מבנה האטום. רמות האנרגיה של האטום. פרוטונים, נייטרונים, אלקטרונים

השם "אטום" מתורגם מיוונית כ"ניתן לחלוקה". כל מה שסביבנו - מוצקים, נוזלים ואוויר - בנוי ממיליארדים מהחלקיקים הללו.

הופעת הגרסה על האטום

אטומים נודעו לראשונה במאה החמישית לפני הספירה.לספירה, כאשר הפילוסוף היווני דמוקריטוס הציע שהחומר מורכב מחלקיקים זעירים נעים. אלא שאז לא ניתן היה לבדוק את גרסת קיומם. ולמרות שאיש לא יכול היה לראות את החלקיקים האלה, הרעיון נדון, כי הדרך היחידה שמדענים יכולים להסביר את התהליכים המתרחשים בעולם האמיתי. לכן, הם האמינו בקיומם של מיקרו-חלקיקים הרבה לפני הזמן שבו יכלו להוכיח עובדה זו.

רק במאה ה-19הם החלו להיות מנותחים כמרכיבים הקטנים ביותר של יסודות כימיים, בעלי תכונות ספציפיות של אטומים - היכולת להיכנס לתרכובות עם אחרים בכמות שנקבעה בקפדנות. בתחילת המאה ה-20 האמינו שהאטומים הם חלקיקי החומר הקטנים ביותר, עד שהוכח שהם מורכבים מיחידות קטנות עוד יותר.

ממה עשוי יסוד כימי?

אטום של יסוד כימי - מיקרוסקופיאבן בניין של חומר. המשקל המולקולרי של האטום הפך למאפיין המגדיר של מיקרו-חלקיק זה. רק גילוי החוק התקופתי של מנדלייב הוכיח שסוגיהם הם צורות שונות של עניין יחיד. הם כל כך קטנים שלא ניתן לראות אותם באמצעות מיקרוסקופים רגילים, רק במכשירים האלקטרוניים החזקים ביותר. לשם השוואה, שערה על יד אדם רחבה פי מיליון.

למבנה האלקטרוני של אטום יש גרעין המורכב משל נויטרונים ופרוטונים, כמו גם אלקטרונים, שעושים סיבובים סביב המרכז במסלולים קבועים, כמו כוכבי לכת סביב הכוכבים שלהם. כולם מוחזקים יחד בכוח אלקטרומגנטי, אחד מארבעת הכוחות העיקריים ביקום. ניוטרונים הם חלקיקים בעלי מטען ניטרלי, פרוטונים ניחנים במטען חיובי ואלקטרונים בעלי מטען שלילי. האחרונים נמשכים לפרוטונים בעלי מטען חיובי, ולכן הם נוטים להישאר במסלול.

מבנה אטום

בחלק המרכזי יש גרעין שממלאהחלק הקטן ביותר של האטום כולו. אבל מחקרים מראים שכמעט כל המסה (99.9%) נמצאת בו. כל אטום מכיל פרוטונים, נויטרונים, אלקטרונים. מספר האלקטרונים המסתובבים בו שווה למטען המרכזי החיובי. חלקיקים בעלי אותו מטען גרעיני Z, אך מסה אטומית שונה A ומספר הנייטרונים בגרעין N נקראים איזוטופים, ועם אותו A ו-Z ו-N שונים נקראים איזוברים. אלקטרון הוא חלקיק החומר הקטן ביותר בעל מטען חשמלי שלילי e=1.6·10-19 קולומב. המטען של יון קובע את מספר האלקטרונים שאבדו או נרכשו. תהליך המטמורפוזה של אטום ניטרלי ליון טעון נקרא יינון.

גרסה חדשה של מודל האטום

פיסיקאים גילו חלקיקי יסוד רבים אחרים עד כה. למבנה האלקטרוני של האטום יש גרסה חדשה.

הוא האמין כי פרוטונים ונייטרונים, מה שלא יהיההם לא היו קטנים, הם היו מורכבים מחלקיקים זעירים הנקראים קווארקים. הם מהווים מודל חדש לבניית האטום. כשם שמדענים נהגו לאסוף עדויות לקיומו של המודל הקודם, כך מנסים היום להוכיח את קיומם של קווארקים.

