткілікті. Атом жататын элементтің атомдық нөмірі ядродағы протондар санына тең. Сонымен, егер оттегі химиялық элементі 8 реттік нөмірге сәйкес келсе, онда протондар саны да сегізге тең болады. Атомдағы протондар мен электрондардың саны бірдей болғандықтан, сегіз электрон да болады.
Нейтрондар саны изотоптық сан деп аталады және N әрпімен белгіленеді. Олардың саны бір химиялық элемент атомында әртүрлі болуы мүмкін.
Ядродағы протондар мен электрондардың қосындысы атомның массалық саны деп аталады және А әрпімен белгіленеді. Осылайша, массалық санды есептеу формуласы келесідей болады: A=Z+N.
Изотоптар
Элементтерде протондар мен электрондардың саны бірдей, бірақ нейтрондар саны әртүрлі болса, олар химиялық элементтің изотоптары деп аталады. Бір немесе бірнеше изотоптар болуы мүмкін. Олар периодтық жүйенің бір ұяшығына орналастырылған.
Изотоптар химия мен физикада үлкен маңызға ие. Мысалы, сутектің изотопы – дейтерий – оттегімен қосылып мүлде жаңа зат береді, оны ауыр су деп атайды. Оның қайнау және қату температурасы әдеттегіден басқа. Ал дейтерийдің сутегінің басқа изотопымен - тритиймен қосылуы термоядролық синтез реакциясына әкеледі және оны энергияның орасан зор мөлшерін өндіруге пайдалануға болады.
Ядроның және субатомдық бөлшектердің массасы
Атомдар мен субатомдық бөлшектердің өлшемдері мен массалары адам ұғымында шамалы. Ядролардың өлшемі шамамен 10-12см. Атом ядросының массасы физикада атомдық массалар деп аталатын бірліктермен өлшенеді - amu
Бір аму үшін көміртек атомының массасының он екіден бірін алыңыз. Әдеттегі өлшем бірліктерін (килограмм және грамм) пайдалана отырып, массаны келесі түрде көрсетуге болады: 1 сағ.=1, 660540 10-24g. Осылай өрнектелсе, ол абсолютті атомдық масса деп аталады.
Атом ядросы атомның ең массивті құрамдас бөлігі болғанымен, оны қоршаған электронды бұлтқа қатысты оның өлшемдері өте кішкентай.
Ядролық күштер
Атомдық ядролар өте тұрақты. Бұл протондар мен нейтрондар ядрода кейбір күштердің әсерінен ұсталатынын білдіреді. Емесэлектромагниттік күштер болуы мүмкін, өйткені протондар ұқсас зарядталған бөлшектер, ал зарядтары бірдей бөлшектер бір-бірін тебетіні белгілі. Гравитациялық күштер нуклондарды біріктіру үшін тым әлсіз. Демек, бөлшектер ядрода басқа әрекеттесу – ядролық күштер арқылы ұсталады.
Ядролық өзара әрекеттесу табиғатта барлардың ішіндегі ең күштісі болып саналады. Сондықтан атом ядросының элементтерінің өзара әрекеттесуінің бұл түрі күшті деп аталады. Ол көптеген элементар бөлшектерде, сондай-ақ электромагниттік күштерде болады.
Ядролық күштердің ерекшеліктері
- Қысқа әрекет. Ядролық күштер, электромагниттік күштерден айырмашылығы, ядро өлшемімен салыстырылатын өте аз қашықтықта ғана көрінеді.
- Зарядтау тәуелсіздігі. Бұл қасиет ядролық күштердің протондар мен нейтрондарға бірдей әсер етуінде көрінеді.
- Қанықтылық. Ядроның нуклондары басқа нуклондардың белгілі бір санымен ғана әрекеттеседі.
Негізгі байланыстыру энергиясы
Күшті әсерлесу ұғымымен тағы бір нәрсе тығыз байланысты – ядролардың байланыс энергиясы. Ядролық байланыс энергиясы - атом ядросын оның құрамдас нуклондарына бөлу үшін қажет энергия мөлшері. Ол жеке бөлшектерден ядро құруға қажет энергияға тең.
Ядроның байланыс энергиясын есептеу үшін субатомдық бөлшектердің массасын білу керек. Есептеулер көрсеткендей, ядроның массасы әрқашан оны құрайтын нуклондардың қосындысынан аз болады. Жаппай ақаулар арасындағы айырмашылықядроның массасы және оның протондары мен электрондарының қосындысы. Масса мен энергия арасындағы байланыс туралы Эйнштейн формуласын (E=mc2) пайдаланып, ядроның пайда болуы кезінде пайда болатын энергияны есептей аласыз.
Ядроның байланыс энергиясының күшін келесі мысал арқылы бағалауға болады: бірнеше грамм гелийдің пайда болуы бірнеше тонна көмірді жағу кезіндегідей энергия береді.
Ядролық реакциялар
Атомдардың ядролары басқа атомдардың ядроларымен әрекеттесе алады. Мұндай әрекеттесулер ядролық реакциялар деп аталады. Реакциялардың екі түрі бар.
- Бөліну реакциялары. Олар өзара әрекеттесу нәтижесінде ауыр ядролар жеңіліректерге ыдырағанда пайда болады.
- Синтез реакциялары. Бұл процесс ыдыраудың кері жолы: ядролар соқтығысады, осылайша ауыр элементтер пайда болады.
Барлық ядролық реакциялар кейіннен өнеркәсіпте, әскери салада, энергетикада және т.б. қолданылатын энергияның бөлінуімен бірге жүреді.
Атом ядросының құрамымен таныса отырып, мынадай қорытынды жасауға болады.
- Атом протондар мен нейтрондардан және оның айналасында электрондардан тұратын ядродан тұрады.
- Атомның массалық саны оның ядросының нуклондарының қосындысына тең.
- Нуклондарды күшті күш біріктіреді.
- Атом ядросының тұрақтылығын қамтамасыз ететін орасан зор күштер ядролық байланыс энергиялары деп аталады.
