Nimi "aatom" on kreeka keelest tõlgitud kui "jagamatu". Kõik meid ümbritsev – tahked ained, vedelikud ja õhk – on ehitatud miljarditest nendest osakestest.
Aatomit käsitleva versiooni ilmumine
Aatomid said esmakordselt tuntuks 5. sajandil eKr, kui kreeka filosoof Demokritos väitis, et aine koosneb liikuvatest pisikestest osakestest. Siis aga ei olnud võimalik nende olemasolu versiooni kontrollida. Ja kuigi keegi neid osakesi ei näinud, arutati seda ideed, sest ainult nii said teadlased reaalses maailmas toimuvaid protsesse selgitada. Seetõttu uskusid nad mikroosakeste olemasolu ammu enne, kui suutsid seda fakti tõestada.
Ainult 19. sajandil. neid hakati analüüsima kui keemiliste elementide väikseimaid koostisosi, millel on aatomitele spetsiifilised omadused – võime sõlmida teistega ühendeid rangelt ettenähtud koguses. 20. sajandi alguses usuti, et aatomid on aine väikseimad osakesed, kuni tõestati, et need koosnevad veelgi väiksematest ühikutest.
Millest keemiline element koosneb?
Keemilise elemendi aatom on aine mikroskoopiline ehitusplokk. Aatomi molekulmass on muutunud selle mikroosakese määravaks tunnuseks. Ainult Mendelejevi perioodilise seaduse avastamine kinnitas, et nende tüübid on ühe aine erinevad vormid. Need on nii väikesed, et neid ei saa tavaliste mikroskoopidega näha, vaid kõige võimsamad elektroonikaseadmed. Võrdluseks, juuksekarv inimese käel on miljon korda laiem.
Aatomi elektroonilisel struktuuril on tuum, mis koosneb neutronitest ja prootonitest, aga ka elektronidest, mis teevad pöördeid ümber keskpunkti pidevatel orbiitidel, nagu planeedid oma tähtede ümber. Neid kõiki hoiab koos elektromagnetiline jõud, üks neljast universumi põhijõust. Neutronid on neutraalse laenguga osakesed, prootonid on varustatud positiivse ja elektronid negatiivse laenguga. Viimaseid tõmbavad positiivselt laetud prootonid, mistõttu nad kipuvad jääma orbiidile.
Aatomi struktuur
Keskosas on tuum, mis täidab minimaalse osa kogu aatomist. Kuid uuringud näitavad, et peaaegu kogu mass (99,9%) asub selles. Iga aatom sisaldab prootoneid, neutroneid, elektrone. Pöörlevate elektronide arv selles on võrdne positiivse kesklaenguga. Osakesi, millel on sama tuumalaeng Z, kuid erinev aatommass A ja neutronite arv tuumas N, nimetatakse isotoopideks ning sama A-ga ning erineva Z ja N osakesed isobaarideks. Elektron on aine väikseim osake, millel on negatiivneelektrilaeng e=1,6 10-19 kulon. Iooni laeng määrab kaotatud või saadud elektronide arvu. Neutraalse aatomi moondumist laetud iooniks nimetatakse ionisatsiooniks.
Aatomi mudeli uus versioon
Füüsikud on tänaseks avastanud palju muid elementaarosakesi. Aatomi elektroonilisel struktuuril on uus versioon.
Arvatakse, et prootonid ja neutronid, olenemata sellest, kui väikesed nad on, koosnevad väikseimatest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks. Need moodustavad aatomi ehitamise uue mudeli. Kuna teadlased kogusid tõendeid eelmise mudeli olemasolu kohta, siis tänapäeval püüavad nad tõestada kvarkide olemasolu.
RTM on tuleviku seade
Kaasaegsed teadlased näevad arvutimonitoril aine aatomosakesi ja liigutavad neid üle pinna, kasutades selleks spetsiaalset tööriista, mida nimetatakse skaneerivaks tunnelmikroskoobiks (RTM).
See on arvutipõhine tööriist, mille ots liigub väga õrn alt materjali pinna lähedal. Otsa liikumisel liiguvad elektronid läbi tipu ja pinna vahelise pilu. Kuigi materjal näeb välja täiesti sile, on see tegelikult aatomitasandil ebaühtlane. Arvuti koostab mateeria pinnast kaardi, luues selle osakestest kujutise ja seega saavad teadlased näha aatomi omadusi.
Radioaktiivsed osakesed
Negatiivse laenguga ioonid tiirlevad ümber tuuma piisav alt suurel kaugusel. Aatomi struktuur on selline, et ta on terviklikon tõeliselt neutraalne ja sellel puudub elektrilaeng, kuna kõik selle osakesed (prootonid, neutronid, elektronid) on tasakaalus.
Radioaktiivne aatom on element, mida saab kergesti poolitada. Selle keskpunkt koosneb paljudest prootonitest ja neutronitest. Ainus erand on vesinikuaatomi diagramm, millel on üks prooton. Tuuma ümbritseb elektronide pilv, nende külgetõmme paneb nad ümber keskpunkti pöörlema. Sama laenguga prootonid tõrjuvad üksteist.
See ei ole probleem enamiku väikeste osakeste puhul, millel on neid mitu. Kuid mõned neist on ebastabiilsed, eriti suured, nagu uraan, millel on 92 prootonit. Mõnikord ei talu tema keskus sellist koormust. Neid nimetatakse radioaktiivseteks, kuna nad eraldavad oma tuumast mitu osakest. Pärast seda, kui ebastabiilne tuum on prootonitest vabanenud, moodustavad ülejäänud prootonid uue tütre. See võib olla stabiilne sõltuv alt prootonite arvust uues tuumas või jaguneda veelgi. See protsess jätkub, kuni jääb stabiilne alamtuum.
