בחקרו את הרכב החומר, מדענים הגיעו למסקנה שכל החומר מורכב ממולקולות ואטומים. במשך זמן רב, האטום (בתרגום מיוונית כ"ניתן לחלוקה") נחשב ליחידה המבנית הקטנה ביותר של החומר. עם זאת, מחקרים נוספים הראו שלאטום יש מבנה מורכב והוא, בתורו, כולל חלקיקים קטנים יותר.
ממה עשוי אטום?
בשנת 1911, המדען רתרפורד הציע שלאטום יש חלק מרכזי בעל מטען חיובי. כך הופיע לראשונה הרעיון של גרעין האטום.
לפי התוכנית של רתרפורד, הנקראת המודל הפלנטרי, אטום מורכב מגרעין וחלקיקים יסודיים בעלי מטען שלילי - אלקטרונים נעים סביב הגרעין, בדיוק בזמן שכוכבי הלכת מקיפים את השמש.
בשנת 1932, מדען אחר, צ'אדוויק, גילה את הנייטרון, חלקיק שאין לו מטען חשמלי.
לפי מושגים מודרניים, המבנה של גרעין האטום מתאים למודל הפלנטרי שהציע רתרפורד. הגרעין נישא פנימהרוב המסה האטומית. יש לו גם מטען חיובי. גרעין האטום מכיל פרוטונים – חלקיקים בעלי מטען חיובי וניטרונים – חלקיקים שאינם נושאים מטען. פרוטונים וניוטרונים נקראים נוקלונים. חלקיקים בעלי מטען שלילי - אלקטרונים - מסתובבים סביב הגרעין.
מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האלקטרונים הנעים במסלול. לכן, האטום עצמו הוא חלקיק שאינו נושא מטען. אם אטום לוכד אלקטרונים של אנשים אחרים או מאבד את האלקטרונים שלו, אז הוא הופך לחיובי או שלילי ונקרא יון.
אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים מכונים ביחד חלקיקים תת-אטומיים.
המטען של גרעין האטום
לגרעין יש מספר מטען Z. הוא נקבע לפי מספר הפרוטונים המרכיבים את גרעין האטום. לגלות את הסכום הזה הוא פשוט: רק עיין במערכת המחזורית של מנדלייב. המספר האטומי של היסוד שאליו משתייך האטום שווה למספר הפרוטונים בגרעין. לפיכך, אם היסוד הכימי חמצן מתאים למספר הסידורי 8, אז גם מספר הפרוטונים יהיה שווה לשמונה. מכיוון שמספר הפרוטונים והאלקטרונים באטום זהה, יהיו גם שמונה אלקטרונים.
מספר הנייטרונים נקרא המספר האיזוטופי והוא מסומן באות N. מספרם עשוי להשתנות באטום של אותו יסוד כימי.
סכום הפרוטונים והאלקטרונים בגרעין נקרא מספר המסה של אטום והוא מסומן באות A. לפיכך, הנוסחה לחישוב מספר המסה נראית כך: A=Z+N.
איזוטופים
במקרה שליסודות יש מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים, אך מספר שונה של נויטרונים, הם נקראים איזוטופים של יסוד כימי. יכול להיות איזוטופים אחד או יותר. הם ממוקמים באותו תא של המערכת המחזורית.
איזוטופים הם בעלי חשיבות רבה בכימיה ובפיזיקה. לדוגמה, איזוטופ של מימן - דאוטריום - בשילוב עם חמצן נותן חומר חדש לחלוטין, הנקרא מים כבדים. יש לו נקודת רתיחה וקיפאון שונה מהרגיל. והשילוב של דאוטריום עם איזוטופ אחר של מימן - טריטיום מוביל לתגובת היתוך תרמו-גרעיני ויכול לשמש לייצור כמות עצומה של אנרגיה.
מסה של הגרעין והחלקיקים התת-אטומיים
הגדלים והמסה של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים זניחים במושגים אנושיים. גודל הגרעינים הוא בערך 10-12cm. המסה של גרעין אטום נמדדת בפיזיקה במה שנקרא יחידות המסה האטומית - amu
עבור אמו אחד קח שתים עשרה מהמסה של אטום פחמן. באמצעות יחידות המידה הרגילות (קילוגרמים וגרם), ניתן לבטא את המסה באופן הבא: 1 בלילה.=1, 660540 10-24g. בביטוי כך, היא נקראת המסה האטומית המוחלטת.
