Ved at studere stoffets sammensætning kom videnskabsmænd til den konklusion, at alt stof består af molekyler og atomer. I lang tid blev atomet (oversat fra græsk som "udeleligt") betragtet som den mindste strukturelle enhed af stof. Yderligere undersøgelser har dog vist, at atomet har en kompleks struktur og til gengæld omfatter mindre partikler.
Hvad er et atom lavet af?
I 1911 foreslog videnskabsmanden Rutherford, at atomet har en central del, der har en positiv ladning. Sådan opstod konceptet om atomkernen først.
Ifølge Rutherfords skema, kaldet planetmodellen, består et atom af en kerne og elementarpartikler med en negativ ladning - elektroner, der bevæger sig rundt om kernen, ligesom planeterne kredser om Solen.
I 1932 opdagede en anden videnskabsmand, Chadwick, neutronen, en partikel, der ikke har nogen elektrisk ladning.
Ifølge moderne begreber svarer strukturen af atomkernen til den planetariske model foreslået af Rutherford. Kernen er båret inddet meste af atommassen. Den har også en positiv ladning. Atomkernen indeholder protoner – positivt ladede partikler og neutroner – partikler der ikke bærer en ladning. Protoner og neutroner kaldes nukleoner. Negativt ladede partikler - elektroner - kredser om kernen.
Antallet af protoner i kernen er lig med antallet af elektroner, der bevæger sig i kredsløb. Derfor er atomet i sig selv en partikel, der ikke bærer en ladning. Hvis et atom fanger andres elektroner eller mister sine egne, så bliver det positivt eller negativt og kaldes en ion.
Elektroner, protoner og neutroner omtales tilsammen som subatomære partikler.
Atomkernens ladning
Kernen har et ladningsnummer Z. Det bestemmes af antallet af protoner, der udgør atomkernen. Det er nemt at finde ud af dette beløb: referer bare til Mendeleevs periodiske system. Atomnummeret på det grundstof, som et atom tilhører, er lig med antallet af protoner i kernen. Hvis det kemiske grundstof oxygen svarer til serienummeret 8, vil antallet af protoner således også være lig med otte. Da antallet af protoner og elektroner i et atom er det samme, vil der også være otte elektroner.
Antallet af neutroner kaldes det isotopiske tal og er angivet med bogstavet N. Deres antal kan variere i et atom af det samme kemiske grundstof.
Summen af protoner og elektroner i kernen kaldes massetallet for et atom og betegnes med bogstavet A. Formlen til beregning af massetallet ser således ud: A=Z+N.
isotoper
I det tilfælde, hvor grundstoffer har lige mange protoner og elektroner, men et andet antal neutroner, kaldes de isotoper af et kemisk grundstof. Der kan være en eller flere isotoper. De er placeret i samme celle i det periodiske system.
Isotoper er af stor betydning i kemi og fysik. For eksempel giver en isotop af brint - deuterium - i kombination med ilt et helt nyt stof, som kaldes tungt vand. Den har et andet koge- og frysepunkt end norm alt. Og kombinationen af deuterium med en anden isotop af brint - tritium fører til en termonuklear fusionsreaktion og kan bruges til at generere en enorm mængde energi.
Kernens masse og subatomare partikler
Størrelser og masser af atomer og subatomære partikler er ubetydelige i menneskelige koncepter. Størrelsen på kernerne er cirka 10-12cm. Massen af en atomkerne måles i fysik i de såkaldte atommasseenheder - amu
For én amu tage en tolvtedel af massen af et kulstofatom. Ved at bruge de sædvanlige måleenheder (kilogram og gram) kan massen udtrykkes som følger: 1 kl.=1, 660540 10-24g. Udtrykt på denne måde kaldes det den absolutte atommasse.
På trods af det faktum, at atomkernen er den mest massive bestanddel af atomet, er dens dimensioner i forhold til elektronskyen, der omgiver det, ekstremt små.
Nuklear Forces
Atomkerner er ekstremt stabile. Det betyder, at protoner og neutroner holdes i kernen af nogle kræfter. Er ikkeder kan være elektromagnetiske kræfter, da protoner er ens ladede partikler, og man ved, at partikler med samme ladning frastøder hinanden. Gravitationskræfterne er for svage til at holde nukleonerne sammen. Derfor fastholdes partikler i kernen af en anden vekselvirkning - kernekræfter.
Nuklear interaktion anses for at være den stærkeste af alle eksisterende i naturen. Derfor kaldes denne type interaktion mellem atomkernens grundstoffer stærk. Det er til stede i mange elementarpartikler, såvel som elektromagnetiske kræfter.
Kernekraftstræk
- Kort handling. Nukleare kræfter, i modsætning til elektromagnetiske kræfter, manifesterer sig kun på meget små afstande, der kan sammenlignes med kernens størrelse.
- Opladningsuafhængighed. Denne egenskab kommer til udtryk i det faktum, at kernekræfter virker ligeligt på protoner og neutroner.
- Mætning. Nukleonerne i kernen interagerer kun med et vist antal andre nukleoner.
Kernebindingsenergi
En anden ting er tæt forbundet med begrebet stærk interaktion - kernernes bindende energi. Nuklear bindingsenergi er den mængde energi, der kræves for at opdele en atomkerne i dens konstituerende nukleoner. Det er lig med den energi, der kræves for at danne en kerne ud fra individuelle partikler.
For at beregne bindingsenergien for en kerne er det nødvendigt at kende massen af subatomære partikler. Beregninger viser, at massen af en kerne altid er mindre end summen af dens konstituerende nukleoner. Massefejlen er forskellen mellemmassen af kernen og summen af dens protoner og elektroner. Ved at bruge Einstein-formlen om forholdet mellem masse og energi (E=mc2), kan du beregne den energi, der genereres under dannelsen af kernen.
Styrken af kernens bindingsenergi kan bedømmes ud fra følgende eksempel: dannelsen af flere gram helium producerer lige så meget energi som forbrændingen af flere tons kul.
Atomreaktioner
Atomkerner kan interagere med andre atomers kerner. Sådanne interaktioner kaldes nukleare reaktioner. Der er to typer reaktioner.
- Fission-reaktioner. De opstår, når tungere kerner nedbrydes til lettere kerner som følge af interaktionen.
- Reaktioner af syntese. Processen er det omvendte af fission: kernerne kolliderer og danner derved tungere grundstoffer.
Alle nukleare reaktioner er ledsaget af frigivelse af energi, som efterfølgende bruges i industrien, i militæret, i energi og så videre.
Ved at blive bekendt med sammensætningen af atomkernen kan vi drage følgende konklusioner.
- Atom består af en kerne, der indeholder protoner og neutroner og elektroner omkring den.
- Massetallet for et atom er lig med summen af nukleonerne i dets kerne.
- Nukloner holdes sammen af den stærke kraft.
- De enorme kræfter, der holder atomkernen stabil, kaldes de nukleare bindingsenergier.
