Estudiant la composició de la matèria, els científics van arribar a la conclusió que tota la matèria està formada per molècules i àtoms. Durant molt de temps, l'àtom (traduït del grec com "indivisible") va ser considerat la unitat estructural més petita de la matèria. Tanmateix, estudis posteriors han demostrat que l'àtom té una estructura complexa i, al seu torn, inclou partícules més petites.
De què està fet un àtom?
L'any 1911, el científic Rutherford va suggerir que l'àtom té una part central que té una càrrega positiva. Així va aparèixer per primera vegada el concepte de nucli atòmic.
Segons l'esquema de Rutherford, anomenat model planetari, un àtom està format per un nucli i partícules elementals amb càrrega negativa: electrons que es mouen al voltant del nucli, tal com els planetes orbiten al voltant del Sol.
El 1932, un altre científic, Chadwick, va descobrir el neutró, una partícula que no té càrrega elèctrica.
Segons conceptes moderns, l'estructura del nucli atòmic correspon al model planetari proposat per Rutherford. El nucli es porta dinsla major part de la massa atòmica. També té una càrrega positiva. El nucli atòmic conté protons, partícules carregades positivament i neutrons, partícules que no porten càrrega. Els protons i els neutrons s'anomenen nucleons. Partícules carregades negativament (electrons) orbiten al voltant del nucli.
El nombre de protons al nucli és igual al nombre d'electrons que es mouen en òrbita. Per tant, el propi àtom és una partícula que no porta càrrega. Si un àtom captura els electrons d' altres persones o perd els seus propis, llavors esdevé positiu o negatiu i s'anomena ió.
Electrons, protons i neutrons s'anomenen col·lectivament partícules subatòmiques.
La càrrega del nucli atòmic
El nucli té un nombre de càrrega Z. Està determinat pel nombre de protons que formen el nucli atòmic. Esbrinar aquesta quantitat és senzill: només cal fer referència al sistema periòdic de Mendeleiev. El nombre atòmic de l'element al qual pertany un àtom és igual al nombre de protons del nucli. Així, si l'element químic oxigen correspon al número de sèrie 8, llavors el nombre de protons també serà igual a vuit. Com que el nombre de protons i electrons en un àtom és el mateix, també hi haurà vuit electrons.
El nombre de neutrons s'anomena nombre isotòpic i es denota amb la lletra N. El seu nombre pot variar en un àtom del mateix element químic.
La suma de protons i electrons del nucli s'anomena nombre de massa d'un àtom i s'indica amb la lletra A. Per tant, la fórmula per calcular el nombre de massa és així: A=Z+N.
Isòtops
En el cas que els elements tenen el mateix nombre de protons i electrons, però un nombre diferent de neutrons, s'anomenen isòtops d'un element químic. Hi pot haver un o més isòtops. Es col·loquen a la mateixa cel·la del sistema periòdic.
Els isòtops són de gran importància en química i física. Per exemple, un isòtop de l'hidrogen, el deuteri, en combinació amb l'oxigen, dóna una substància completament nova, que s'anomena aigua pesada. Té un punt d'ebullició i congelació diferent de l'habitual. I la combinació de deuteri amb un altre isòtop d'hidrogen-triti condueix a una reacció de fusió termonuclear i es pot utilitzar per generar una gran quantitat d'energia.
Massa del nucli i partícules subatòmiques
Les mides i masses dels àtoms i partícules subatòmiques són insignificants en els conceptes humans. La mida dels nuclis és d'aproximadament 10-12cm. La massa d'un nucli atòmic es mesura en física en les anomenades unitats de massa atòmica - amu
Per un amu prendre una dotzena part de la massa d'un àtom de carboni. Utilitzant les unitats de mesura habituals (quilograms i grams), la massa es pot expressar de la següent manera: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Expressat d'aquesta manera, s'anomena massa atòmica absoluta.
Malgrat que el nucli atòmic és el component més massiu de l'àtom, les seves dimensions relatives al núvol d'electrons que l'envolten són extremadament petites.
Forces nuclears
Els nuclis atòmics són extremadament estables. Això vol dir que els protons i els neutrons es mantenen al nucli per algunes forces. No éspot haver-hi forces electromagnètiques, ja que els protons són partícules de càrrega semblant, i se sap que les partícules amb la mateixa càrrega es repel·len mútuament. Les forces gravitatòries són massa febles per mantenir units els nucleons. Per tant, les partícules es mantenen al nucli mitjançant una interacció diferent: forces nuclears.
La interacció nuclear es considera la més forta de totes les existents a la natura. Per tant, aquest tipus d'interacció entre els elements del nucli atòmic s'anomena forta. Està present en moltes partícules elementals, així com en forces electromagnètiques.
Característiques de les forces nuclears
- Acció curta. Les forces nuclears, a diferència de les forces electromagnètiques, només es manifesten a distàncies molt petites comparables a la mida del nucli.
- Càrrega la independència. Aquesta característica es manifesta en el fet que les forces nuclears actuen per igual sobre protons i neutrons.
- Saturació. Els nucleons del nucli interaccionen només amb un nombre determinat d' altres nucleons.
Energia de vinculació bàsica
Una altra cosa està estretament relacionada amb el concepte d'interacció forta: l'energia d'unió dels nuclis. L'energia d'unió nuclear és la quantitat d'energia necessària per dividir un nucli atòmic en els seus nucleons constitutius. És igual a l'energia necessària per formar un nucli a partir de partícules individuals.
Per calcular l'energia d'unió d'un nucli, cal conèixer la massa de les partícules subatòmiques. Els càlculs mostren que la massa d'un nucli és sempre menor que la suma dels seus nucleons constitutius. El defecte de massa és la diferència entrela massa del nucli i la suma dels seus protons i electrons. Utilitzant la fórmula d'Einstein sobre la relació entre massa i energia (E=mc2), podeu calcular l'energia generada durant la formació del nucli.
La força de l'energia d'unió del nucli es pot jutjar per l'exemple següent: la formació de diversos grams d'heli produeix tanta energia com la combustió de diverses tones de carbó.
Reaccions nuclears
Els nuclis dels àtoms poden interactuar amb els nuclis d' altres àtoms. Aquestes interaccions s'anomenen reaccions nuclears. Hi ha dos tipus de reaccions.
- Reaccions de fissió. Es produeixen quan els nuclis més pesats es descomponen en més lleugers com a resultat de la interacció.
- Reaccions de síntesi. El procés és el contrari de la fissió: els nuclis xoquen, formant així elements més pesats.
Totes les reaccions nuclears van acompanyades de l'alliberament d'energia, que s'utilitza posteriorment a la indústria, a l'exèrcit, a l'energia, etc.
Familiaritzant-nos amb la composició del nucli atòmic, podem extreure les conclusions següents.
- L'àtom consta d'un nucli que conté protons i neutrons i electrons al seu voltant.
- El nombre de massa d'un àtom és igual a la suma dels nucleons del seu nucli.
- Els nuclons es mantenen units per la força forta.
- Les enormes forces que mantenen estable el nucli atòmic s'anomenen energies d'unió nuclear.