Aatomite omadused
Aatomi füüsikalised ja keemilised omadused muutuvad loomulikult ühelt elemendilt teisele. Need on määratletud järgmiste põhiparameetritega.
Aatommass. Kuna mikroosakeste põhikoha hõivavad prootonid ja neutronid, määrab nende summa arvu, mis on väljendatud aatommassi ühikutes (amu) Valem: A=Z + N.
Aatomiraadius. Raadius oleneb elemendi asukohast Mendelejevi süsteemis, keemilinesidemed, naaberaatomite arv ja kvantmehaaniline toime. Südamiku raadius on sada tuhat korda väiksem kui elemendi enda raadius. Aatomi struktuur võib kaotada elektrone ja muutuda positiivseks iooniks või lisada elektrone ja muutuda negatiivseks iooniks.
Mendelejevi perioodilises süsteemis võtab iga keemiline element talle määratud koha. Tabelis suureneb aatomi suurus, kui liigute ül alt alla, ja väheneb, kui liigute vasakult paremale. Sellest lähtuv alt on väikseim element heelium ja suurim tseesium.
Valency. Aatomi välist elektronkihti nimetatakse valentskihiks ja selles olevad elektronid on saanud vastava nimetuse – valentselektronid. Nende arv määrab, kuidas aatom on keemilise sideme kaudu teistega ühendatud. Viimase mikroosakese loomise meetodil püüavad nad täita oma väliseid valentskestasid.
Gravitatsioon, külgetõmme on jõud, mis hoiab planeete orbiidil, kuna kätest vabanenud objektid kukuvad põrandale. Inimene märkab gravitatsiooni rohkem, kuid elektromagnetiline toime on kordades võimsam. Jõud, mis tõmbab (või tõrjub) laetud osakesi aatomis, on 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 korda võimsam kui gravitatsioon selles. Kuid tuuma keskmes on veelgi tugevam jõud, mis suudab prootoneid ja neutroneid koos hoida.
Tuumade reaktsioonid tekitavad energiat nagu tuumareaktorites, kus aatomid jagunevad. Mida raskem on element, seda rohkematest osakestest koosnevad selle aatomid. Kui liidame elemendis olevate prootonite ja neutronite koguarvu, saame selle teadamass. Näiteks uraani, kõige raskema looduses leiduva elemendi aatommass on 235 või 238.
Aatomi jagamine tasemeteks
Aatomi energiatasemed on tuuma ümber oleva ruumi suurus, kus elektron liigub. Kokku on 7 orbitaali, mis vastavad perioodilisuse tabeli perioodide arvule. Mida kaugemal elektron asub tuumast, seda olulisem on tal energiavaru. Perioodi number näitab selle tuuma ümber olevate aatomiorbitaalide arvu. Näiteks kaalium on 4. perioodi element, mis tähendab, et sellel on 4 aatomi energiataset. Keemilise elemendi arv vastab selle laengule ja elektronide arvule tuuma ümber.
Atom on energiaallikas
Tõenäoliselt kuulsaima teadusliku valemi avastas saksa füüsik Einstein. Ta väidab, et mass pole midagi muud kui energia vorm. Selle teooria põhjal on võimalik muuta aine energiaks ja arvutada valemiga, kui palju seda on võimalik saada. Selle ümberkujundamise esimene praktiline tulemus oli aatomipommid, mida esmakordselt katsetati Los Alamose kõrbes (USA) ja mis seejärel plahvatas Jaapani linnade kohal. Ja kuigi ainult seitsmendik lõhkeainest muutus energiaks, oli aatomipommi hävitav jõud kohutav.
Selleks, et tuum saaks oma energiat vabastada, peab see kokku kukkuma. Selle poolitamiseks on vaja tegutseda väljastpoolt tuleva neutroniga. Seejärel laguneb tuum kaheks teiseks, kergemaks, pakkudes samal ajal tohutut energia vabanemist. Lagunemine toob kaasa teiste neutronite vabanemise,ja nad jätkavad teiste tuumade lõhestamist. Protsess muutub ahelreaktsiooniks, mille tulemuseks on tohutul hulgal energiat.
Tuumareaktsiooni kasutamise plussid ja miinused meie ajal
Aine muundumisel vabanevat hävitavat jõudu püüab inimkond tuumaelektrijaamades t altsutada. Siin ei toimu tuumareaktsioon plahvatuse, vaid soojuse järkjärgulise vabanemisena.
Aatomienergia tootmisel on oma plussid ja miinused. Teadlaste sõnul on meie tsivilisatsiooni kõrgel tasemel hoidmiseks vaja seda tohutut energiaallikat kasutada. Kuid tuleb arvestada ka sellega, et ka kõige kaasaegsemad arendused ei suuda tagada tuumajaamade täielikku ohutust. Lisaks võivad energiatootmise käigus tekkinud radioaktiivsed jäätmed, kui neid valesti ladustatakse, mõjutada meie järeltulijaid kümneid tuhandeid aastaid.
Pärast Tšernobõli tuumaelektrijaama avariid peavad üha enam inimesi tuumaenergia tootmist inimkonnale väga ohtlikuks. Ainus selline ohutu elektrijaam on Päike oma tohutu tuumaenergiaga. Teadlased töötavad välja igasuguseid päikesepatareide mudeleid ja võib-olla suudab inimkond lähitulevikus varustada end ohutu aatomienergiaga.
