Nghiên cứu cấu tạo của vật chất, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng mọi vật chất đều bao gồm các phân tử và nguyên tử. Trong một thời gian dài, nguyên tử (được dịch từ tiếng Hy Lạp là "không thể phân chia") được coi là đơn vị cấu trúc nhỏ nhất của vật chất. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu hơn đã chỉ ra rằng nguyên tử có cấu trúc phức tạp và đến lượt nó, bao gồm các hạt nhỏ hơn.
Nguyên tử được làm bằng gì?
Năm 1911, nhà khoa học Rutherford cho rằng nguyên tử có phần trung tâm mang điện tích dương. Đây là cách lần đầu tiên xuất hiện khái niệm về hạt nhân nguyên tử.
Theo sơ đồ của Rutherford, được gọi là mô hình hành tinh, một nguyên tử bao gồm một hạt nhân và các hạt cơ bản mang điện tích âm - các electron chuyển động xung quanh hạt nhân, giống như các hành tinh quay quanh Mặt trời.
Năm 1932, một nhà khoa học khác, Chadwick, đã phát hiện ra neutron, một hạt không mang điện.
Theo quan niệm hiện đại, cấu trúc của hạt nhân nguyên tử tương ứng với mô hình hành tinh do Rutherford đề xuất. Hạt nhân được mang trongphần lớn khối lượng nguyên tử. Nó cũng có một điện tích dương. Hạt nhân nguyên tử chứa proton - hạt mang điện dương và nơtron - những hạt không mang điện. Các proton và neutron được gọi là nucleon. Các hạt mang điện âm - electron - quay quanh hạt nhân.
Số proton trong hạt nhân bằng số electron chuyển động trên quỹ đạo. Do đó, bản thân nguyên tử là hạt không mang điện tích. Nếu một nguyên tử bắt giữ các điện tử của người khác hoặc mất đi các điện tử của chính mình, thì nguyên tử đó sẽ trở thành dương hoặc âm và được gọi là ion.
Electron, proton và neutron được gọi chung là các hạt hạ nguyên tử.
Điện tích của hạt nhân nguyên tử
Hạt nhân có số điện tích Z. Nó được xác định bằng số proton tạo nên hạt nhân nguyên tử. Tìm ra số tiền này rất đơn giản: chỉ cần tham khảo hệ thống tuần hoàn của Mendeleev. Số nguyên tử của nguyên tố mà nguyên tử thuộc về bằng số proton trong hạt nhân. Vì vậy, nếu nguyên tố hóa học oxy tương ứng với số thứ tự 8, thì số proton cũng sẽ bằng tám. Vì số proton và electron trong một nguyên tử là như nhau nên cũng sẽ có 8 electron.
Số nơtron được gọi là số đồng vị và được ký hiệu bằng chữ N. Số lượng của chúng có thể khác nhau trong nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học.
Tổng của proton và electron trong hạt nhân được gọi là số khối của nguyên tử và được ký hiệu bằng chữ A. Như vậy, công thức tính số khối có dạng như sau: A=Z + N.
Đồng vị
Trong trường hợp các nguyên tố có số proton và electron bằng nhau nhưng khác số nơtron thì chúng được gọi là đồng vị của nguyên tố hóa học. Có thể có một hoặc nhiều đồng vị. Chúng được đặt trong cùng một ô của hệ thống tuần hoàn.
Đồng vị có tầm quan trọng lớn trong hóa học và vật lý. Ví dụ, một đồng vị của hydro - đơteri - kết hợp với oxy tạo ra một chất hoàn toàn mới, được gọi là nước nặng. Nó có nhiệt độ sôi và điểm đóng băng khác với bình thường. Và sự kết hợp của đơteri với một đồng vị khác của hydro - triti dẫn đến phản ứng nhiệt hạch và có thể được sử dụng để tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ.
Khối lượng của hạt nhân và các hạt hạ nguyên tử
Kích thước và khối lượng của nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử là không đáng kể trong khái niệm của con người. Kích thước của các nhân khoảng 10-12cm. Khối lượng của một hạt nhân nguyên tử được đo trong vật lý bằng cái gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử - amu
For one amu lấy một phần mười hai khối lượng của một nguyên tử cacbon. Sử dụng các đơn vị đo lường thông thường (kilôgam và gam), khối lượng có thể được biểu thị như sau: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Được biểu thị theo cách này, nó được gọi là khối lượng nguyên tử tuyệt đối.
