Az anyag összetételének tanulmányozása során a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy minden anyag molekulákból és atomokból áll. Hosszú ideig az atomot (a görögből "oszthatatlan"-nak fordítják) az anyag legkisebb szerkezeti egységének tekintették. További vizsgálatok azonban kimutatták, hogy az atom összetett szerkezetű, és kisebb részecskéket is tartalmaz.
Miből áll az atom?
1911-ben Rutherford tudós azt javasolta, hogy az atomnak van egy központi része, amely pozitív töltéssel rendelkezik. Így jelent meg először az atommag fogalma.
Rutherford bolygómodellnek nevezett séma szerint az atom magból és negatív töltésű elemi részecskékből áll – az atommag körül mozgó elektronokból, ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül.
1932-ben egy másik tudós, Chadwick felfedezte a neutront, egy olyan részecskét, amelynek nincs elektromos töltése.
A modern elképzelések szerint az atommag szerkezete megfelel a Rutherford által javasolt bolygómodellnek. A mag be van hordvaaz atomtömeg nagy része. Pozitív töltése is van. Az atommag protonokat tartalmaz - pozitív töltésű részecskéket és neutronokat - olyan részecskéket, amelyek nem hordoznak töltést. A protonokat és a neutronokat nukleonoknak nevezzük. Negatív töltésű részecskék – elektronok – keringenek az atommag körül.
Az atommagban lévő protonok száma megegyezik a pályán mozgó elektronok számával. Ezért maga az atom egy részecske, amely nem hordoz töltést. Ha egy atom befogja mások elektronjait, vagy elveszti a sajátját, akkor pozitív vagy negatív lesz, és ionnak nevezik.
Az elektronokat, protonokat és neutronokat együttesen szubatomi részecskéknek nevezzük.
Az atommag töltése
Az atommag töltésszáma Z. Ezt az atommagot alkotó protonok száma határozza meg. Ennek az összegnek a megállapítása egyszerű: csak nézze meg Mengyelejev periodikus rendszerét. Annak az elemnek a rendszáma, amelyhez az atom tartozik, megegyezik az atommagban lévő protonok számával. Így, ha az oxigén kémiai elem a 8-as sorozatszámnak felel meg, akkor a protonok száma is nyolc lesz. Mivel egy atomban a protonok és elektronok száma azonos, nyolc elektron is lesz.
A neutronok számát izotópszámnak nevezzük, és N betűvel jelöljük. Számuk ugyanazon kémiai elem atomjaiban változhat.
Az atommagban lévő protonok és elektronok összegét az atom tömegszámának nevezzük, és A betűvel jelöljük. Így a tömegszám kiszámításának képlete a következőképpen néz ki: A=Z+N.
Izotópok
Abban az esetben, ha az elemeknek azonos számú protonja és elektronja van, de eltérő számú neutronjuk van, akkor ezeket a kémiai elemek izotópjainak nevezzük. Egy vagy több izotóp lehet. A periódusos rendszer ugyanabban a cellájában helyezkednek el.
Az izotópok nagy jelentőséggel bírnak a kémiában és a fizikában. Például a hidrogén izotópja - a deutérium - oxigénnel kombinálva teljesen új anyagot ad, amelyet nehézvíznek neveznek. A szokásostól eltérő forrás- és fagyáspontja van. A deutérium és a hidrogén egy másik izotópja - trícium - kombinációja pedig termonukleáris fúziós reakcióhoz vezet, és hatalmas mennyiségű energia előállítására használható.
A mag és a szubatomi részecskék tömege
Az atomok és a szubatomi részecskék mérete és tömege elhanyagolható az emberi elképzelésekben. A kernelek mérete körülbelül 10-12cm. Az atommag tömegét a fizikában az úgynevezett atomtömeg-egységekben mérik - amu
Egy amuért vegyük a szénatom tömegének egy tizenketted részét. A szokásos mértékegységekkel (kilogramm és gramm) a tömeg a következőképpen fejezhető ki: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Ily módon kifejezve abszolút atomtömegnek nevezzük.
Annak ellenére, hogy az atommag az atom legnagyobb tömegű alkotóeleme, méretei az őt körülvevő elektronfelhőhöz képest rendkívül kicsik.
Nuclear Forces
Az atommagok rendkívül stabilak. Ez azt jelenti, hogy a protonokat és a neutronokat bizonyos erők tartják az atommagban. Nemelektromágneses erők léphetnek fel, mivel a protonok hasonló töltésű részecskék, és ismert, hogy az azonos töltésű részecskék taszítják egymást. A gravitációs erők túl gyengék ahhoz, hogy összetartsák a nukleonokat. Ezért a részecskéket egy másik kölcsönhatás – a nukleáris erők – tartják az atommagban.
A nukleáris kölcsönhatás a természetben létező összes közül a legerősebb. Ezért az atommag elemei közötti ilyen típusú kölcsönhatást erősnek nevezik. Számos elemi részecskében, valamint elektromágneses erőben jelen van.
A nukleáris erők jellemzői
- Rövid cselekvés. Az atomerők az elektromágneses erőkkel ellentétben csak nagyon kis távolságokon mutatkoznak meg, amelyek összemérhetőek az atommag méretével.
- Töltésfüggetlenség. Ez a tulajdonság abban nyilvánul meg, hogy a nukleáris erők egyformán hatnak a protonokra és a neutronokra.
- telítettség. Az atommag nukleonjai csak bizonyos számú más nukleonnal lépnek kölcsönhatásba.
Magi kötési energia
Egy másik dolog is szorosan összefügg az erős kölcsönhatás fogalmával – az atommagok kötési energiájával. A nukleáris kötési energia az az energiamennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy egy atommagot alkotó nukleonokra bontsanak. Ez egyenlő az egyes részecskékből atommag kialakításához szükséges energiával.
Egy atommag kötési energiájának kiszámításához ismerni kell a szubatomi részecskék tömegét. A számítások azt mutatják, hogy az atommag tömege mindig kisebb, mint az azt alkotó nukleonok összege. A tömeghiba a különbségaz atommag tömege és protonjainak és elektronjainak összege. A tömeg és az energia kapcsolatáról szóló Einstein-képlet segítségével (E=mc2) kiszámítható az atommag kialakulása során keletkező energia.
Az atommag kötési energiájának erősségét a következő példa alapján ítélhetjük meg: több gramm hélium keletkezése annyi energiát termel, mint több tonna szén elégetése.
Nukleáris reakciók
Az atommagok kölcsönhatásba léphetnek más atomok magjaival. Az ilyen kölcsönhatásokat nukleáris reakcióknak nevezzük. Kétféle reakció létezik.
- Hasadási reakciók. Akkor fordulnak elő, amikor a nehezebb magok könnyebbekké bomlanak a kölcsönhatás következtében.
- A szintézis reakciói. A folyamat a hasadás fordítottja: az atommagok ütköznek, és ezáltal nehezebb elemek képződnek.
Minden nukleáris reakció energia felszabadulásával jár, amelyet később az iparban, a hadseregben, az energetikában stb. használnak fel.
Az atommag összetételét megismerve a következő következtetéseket vonhatjuk le.
- Az atom egy protonokat és neutronokat tartalmazó magból, valamint a körülötte lévő elektronokból áll.
- Egy atom tömegszáma megegyezik az atommag nukleonjainak összegével.
- A nuklonokat az erős erő tartja össze.
- Az atommagot stabilan tartó hatalmas erőket atommegkötő energiáknak nevezzük.
