Studiando la composizione della materia, gli scienziati sono giunti alla conclusione che tutta la materia è composta da molecole e atomi. Per molto tempo l'atomo (tradotto dal greco come "indivisibile") è stato considerato la più piccola unità strutturale della materia. Tuttavia, ulteriori studi hanno dimostrato che l'atomo ha una struttura complessa e, a sua volta, include particelle più piccole.
Di cosa è fatto un atomo?
Nel 1911, lo scienziato Rutherford suggerì che l'atomo avesse una parte centrale che ha una carica positiva. È così che è apparso per la prima volta il concetto di nucleo atomico.
Secondo lo schema di Rutherford, chiamato modello planetario, un atomo è costituito da un nucleo e particelle elementari con una carica negativa - elettroni che si muovono attorno al nucleo, proprio come i pianeti orbitano attorno al Sole.
Nel 1932, un altro scienziato, Chadwick, scoprì il neutrone, una particella priva di carica elettrica.
Secondo i concetti moderni, la struttura del nucleo atomico corrisponde al modello planetario proposto da Rutherford. Il nucleo è portato dentrogran parte della massa atomica. Ha anche una carica positiva. Il nucleo atomico contiene protoni - particelle cariche positivamente e neutroni - particelle che non portano una carica. Protoni e neutroni sono chiamati nucleoni. Particelle a carica negativa - elettroni - orbitano attorno al nucleo.
Il numero di protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni che si muovono in orbita. Pertanto, l'atomo stesso è una particella che non porta una carica. Se un atomo cattura gli elettroni di altre persone o perde i propri, diventa positivo o negativo e viene chiamato ione.
Elettroni, protoni e neutroni sono indicati collettivamente come particelle subatomiche.
La carica del nucleo atomico
Il nucleo ha un numero di carica Z. È determinato dal numero di protoni che compongono il nucleo atomico. Scoprire questo importo è semplice: basta fare riferimento al sistema periodico di Mendeleev. Il numero atomico dell'elemento a cui appartiene un atomo è uguale al numero di protoni nel nucleo. Pertanto, se l'elemento chimico ossigeno corrisponde al numero di serie 8, anche il numero di protoni sarà uguale a otto. Poiché il numero di protoni ed elettroni in un atomo è lo stesso, ci saranno anche otto elettroni.
Il numero di neutroni è chiamato numero isotopico ed è indicato dalla lettera N. Il loro numero può variare in un atomo dello stesso elemento chimico.
La somma di protoni ed elettroni nel nucleo è chiamata numero di massa di un atomo ed è indicata dalla lettera A. Pertanto, la formula per calcolare il numero di massa è simile a questa: A=Z+N.
Isotopi
Nel caso in cui gli elementi abbiano un numero uguale di protoni ed elettroni, ma un numero diverso di neutroni, sono chiamati isotopi di un elemento chimico. Possono esserci uno o più isotopi. Sono posti nella stessa cella del sistema periodico.
Gli isotopi sono di grande importanza in chimica e fisica. Ad esempio, un isotopo dell'idrogeno - il deuterio - in combinazione con l'ossigeno fornisce una sostanza completamente nuova, chiamata acqua pesante. Ha un punto di ebollizione e di congelamento diverso dal solito. E la combinazione del deuterio con un altro isotopo dell'idrogeno - il trizio porta a una reazione di fusione termonucleare e può essere utilizzato per generare un'enorme quantità di energia.
Massa del nucleo e particelle subatomiche
Le dimensioni e le masse degli atomi e delle particelle subatomiche sono trascurabili nei concetti umani. La dimensione dei chicchi è di circa 10-12cm. La massa di un nucleo atomico si misura in fisica nelle cosiddette unità di massa atomica - amu
Per un amu prendi un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio. Utilizzando le usuali unità di misura (chilogrammi e grammi), la massa può essere espressa come segue: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Espressa in questo modo, è chiamata massa atomica assoluta.
Nonostante il nucleo atomico sia il componente più massiccio dell'atomo, le sue dimensioni rispetto alla nuvola di elettroni che lo circondano sono estremamente piccole.
Forze nucleari
I nuclei atomici sono estremamente stabili. Ciò significa che protoni e neutroni sono trattenuti nel nucleo da alcune forze. Non èci possono essere forze elettromagnetiche, poiché i protoni sono particelle con carica simile, ed è noto che le particelle con la stessa carica si respingono a vicenda. Le forze gravitazionali sono troppo deboli per tenere insieme i nucleoni. Pertanto, le particelle sono trattenute nel nucleo da una diversa interazione: le forze nucleari.
L'interazione nucleare è considerata la più forte di tutte esistenti in natura. Pertanto, questo tipo di interazione tra gli elementi del nucleo atomico è chiamato forte. È presente in molte particelle elementari, così come nelle forze elettromagnetiche.
Caratteristiche delle forze nucleari
- Breve azione. Le forze nucleari, a differenza delle forze elettromagnetiche, si manifestano solo a distanze molto piccole paragonabili alle dimensioni del nucleo.
- Indipendenza dalla carica. Questa caratteristica si manifesta nel fatto che le forze nucleari agiscono allo stesso modo sui protoni e sui neutroni.
- Saturazione. I nucleoni del nucleo interagiscono solo con un certo numero di altri nucleoni.
Energia di legame del nucleo
Un' altra cosa è strettamente connessa con il concetto di interazione forte: l'energia di legame dei nuclei. L'energia di legame nucleare è la quantità di energia necessaria per dividere un nucleo atomico nei suoi nucleoni costituenti. È uguale all'energia richiesta per formare un nucleo dalle singole particelle.
Per calcolare l'energia di legame di un nucleo, è necessario conoscere la massa delle particelle subatomiche. I calcoli mostrano che la massa di un nucleo è sempre inferiore alla somma dei suoi nucleoni costituenti. Il difetto di massa è la differenza trala massa del nucleo e la somma dei suoi protoni ed elettroni. Usando la formula di Einstein sulla relazione tra massa ed energia (E=mc2), puoi calcolare l'energia generata durante la formazione del nucleo.
La forza dell'energia di legame del nucleo può essere giudicata dal seguente esempio: la formazione di diversi grammi di elio produce tanta energia quanto la combustione di diverse tonnellate di carbone.
Reazioni nucleari
I nuclei degli atomi possono interagire con i nuclei di altri atomi. Tali interazioni sono chiamate reazioni nucleari. Ci sono due tipi di reazioni.
- Reazioni di fissione. Si verificano quando i nuclei più pesanti si scompongono in nuclei più leggeri come risultato dell'interazione.
- Reazioni di sintesi. Il processo è l'inverso della fissione: i nuclei si scontrano, formando così elementi più pesanti.
Tutte le reazioni nucleari sono accompagnate dal rilascio di energia, che viene successivamente utilizzata nell'industria, nell'esercito, nell'energia e così via.
Familiarizzare con la composizione del nucleo atomico, possiamo trarre le seguenti conclusioni.
- L'atomo è costituito da un nucleo contenente protoni e neutroni ed elettroni attorno ad esso.
- Il numero di massa di un atomo è uguale alla somma dei nucleoni del suo nucleo.
- I nucleoni sono tenuti insieme dalla forza forte.
- Le enormi forze che mantengono stabile il nucleo atomico sono chiamate energie di legame nucleare.