RTM הוא מכשיר העתיד

מדענים מודרניים יכולים לראות על הצגחלקיקי מחשב אטומיים של חומר, וגם להעביר אותם על פני השטח באמצעות כלי מיוחד הנקרא מיקרוסקופ מנהור סורק (RTM).

זה כן מְמוּחשָׁב כלי עם קצה שהוא מאודנע בעדינות ליד פני השטח של החומר. כשהקצה זז, אלקטרונים נעים דרך הרווח בין הקצה למשטח. למרות שהחומר נראה חלק לחלוטין, הוא למעשה לא אחיד ברמה האטומית. המחשב יוצר מפה של פני החומר, יוצר תמונה של חלקיקיו, וכך מדענים יכולים לראות את תכונות האטום.

חלקיקים רדיואקטיביים

יונים בעלי מטען שלילי מסתובבים סביב הגרעיןבמרחק מספיק גדול. מבנה האטום הוא כזה שהוא באמת נייטרלי בכללותו ואין לו מטען חשמלי, כי כל חלקיקיו (פרוטונים, נויטרונים, אלקטרונים) נמצאים באיזון.

אטום רדיואקטיבי הוא יסוד שיכולקל לפצל. מרכזו מורכב מפרוטונים וניוטרונים רבים. היוצא מן הכלל היחיד הוא הסכימה של אטום המימן, שיש לו פרוטון בודד אחד. הגרעין מוקף בענן של אלקטרונים, המשיכה שלהם היא שגורמת להם להסתובב סביב המרכז. פרוטונים בעלי אותו מטען דוחים זה את זה.

זו לא בעיה עבור רוב החלקיקים הקטנים,שיש להם כמה. אבל חלקם אינם יציבים, במיוחד גדולים כמו אורניום, שיש לו 92 פרוטונים. לפעמים המרכז שלו לא יכול לעמוד בעומס כזה. הם נקראים רדיואקטיביים מכיוון שהם פולטים מספר חלקיקים מהליבה שלהם. לאחר שהגרעין הלא יציב נפטר מהפרוטונים, הפרוטונים הנותרים יוצרים בת חדשה. זה יכול להיות יציב בהתאם למספר הפרוטונים בגרעין החדש, או שהוא יכול להתחלק עוד יותר. תהליך זה נמשך עד שנשאר גרעין ילד יציב.

תכונות של אטומים

התכונות הפיזיקליות והכימיות של אטום משתנות באופן טבעי מיסוד אחד למשנהו. הם מוגדרים על ידי הפרמטרים העיקריים הבאים.

מסה אטומית. מכיוון שהמקום העיקרי של המיקרו-חלקיקים תפוס על ידי פרוטונים ונייטרונים, הסכום שלהם קובע את המספר, שמתבטא ביחידות מסה אטומית (amu) נוסחה: A = Z + N.

רדיוס אטומי.הרדיוס תלוי במיקום היסוד במערכת מנדלייב, בקשר הכימי, במספר האטומים השכנים ובפעולה המכנית הקוונטית. רדיוס הליבה קטן פי מאה אלף מרדיוס היסוד עצמו. המבנה של אטום יכול לאבד אלקטרונים ולהפוך ליון חיובי, או להוסיף אלקטרונים ולהפוך ליון שלילי.

במערכת המחזורית של מנדלייב, כליסוד כימי תופס את מקומו שנקבע לו. בטבלה, גודלו של אטום גדל ככל שעוברים מלמעלה למטה ומצטמצם ככל שעוברים משמאל לימין. מכאן, היסוד הקטן ביותר הוא הליום והגדול ביותר הוא צזיום.

Valence.קליפת האלקטרונים החיצונית של אטום נקראת קליפת הערכיות, והאלקטרונים בה קיבלו את השם המתאים - אלקטרוני ערכיות. מספרם קובע כיצד אטום מחובר לאחרים באמצעות קשר כימי. בשיטה של ​​יצירת המיקרו-חלקיקים האחרונים, הם מנסים למלא את קליפות הערכיות החיצוניות שלהם.

כוח המשיכה, המשיכה הוא הכוח שמחזיקכוכבי לכת במסלול, בגלל זה, עצמים משוחררים מהידיים נופלים לרצפה. אדם מבחין יותר בכוח הכבידה, אך הפעולה האלקטרומגנטית חזקה פי כמה. הכוח המושך (או דוחה) חלקיקים טעונים באטום הוא חזק פי 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 מכוח הכבידה שבו. אבל יש כוח חזק עוד יותר במרכז הגרעין שיכול להחזיק פרוטונים וניוטרונים ביחד.

