אמצע המאה שעברה סימן את הולדתו של עידן חדש בהיסטוריה של האנושות. תקופת האבן הוחלפה פעם בתקופת הברונזה, ואז באו ברצף תקופות שלטונם של הברזל, הקיטור והחשמל. אנו נמצאים כעת ממש בתחילת עידן האטום. אפילו הידע השטחי ביותר בתחום המבנה של גרעין האטום פותח בפני האנושות אופקים חסרי תקדים.
מה אנחנו יודעים על גרעין האטום? העובדה שהוא מהווה 99.99% מהמסה של האטום כולו ומורכב מחלקיקים המכונים בדרך כלל נוקלונים. מה זה נוקלונים, כמה מהם, מה הם, עכשיו כל תלמיד תיכון שיש לו רביעייה מוצקה בפיזיקה יודע.
איך אנחנו מדמיינים את מבנה האטום
אבוי, לא בקרוב תופיע טכניקה המאפשרת לראות את החלקיקים המרכיבים אטום, גרעין אטום. יש אלפי שאלות על איך החומר מסודר, ויש גם הרבה תיאוריות על המבנה של חלקיקים יסודיים. עד היום, התיאוריה שעונה על רוב השאלות, הוא המודל הפלנטרי של מבנה האטום.
לפי זה, אלקטרונים בעלי מטען שלילי מסתובבים סביב גרעין טעון חיובי, המוחזק על ידי משיכה חשמלית. מה זה נוקלונים? העובדה היא שהגרעין אינו מונוליטי, הוא מורכב מפרוטונים וניוטרונים בעלי מטען חיובי - חלקיקים בעלי מטען אפס. אלו הם החלקיקים שמהם בנוי גרעין האטום, ונהוג לקרוא להם נוקלונים.
מאיפה באה התיאוריה הזו, אם החלקיקים כל כך קטנים? מדענים הגיעו למסקנה לגבי המבנה הפלנטרי של האטום על ידי הפניית אלומות של מיקרו-חלקיקים שונים אל לוחות המתכת הדקים ביותר.
מהן המידות שלו
הידע על מבנה האטום לא יהיה שלם אם לא תדמיין את היסודות שלו בקנה מידה. הגרעין קטן ביותר, אפילו בהשוואה לאטום עצמו. אם אתה מדמיין אטום, למשל, זהב, בצורה של בלון ענק בקוטר של 200 מטר, אז הליבה שלו תהיה רק … אגוז לוז. אבל מהם נוקלונים ומדוע הם ממלאים תפקיד כה חשוב? כן, ולו רק בגלל שבתוכן מתרכזת כל המסה של האטום.
בקני סריג הקריסטל, אטומי זהב ממוקמים בצפיפות למדי, כך שהמרחק בין "אגוזים" שכנים בקנה מידה שאומצו על ידינו יהיה כ-250-300 מטר.
פרוטון
מדענים חשדו זה מכבר שגרעין האטום אינו סוג של חומר מונוליטי. סדרי המסה והמטען, שגדלו ב"צעדים" מיסוד כימי אחד למשנהו, היו מדהימים עד כאב. זה היה הגיוני להניחשישנם חלקיקים מסוימים בעלי מטען חיובי קבוע, שמהם "נאספים" הגרעינים של כל האטומים. כמה נוקלונים בעלי מטען חיובי יש בגרעין, זה יהיה המטען שלו.
הנחות לגבי המבנה המורכב של גרעין האטום נעשו עוד בתקופת בניית הטבלה המחזורית של היסודות שלו על ידי מנדלייב. עם זאת, האפשרויות הטכניות לאשש השערות באופן ניסיוני לא היו קיימות באותה תקופה. רק בתחילת המאה ה-20 ערך ארנסט רתרפורד ניסוי שאישר את קיומו של הפרוטון.
כתוצאה מחשיפה לחומר בקרינה של מתכות רדיואקטיביות, הופיע מדי פעם חלקיק - העתק של גרעין אטום מימן. היה לו אותו משקל (1.67 ∙ 10-27 ק ג) ומטען אטומי +1.
Neutron
המסקנה לגבי הצורך בחיפוש אחר חלקיק אחר, שלא בפניו נקרא הנייטרון, הגיעה במהירות. מכיוון שהשאלה כמה גרעינים יש בגרעין ומה הם, טמונה בצמיחה לא אחידה של מסה ומטען עם שינוי במספר הסידורי של היסוד. רתרפורד הניח הנחה לגבי קיומו של תאום פרוטונים עם מטען אפס, אך הוא לא הצליח לאשר את השערתו.
באופן כללי, למדעני גרעין כבר היה מושג טוב על מה הם נוקלונים וההרכב הכמותי של גרעיני אטום. והחלקיק החמקמק, ובכל זאת לא התגלה בניסוי על ידי איש, חיכה בכנפיים. ג'יימס צ'דוויק נחשב למגלה שלה, שהצליח לבודד את ה"בלתי נראה" מהחומר,הכפיפה שלו להפצצה עם גרעיני הליום המואצות למהירויות גבוהות במיוחד (חלקיקי α). מסת החלקיק, כצפוי, התברר כשווה למסה של הפרוטון שהתגלה קודם לכן. לפי מחקר מודרני, הנייטרון מעט כבד יותר.
קצת יותר על ה"לבנים" של גרעין האטום
חשב כמה נוקלונים בגרעין של יסוד כימי או באיזוטופ שלו קל. זה דורש שני דברים: טבלה מחזורית ומחשבון, אם כי אתה יכול לחשב במחשבה שלך. דוגמה לכך היא שני האיזוטופים הנפוצים של אורניום: 235 ו-238. המספרים הללו מייצגים את המסה האטומית. המספר הסידורי של אורניום הוא 92, הוא תמיד מציין את המטען של הגרעין.
כפי שאתה יודע, נוקלונים בגרעין של אטום יכולים להיות פרוטונים בעלי מטען חיובי או נויטרונים מאותה מסה, אך ללא מטען. המספר הסידורי 92 מציין את המספר בגרעין הפרוטונים. מספר הנייטרונים מחושב על ידי חיסור פשוט:
- - אורניום 235, מספר נויטרונים=235 – 92=143;
- - אורניום 238, מספר נויטרונים=238 – 92=146.
וכמה נוקלונים אפשר להפגיש בו-זמנית? מאמינים שבשלב מסוים בחיי כוכבים בעלי מסה מספקת, כאשר התגובה התרמו-גרעינית אינה מסוגלת עוד לרסן את כוח הכבידה, הלחץ במעיים של הכוכב גדל עד כדי כך שהוא "מדביק" אלקטרונים פרוטונים. כתוצאה מכך, המטען הופך לאפס, וצמד הפרוטונים-אלקטרונים הופך לנייטרון. החומר שנוצר, המורכב מניוטרונים "לחוץ", הוא צפוף ביותר.
כוכב השוקל בשמש שלנו הופך לכדורבקוטר של כמה עשרות קילומטרים. כפית של "דייסת נייטרונים" כזו יכולה לשקול כמה מאות טונות על פני כדור הארץ.