Mặc dù thực tế là hạt nhân nguyên tử là thành phần nặng nhất của nguyên tử, nhưng kích thước của nó so với đám mây electron xung quanh nó là cực kỳ nhỏ.
Lực lượng hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử cực kỳ bền vững. Điều này có nghĩa là các proton và neutron được giữ trong hạt nhân bởi một số lực. Không phảicó thể có lực điện từ, vì proton giống như các hạt mang điện, và người ta đã biết rằng các hạt có cùng điện tích đẩy nhau. Lực hấp dẫn quá yếu để giữ các nucleon lại với nhau. Do đó, các hạt được giữ trong hạt nhân bằng một tương tác khác - lực hạt nhân.
Tương tác hạt nhân được coi là mạnh nhất trong số tất cả các tương tác hiện có trong tự nhiên. Do đó, loại tương tác này giữa các phần tử của hạt nhân nguyên tử được gọi là mạnh. Nó có trong nhiều hạt cơ bản, cũng như các lực điện từ.
Đặc điểm của lực hạt nhân
- Hành động ngắn. Lực hạt nhân, không giống như lực điện từ, chỉ biểu hiện ở những khoảng cách rất nhỏ có thể so sánh với kích thước của hạt nhân.
- Tính độc lập. Đặc điểm này được thể hiện trong thực tế là các lực hạt nhân tác động như nhau lên proton và neutron.
- Bão hòa. Các nucleon của hạt nhân chỉ tương tác với một số lượng nhất định các nucleon khác.
Năng lượng liên kết cốt lõi
Một thứ khác có liên hệ chặt chẽ với khái niệm tương tác mạnh - năng lượng liên kết của các hạt nhân. Năng lượng liên kết hạt nhân là lượng năng lượng cần thiết để tách hạt nhân nguyên tử thành các nucleon cấu thành của nó. Nó bằng năng lượng cần thiết để hình thành một hạt nhân từ các hạt riêng lẻ.
Để tính năng lượng liên kết của hạt nhân, cần biết khối lượng của các hạt hạ nguyên tử. Các phép tính cho thấy rằng khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng các nucleon cấu thành của nó. Khối lượng khuyết tật là sự khác biệt giữakhối lượng của hạt nhân và tổng số proton và electron của nó. Sử dụng công thức Einstein về mối quan hệ giữa khối lượng và năng lượng (E=mc2), bạn có thể tính năng lượng được tạo ra trong quá trình hình thành hạt nhân.
Độ mạnh của năng lượng liên kết của hạt nhân có thể được đánh giá bằng ví dụ sau: sự hình thành của vài gam heli tạo ra năng lượng bằng với sự đốt cháy của vài tấn than.
Phản ứng hạt nhân
Hạt nhân của nguyên tử có thể tương tác với hạt nhân của nguyên tử khác. Những tương tác như vậy được gọi là phản ứng hạt nhân. Có hai loại phản ứng.
- Phản ứng phân hạch. Chúng xảy ra khi các hạt nhân nặng hơn phân hủy thành các hạt nhẹ hơn do tương tác.
- Các phản ứng tổng hợp. Quá trình này là đảo ngược của quá trình phân hạch: các hạt nhân va chạm, do đó tạo thành các nguyên tố nặng hơn.
Tất cả các phản ứng hạt nhân đều đi kèm với việc giải phóng năng lượng, sau đó được sử dụng trong công nghiệp, quân sự, năng lượng, v.v.
Làm quen với cấu tạo của hạt nhân nguyên tử, chúng ta có thể rút ra kết luận sau.
- Nguyên tử bao gồm một hạt nhân chứa proton và neutron, và các electron xung quanh nó.
- Số khối của một nguyên tử bằng tổng các nucleon của hạt nhân nó.
- Nuclons được giữ lại với nhau bằng một lực mạnh.
- Lực khổng lồ giữ cho hạt nhân nguyên tử ổn định được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân.