תגובות בגרעינים יוצרות אנרגיה כמו בגרעיןכורים שבהם מפוצלים אטומים. ככל שהיסוד כבד יותר, כך בנויים יותר חלקיקים האטומים שלו. אם נוסיף את המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים ביסוד, נגלה את המסה שלו. לדוגמה, לאורניום, היסוד הכבד ביותר שנמצא בטבע, יש מסה אטומית של 235 או 238.

חלוקה של אטום לרמות

רמות האנרגיה של אטום הן הכמותהחלל מסביב לגרעין שבו האלקטרון בתנועה. ישנם 7 אורביטלים בסך הכל, התואמים למספר התקופות בטבלה המחזורית. ככל שמיקומו של האלקטרון מרוחק יותר מהגרעין, כך יש לו רזרבה משמעותית יותר של אנרגיה. מספר התקופה מציין את מספר האורביטלים האטומיים סביב הגרעין שלו. לדוגמה, אשלגן הוא יסוד מהתקופה הרביעית, כלומר יש לו 4 רמות אנרגיה של האטום. המספר של יסוד כימי מתאים למטען שלו ולמספר האלקטרונים סביב הגרעין.

האטום הוא מקור אנרגיה

כנראה הנוסחה המדעית המפורסמת ביותרהתגלה על ידי הפיזיקאי הגרמני איינשטיין. היא טוענת שמסה אינה אלא סוג של אנרגיה. על סמך תיאוריה זו, ניתן להפוך חומר לאנרגיה ולחשב לפי הנוסחה כמה ממנו ניתן להשיג. התוצאה המעשית הראשונה של טרנספורמציה זו הייתה פצצות אטום, אשר נוסו לראשונה במדבר לוס אלמוס (ארה"ב), ולאחר מכן התפוצצו מעל ערים יפניות. ולמרות שרק שביעית מחומר הנפץ הפך לאנרגיה, כוחה ההרסני של פצצת האטום היה נורא.

על מנת שהגרעין ישחרר את האנרגיה שלו, הואצריך להתמוטט. כדי לפצל אותו, יש צורך לפעול עם נויטרון מבחוץ. ואז הגרעין מתפרק לשניים אחרים, קלים יותר, תוך שהוא מספק שחרור עצום של אנרגיה. ההתפרקות מובילה לשחרור נויטרונים אחרים, והם ממשיכים לפצל גרעינים אחרים. התהליך הופך לתגובת שרשרת, וכתוצאה מכך נוצרת כמות עצומה של אנרגיה.

יתרונות וחסרונות של שימוש בתגובה גרעינית בזמננו

את הכוח ההרסני, שמשתחרר במהלך שינוי החומר, מנסה האנושות לאלף בתחנות כוח גרעיניות. כאן, התגובה הגרעינית לא מתרחשת בצורה של פיצוץ, אלא כשחרור הדרגתי של חום.

לייצור חשמל גרעיני יש יתרונות וחסרונות.מינוסים. לדברי מדענים, כדי לשמור על הציוויליזציה שלנו ברמה גבוהה, יש צורך להשתמש במקור האנרגיה העצום הזה. אבל צריך גם לקחת בחשבון שאפילו הפיתוחים המודרניים ביותר אינם יכולים להבטיח את הבטיחות המלאה של תחנות כוח גרעיניות. בנוסף, פסולת רדיואקטיבית הנוצרת במהלך הפקת אנרגיה, אם מאוחסנת בצורה לא נכונה, עלולה להשפיע על צאצאינו במשך עשרות אלפי שנים.

לאחר התאונה בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל, יותר ויותראנשים מחשיבים את ייצור האנרגיה האטומית כמסוכן מאוד לאנושות. תחנת הכוח הבטוחה היחידה מסוג זה היא השמש עם האנרגיה הגרעינית העצומה שלה. מדענים מפתחים כל מיני מודלים של תאים סולאריים, ואולי בעתיד הקרוב, האנושות תוכל לספק לעצמה אנרגיה אטומית בטוחה.