Aine koostist uurides jõudsid teadlased järeldusele, et kogu aine koosneb molekulidest ja aatomitest. Pikka aega peeti aatomit (kreeka keelest tõlgituna "jagamatu") aine väikseimaks struktuuriüksuseks. Edasised uuringud on aga näidanud, et aatomil on keeruline struktuur ja see omakorda sisaldab väiksemaid osakesi.
Millest aatom koosneb?
1911. aastal väitis teadlane Rutherford, et aatomil on keskosa, millel on positiivne laeng. Nii tekkis esmakordselt aatomituuma mõiste.
Planeedimudeliks nimetatud Rutherfordi skeemi järgi koosneb aatom tuumast ja negatiivse laenguga elementaarosakestest – elektronidest, mis liiguvad ümber tuuma, nii nagu planeedid tiirlevad ümber Päikese.
Aastal 1932 avastas teine teadlane Chadwick neutroni, osakese, millel puudub elektrilaeng.
Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt vastab aatomituuma struktuur Rutherfordi pakutud planeedimudelile. Tuum kantakse sissesuurem osa aatommassist. Sellel on ka positiivne laeng. Aatomituum sisaldab prootoneid – positiivselt laetud osakesi ja neutroneid – osakesi, mis ei kanna laengut. Prootoneid ja neutroneid nimetatakse nukleoniteks. Negatiivselt laetud osakesed – elektronid – tiirlevad ümber tuuma.
Prootonite arv tuumas on võrdne orbiidil liikuvate elektronide arvuga. Seetõttu on aatom ise osake, mis ei kanna laengut. Kui aatom püüab kinni teiste inimeste elektronid või kaotab oma elektronid, muutub see positiivseks või negatiivseks ja seda nimetatakse iooniks.
Elektroneid, prootoneid ja neutroneid nimetatakse ühiselt subatomilisteks osakesteks.
Aatomituuma laeng
Tuuma laengu number Z. Selle määrab aatomituuma moodustavate prootonite arv. Selle summa väljaselgitamine on lihtne: vaadake lihts alt Mendelejevi perioodilist süsteemi. Selle elemendi aatomnumber, millesse aatom kuulub, on võrdne tuumas olevate prootonite arvuga. Seega, kui keemilise elemendi hapnik vastab järjekorranumbrile 8, võrdub prootonite arv samuti kaheksaga. Kuna prootonite ja elektronide arv aatomis on sama, on seal ka kaheksa elektroni.
Neutronite arvu nimetatakse isotooparvuks ja seda tähistatakse tähega N. Nende arv võib sama keemilise elemendi aatomis erineda.
Prootonite ja elektronide summat tuumas nimetatakse aatomi massiarvuks ja seda tähistatakse tähega A. Seega näeb massiarvu arvutamise valem välja järgmine: A=Z+N.
Isotoobid
Kui elementidel on võrdne arv prootoneid ja elektrone, kuid erinev arv neutroneid, nimetatakse neid keemilise elemendi isotoopideks. Isotoope võib olla üks või mitu. Need paigutatakse perioodilise süsteemi samasse lahtrisse.
Isotoobid on keemias ja füüsikas suure tähtsusega. Näiteks vesiniku isotoop – deuteerium – annab koos hapnikuga täiesti uue aine, mida nimetatakse raskeks veeks. Sellel on tavapärasest erinev keemis- ja külmumistemperatuur. Ja deuteeriumi kombineerimine teise vesiniku isotoobiga – triitiumiga viib termotuumasünteesireaktsioonini ja seda saab kasutada tohutu hulga energia tootmiseks.
Tuuma ja subatomiliste osakeste mass
Aatomite ja subatomiliste osakeste suurused ja massid on inimkontseptsioonides tühised. Tuumade suurus on ligikaudu 10-12cm. Aatomituuma massi mõõdetakse füüsikas nn aatommassi ühikutes - amu
Ühe amu jaoks võtame ühe kaheteistkümnendiku süsinikuaatomi massist. Kasutades tavalisi mõõtühikuid (kilogrammid ja grammid), saab massi väljendada järgmiselt: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Sel viisil väljendatuna nimetatakse seda absoluutseks aatommassiks.
