Jądro atomowe i cząstki elementarne

Budowa atomu
Cała materia we wszechświecie zbudowana jest z maleńkich ziaren nazywanych atomami. Powietrze, woda, żelazo, diamenty, nafta, łodyga rośliny, tkanka żywego organizmu - substancje z pozoru tak różne, składają się z podobnych atomów różniących się między sobą rozmiarem i sposobem rozmieszczenia. Obecnie znanych jest ponad sto różnych rodzajów atomów, które połączone ze sobą w rozmaitych ilościach tworzą wszystkie substancje występujące w przyrodzie. Atomy są bardzo małe. W szeregu o długości 1cm mieści się ich około 100 milionów. Gdyby atomy znajdujące się w jednym gramie żelaza, ułożyć równą warstwą na całej powierzchni kuli ziemskiej, to na każdym centymetrze kwadratowym tej powierzchni znalazłoby się ich prawie 2000. Masa atomów wyrażona w gramach jest znikoma. Na przykład, jeden atom siarki waży około 510-23 grama. Jest to wielkość bardzo mała, dlatego uczeni postanowili posługiwać się tak zwaną względną masą atomową. Porównuje ona mianowicie masę atomu danego pierwiastka z masą najlżejszego atomu wodoru, którą przyjęto za jednostkę u. Na przykład, każdy atom glinu naturalnego posiada masę 27 razy większą od masy atomu wodoru. Dlatego też masa atomowa glinu wynosi 27. Decydującą rolę w poznawaniu budowy materii odegrało odkrycie jednego z najważniejszych praw przyrody - prawa okresowości (dzięki temu powsał układ okresowy pierwiastków). Na początku sądzono, że atomy są najmniejszymi, niepodzielnymi cząstkami, z których zbudowana jest materia (atomos - grec. - niepodzielny). Dopiero około stu lat temu naukowcy zdołali stwierdzić i udowodnić istnienie mniejszych cząstek, z których złożony jest atom. Atomy, choć są tak małe, że nie można ich zobaczyć nawet przy pomocy najsilniejszych przyrządów powiększających, odznaczają się dość złożoną budową. W środku każdego atomu znajduje się jądro atomowe, którego średnica jest w przybliżeniu 100000 razy mniejsza od średnicy atomu. Jednakże w tym bardzo małym jądrze zawarta jest przeważająca część masy atomu. Jądro ma ładunek elektryczny dodatni, którego wielkość jest różna w każdym pierwiastku. Wokoło jądra, w odległości przewyższającej dziesiątki i setki tysięcy razy jego rozmiary, poruszają się z ogromną prędkością bardzo drobne cząstki obdarzone ujemnym ładunkiem elektrycznym- elektrony. Każdy elektron jest w przybliżeniu 1840 razy lżejszy od atomu wodoru. Dlatego też na elektrony przypada tylko znikoma część masy atomowej. Ilość elektronów w każdym atomie równa jest ilości dodatnich ładunków jego jądra. Na przykład, atom tlenu - gazu, którym oddychamy posiada osiem dodatnich ładunków w jądrze i osiem elektronów. Ponieważ jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych zobojętniają się, atomu w warunkach normalnych są elektrycznie obojętne. Między liczbą porządkową pierwiastka w układzie okresowym, od której zależą własności chemiczne pierwiastka, a ładunkiem jego jąder atomowych istnieje bardzo prosty związek: ładunek jądra, a zatem i ilość obiegających je elektronów równe są liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa. Na przykład, pierwiastek chemiczny-hel w układzie okresowym zajmuje drugie miejsce co znaczy, że każdy atom helu posiada jądro obdarzone podwójnym ładunkiem dodatnim, a wokół tego jądra krążą dwa elektrony. Tlen, którego jądro posiada 8 ładunków dodatnich i dokoła którego krąży 8 elektronów, zajmuje w układzie Mendelejewa 8 miejsce. Atom uranu, o liczbie porządkowej 92 ma jądro z 92 ładunkami dodatnimi i taką samą ilością elektronów. Liczbę elektronów, a zarazem liczbę ładunków w jądrze nazywa się liczbą atomową pierwiastka. Elektrony w atomach zgrupowane są w pewnych warstwach, np. 92 elektrony uranu rozmieszczone są w atomie w sposób następujący : 2 stanowią grupę najbliższą jądra; w następnej, bardziej odległej od jądra znajduje się 8 elektronów; dalej - znów 8; potem 18, 18 i 32; ostatnich 6 elektronów stanowi najbardziej oddaloną od jądra warstwę zewnętrzną i są one przyciągane przez jądro z najmniejszą siłą. Jądra atomowe dowolnego pierwiastka chemicznego składają się z dwóch rodzajów cząstek - protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Proton jest to cząstka o masie równej jednostce masy atomowej, to znaczy stanowi on po prostu jądro atomowe wodoru. Proton obdarzony jest jednostkowym dodatnim ładunkiem elektrycznym. Neutron również posiada masę w przybliżeniu równą jednostce, lecz pozbawiony jest ładunku elektrycznego. Ponieważ masa atomu skupiona jest w jądrze atomowym składającym się z protonów i neutronów wprowadza się nową wielkość charakteryzującą atom - liczbę masową. Liczba masowa jest to ilość protonów i neutronów wchodzących w skład jądra atomowego.

Więcej w załączniku