Küsimused "Millest aine koosneb?", "Mis on aine olemus?" on inimkonda alati okupeerinud. Juba iidsetest aegadest on filosoofid ja teadlased neile küsimustele vastuseid otsinud, luues nii realistlikke kui ka täiesti hämmastavaid ja fantastilisi teooriaid ja hüpoteese. Kuid sõna otseses mõttes sajand tagasi jõudis inimkond selle mõistatuse lahtiharutamisele võimalikult lähedale, avastades aine aatomistruktuuri. Mis on aga aatomi tuuma koostis? Millest see kõik tehtud on?
Teooriast tegelikkuseni
Kahekümnenda sajandi alguseks ei olnud aatomi struktuur lakanud olemast vaid hüpotees, vaid muutunud absoluutseks faktiks. Selgus, et aatomi tuuma koostis on väga keeruline mõiste. See sisaldab elektrilaenguid. Kuid tekkis küsimus: kas aatomi ja aatomituuma koostis sisaldab erinevas koguses neid laenguid või mitte?
Planeedimudel
Alguses arvati, et aatom on ehitatud väga sarnaselt meie päikesesüsteemiga. KuidKiiresti selgus, et see seisukoht polnud päris õige. Pildi astronoomilise skaala puhtmehaanilise ülekandmise probleem miljondikmillimeetrit hõlmavale alale on toonud kaasa märkimisväärse ja dramaatilise muutuse nähtuste omadustes ja omadustes. Peamine erinevus seisnes palju rangemates seadustes ja reeglites, mille järgi aatom on ehitatud.
Planeedimudeli puudused
Esiteks, kuna sama liiki ja sama elemendi aatomid peavad olema parameetrite ja omaduste poolest täpselt samad, peavad ka nende aatomite elektronide orbiidid olema samad. Kuid astronoomiliste kehade liikumisseadused ei suutnud neile küsimustele vastuseid anda. Teine vastuolu seisneb selles, et elektroni liikumisega mööda orbiidi, kui sellele rakendatakse hästi uuritud füüsikaseadusi, peab tingimata kaasnema püsiv energia vabanemine. Selle tulemusena viiks see protsess elektronide ammendumiseni, mis lõpuks sureks välja ja kukuks isegi tuuma.
Emalaine struktuurja
1924. aastal esitas noor aristokraat Louis de Broglie idee, mis muutis teadusringkondade ideed sellistes küsimustes nagu aatomi struktuur, aatomituumade koostis. Idee seisnes selles, et elektron ei ole lihts alt liikuv pall, mis tiirleb ümber tuuma. See on udune aine, mis liigub seaduste järgi, mis meenutavad lainete levikut ruumis. Üsna kiiresti laienes see idee mis tahes keha liikumiseleüldiselt selgitades, et me märkame selles liikumises ainult ühte külge, kuid teine ei avaldu tegelikult. Me näeme lainete levikut ja ei märka osakese liikumist või vastupidi. Tegelikult on mõlemad liikumise pooled alati olemas ja elektroni pöörlemine orbiidil ei ole ainult laengu enda liikumine, vaid ka lainete levimine. See lähenemine erineb põhimõtteliselt varem aktsepteeritud planeedimudelist.
Elementaarne vundament
Aatomi tuum on keskpunkt. Selle ümber tiirlevad elektronid. Kõik muu on määratud südamiku omadustega. Sellisest mõistest nagu aatomi tuuma koostis on vaja rääkida kõige olulisemast punktist - laengust. Aatom sisaldab teatud arvu elektrone, mis kannavad negatiivset laengut. Tuum ise on positiivse laenguga. Sellest saame teha teatud järeldused:
- Tuum on positiivselt laetud osake.
- Südamiku ümber on laengute tekitatud pulseeriv atmosfäär.
- Tuum ja selle omadused määravad elektronide arvu aatomis.