Hoolimata asjaolust, et aatomituum on aatomi kõige massiivsem komponent, on selle mõõtmed ümbritseva elektronpilve suhtes äärmiselt väikesed.
Tuumajõud
Aatomituumad on äärmiselt stabiilsed. See tähendab, et prootoneid ja neutroneid hoiavad tuumas mingid jõud. Ei olevõib esineda elektromagnetilisi jõude, kuna prootonid on sarnase laenguga osakesed ja on teada, et sama laenguga osakesed tõrjuvad üksteist. Gravitatsioonijõud on liiga nõrgad, et nukleone koos hoida. Seetõttu hoitakse osakesi tuumas erineva vastasmõju – tuumajõudude kaudu.
Tuuma vastasmõju peetakse kõige tugevamaks looduses eksisteerivatest. Seetõttu nimetatakse seda tüüpi aatomituuma elementide vahelist interaktsiooni tugevaks. Seda leidub paljudes elementaarosakestes, aga ka elektromagnetilistes jõududes.
Tuumajõudude omadused
- Lühike tegevus. Tuumajõud, erinev alt elektromagnetilistest jõududest, avalduvad ainult väga väikestel kaugustel, mis on võrreldavad tuuma suurusega.
- Laadimise sõltumatus. See omadus väljendub selles, et tuumajõud mõjutavad prootoneid ja neutroneid võrdselt.
- Küllastus. Tuuma nukleonid interakteeruvad ainult teatud arvu teiste nukleonidega.
Tuuma sidumisenergia
Tugeva interaktsiooni mõistega on tihed alt seotud veel üks asi – tuumade sidumisenergia. Tuuma sidumisenergia on energia hulk, mis on vajalik aatomituuma jagamiseks selle koostisosadeks. See on võrdne energiaga, mis on vajalik üksikutest osakestest tuuma moodustamiseks.
Tuuma sidumisenergia arvutamiseks on vaja teada subatomaarsete osakeste massi. Arvutused näitavad, et tuuma mass on alati väiksem kui selle koostisosade nukleonide summa. Massiviga on vahetuuma mass ning selle prootonite ja elektronide summa. Kasutades Einsteini valemit massi ja energia vahelise seose kohta (E=mc2), saate arvutada tuuma moodustumise käigus tekkiva energia.
Tuuma sidumisenergia tugevust saab hinnata järgmise näite põhjal: mitme grammi heeliumi moodustumine toodab sama palju energiat kui mitme tonni kivisöe põletamine.
Tuumareaktsioonid
Aatomite tuumad võivad suhelda teiste aatomite tuumadega. Selliseid vastastikmõjusid nimetatakse tuumareaktsioonideks. Reaktsioone on kahte tüüpi.
- Lõhustumisreaktsioonid. Need tekivad siis, kui raskemad tuumad lagunevad vastasmõju tulemusena kergemateks tuumadeks.
- Sünteesireaktsioonid. Protsess on lõhustumisele vastupidine: tuumad põrkuvad kokku, moodustades seeläbi raskemad elemendid.
Kõigi tuumareaktsioonidega kaasneb energia vabanemine, mida hiljem kasutatakse tööstuses, sõjaväes, energeetikas ja nii edasi.
Tutvudes aatomituuma koostisega, võime teha järgmised järeldused.
- Aatom koosneb prootoneid ja neutroneid sisaldavast tuumast ning selle ümber olevatest elektronidest.
- Aatomi massiarv on võrdne selle tuuma nukleonide summaga.
- Nukloneid hoiab koos tugev jõud.
- Tohutuid jõude, mis hoiavad aatomituuma stabiilsena, nimetatakse tuuma sidumisenergiateks.