למרות העובדה שגרעין האטום הוא המרכיב המסיבי ביותר של האטום, ממדיו ביחס לענן האלקטרונים המקיף אותו קטנים ביותר.
כוחות גרעיניים
גרעיני האטום יציבים ביותר. משמעות הדבר היא כי פרוטונים וניוטרונים מוחזקים בגרעין על ידי כוחות מסוימים. לאיתכנו כוחות אלקטרומגנטיים, שכן פרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען דומה, וידוע שחלקיקים בעלי מטען זהה דוחים זה את זה. כוחות הכבידה חלשים מכדי להחזיק את הגרעינים יחד. לכן, חלקיקים מוחזקים בגרעין על ידי אינטראקציה אחרת - כוחות גרעיניים.
אינטראקציה גרעינית נחשבת לחזקה מכל הקיימות בטבע. לכן, סוג זה של אינטראקציה בין היסודות של גרעין האטום נקרא חזק. הוא קיים בחלקיקי יסוד רבים, כמו גם בכוחות אלקטרומגנטיים.
תכונות של כוחות גרעיניים
- פעולה קצרה. כוחות גרעיניים, בניגוד לכוחות אלקטרומגנטיים, מתבטאים רק במרחקים קטנים מאוד השווים לגודל הגרעין.
- עצמאות תשלום. תכונה זו באה לידי ביטוי בעובדה שכוחות גרעיניים פועלים באופן שווה על פרוטונים וניוטרונים.
- רוויה. הגרעינים של הגרעין מקיימים אינטראקציה רק עם מספר מסוים של נוקלונים אחרים.
Core Binding Energy
דבר נוסף קשור קשר הדוק למושג אינטראקציה חזקה - האנרגיה המחייבת של גרעינים. אנרגיית קישור גרעינית היא כמות האנרגיה הנדרשת לפיצול גרעין אטום לגרעין המרכיבים אותו. זה שווה לאנרגיה הדרושה ליצירת גרעין מחלקיקים בודדים.
כדי לחשב את אנרגיית הקישור של גרעין, יש צורך לדעת את המסה של חלקיקים תת-אטומיים. חישובים מראים שמסה של גרעין תמיד קטנה מסכום הגרעינים המרכיבים אותו. הפגם ההמוני הוא ההבדל ביןהמסה של הגרעין וסכום הפרוטונים והאלקטרונים שלו. באמצעות נוסחת איינשטיין לגבי הקשר בין מסה לאנרגיה (E=mc2), ניתן לחשב את האנרגיה שנוצרת במהלך היווצרות הגרעין.
ניתן לשפוט את עוצמת אנרגיית הקישור של הגרעין לפי הדוגמה הבאה: היווצרות של כמה גרמים של הליום מייצרת אנרגיה כמו בעירה של כמה טונות של פחם.
תגובות גרעיניות
גרעינים של אטומים יכולים לקיים אינטראקציה עם גרעינים של אטומים אחרים. אינטראקציות כאלה נקראות תגובות גרעיניות. ישנם שני סוגים של תגובות.
- תגובות ביקוע. הם מתרחשים כאשר גרעינים כבדים יותר מתפרקים לקלים יותר כתוצאה מהאינטראקציה.
- תגובות של סינתזה. התהליך הוא הפוך מהביקוע: הגרעינים מתנגשים, ובכך יוצרים יסודות כבדים יותר.
כל התגובות הגרעיניות מלוות בשחרור אנרגיה, המשמשת לאחר מכן בתעשייה, בצבא, באנרגיה וכן הלאה.
בהיכרות עם הרכב גרעין האטום, נוכל להסיק את המסקנות הבאות.
- אטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים וניטרונים, ומסביבו אלקטרונים.
- מספר המסה של אטום שווה לסכום הגרעינים של הגרעין שלו.
- נוקלונים מוחזקים יחד על ידי הכוח החזק.
- הכוחות העצומים השומרים על יציבות גרעין האטום נקראים אנרגיות הקישור הגרעיני.