Kerneli omadused
Vasel, klaasil, raual ja puidul on samad elektronid. Aatom võib kaotada paar elektroni või isegi kõik. Kui tuum jääb positiivselt laetuks, suudab see teistest kehadest ligi tõmmata õige koguse negatiivselt laetud osakesi, mis võimaldab tal ellu jääda. Kui aatom kaotab teatud arvu elektrone, on tuuma positiivne laeng suurem kui ülejäänud negatiivsed laengud. ATSel juhul omandab kogu aatom liigse laengu ja seda võib nimetada positiivseks iooniks. Mõnel juhul võib aatom meelitada rohkem elektrone ja siis saab see negatiivselt laetud. Seetõttu võib seda nimetada negatiivseks iooniks.
Kui palju aatom kaalub?
Aatomi massi määrab peamiselt tuum. Aatomi ja aatomituuma moodustavad elektronid kaaluvad alla ühe tuhandiku kogumassist. Kuna massi peetakse aine energiavaru mõõtmiseks, peetakse seda asjaolu väga oluliseks, kui uuritakse sellist küsimust nagu aatomituuma koostis.
Radioaktiivsus
Kõige keerulisemad küsimused tekkisid pärast röntgenikiirte avastamist. Radioaktiivsed elemendid kiirgavad alfa-, beeta- ja gamma-laineid. Kuid sellisel kiirgusel peab olema allikas. Rutherford näitas 1902. aastal, et selliseks allikaks on aatom ise või õigemini tuum. Teisest küljest ei ole radioaktiivsus mitte ainult kiirte emissioon, vaid ka ühe elemendi muundamine teiseks, millel on täiesti uued keemilised ja füüsikalised omadused. See tähendab, et radioaktiivsus on muutus tuumas.
Mida me teame tuumastruktuurist?
Peaaegu sada aastat tagasi esitas füüsik Prout idee, et perioodilisuse tabeli elemendid ei ole juhuslikud vormid, vaid on vesinikuaatomite kombinatsioonid. Seetõttu võiks eeldada, et nii tuumade laengud kui ka massid väljendatakse vesiniku enda täis- ja mitmekordsete laengutena. See pole aga päris tõsi. Uurides aatomi omadusituumade puhastamiseks elektromagnetväljade abil tegi füüsik Aston kindlaks, et elemendid, mille aatommassid ei olnud täisarvud ja kordsed, on tegelikult erinevate aatomite kombinatsioon, mitte üks aine. Kõigil juhtudel, kui aatommass ei ole täisarv, vaatleme erinevate isotoopide segu. Mis see on? Kui räägime aatomi tuuma koostisest, siis isotoobid on sama laenguga, kuid erineva massiga aatomid.
Einstein ja aatomituum
Relatiivsusteooria ütleb, et mass ei ole mõõt, millega määratakse aine hulk, vaid aine energia mõõt. Sellest lähtuv alt saab ainet mõõta mitte massi, vaid selle aine moodustava laengu ja laengu energia järgi. Kui sama laeng läheneb teisele samale, siis energia suureneb, vastasel juhul väheneb. See muidugi ei tähenda asja muutumist. Sellest lähtuv alt ei ole aatomi tuum sellest positsioonist mitte energiaallikas, vaid pigem jääk pärast selle vabanemist. Seega on mõningane vastuolu.
Neutronid
Berülliumi alfaosakestega pommitades avastasid Curie'd mõned arusaamatud kiired, mis aatomi tuumaga kokku põrkudes tõrjuvad selle suure jõuga tagasi. Küll aga suudavad nad läbida suure paksuse aine. See vastuolu lahenes sellega, et antud osakesel osutus neutraalne elektrilaeng. Sellest lähtuv alt nimetati seda neutroniks. Tänu edasisele uurimistööle selgus, et neutroni mass on peaaegu sama, mis prootonil. Üldiselt on neutron ja prooton uskumatult sarnased. KaaludesSelle avastuse põhjal oli kindlasti võimalik kindlaks teha, et aatomi tuuma koostis sisaldab nii prootoneid kui neutroneid ja seda võrdsetes kogustes. Kõik loksus tasapisi paika. Prootonite arv on aatomarv. Aatomi mass on neutronite ja prootonite masside summa. Isotoopi võib nimetada ka elemendiks, milles neutronite ja prootonite arv ei ole üksteisega võrdne. Nagu eespool mainitud, võivad sellisel juhul, kuigi element jääb sisuliselt samaks, selle omadused oluliselt muutuda.
