Estudando a composição da matéria, os cientistas chegaram à conclusão de que toda a matéria consiste em moléculas e átomos. Por muito tempo, o átomo (traduzido do grego como "indivisível") foi considerado a menor unidade estrutural da matéria. No entanto, estudos posteriores mostraram que o átomo tem uma estrutura complexa e, por sua vez, inclui partículas menores.
Do que é feito um átomo?
Em 1911, o cientista Rutherford sugeriu que o átomo tem uma parte central com carga positiva. Foi assim que surgiu o conceito de núcleo atômico.
De acordo com o esquema de Rutherford, chamado de modelo planetário, um átomo consiste em um núcleo e partículas elementares com carga negativa - elétrons movendo-se ao redor do núcleo, assim como os planetas orbitam ao redor do Sol.
Em 1932, outro cientista, Chadwick, descobriu o nêutron, uma partícula que não tem carga elétrica.
Segundo conceitos modernos, a estrutura do núcleo atômico corresponde ao modelo planetário proposto por Rutherford. O núcleo é transportadoa maior parte da massa atômica. Também tem carga positiva. O núcleo atômico contém prótons - partículas carregadas positivamente e nêutrons - partículas que não carregam carga. Prótons e nêutrons são chamados de nucleons. Partículas carregadas negativamente - elétrons - orbitam ao redor do núcleo.
O número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons que se movem em órbita. Portanto, o próprio átomo é uma partícula que não carrega uma carga. Se um átomo captura os elétrons de outras pessoas ou perde os seus próprios, então ele se torna positivo ou negativo e é chamado de íon.
Elétrons, prótons e nêutrons são coletivamente referidos como partículas subatômicas.
A carga do núcleo atômico
O núcleo tem um número de carga Z. É determinado pelo número de prótons que compõem o núcleo atômico. Descobrir esse valor é simples: basta consultar o sistema periódico de Mendeleev. O número atômico do elemento ao qual um átomo pertence é igual ao número de prótons no núcleo. Assim, se o elemento químico oxigênio corresponder ao número de série 8, o número de prótons também será igual a oito. Como o número de prótons e elétrons em um átomo é o mesmo, haverá também oito elétrons.
O número de nêutrons é chamado de número isotópico e é denotado pela letra N. Seu número pode variar em um átomo do mesmo elemento químico.
A soma de prótons e elétrons no núcleo é chamada de número de massa de um átomo e é denotada pela letra A. Assim, a fórmula para calcular o número de massa fica assim: A=Z+N.
Isótopos
No caso em que os elementos têm um número igual de prótons e elétrons, mas um número diferente de nêutrons, eles são chamados de isótopos de um elemento químico. Pode haver um ou mais isótopos. Eles são colocados na mesma célula do sistema periódico.
Isótopos são de grande importância em química e física. Por exemplo, um isótopo de hidrogênio - deutério - em combinação com oxigênio fornece uma substância completamente nova, chamada água pesada. Tem um ponto de ebulição e congelamento diferente do habitual. E a combinação de deutério com outro isótopo de hidrogênio - trítio leva a uma reação de fusão termonuclear e pode ser usada para gerar uma enorme quantidade de energia.
Massa do núcleo e partículas subatômicas
Os tamanhos e massas dos átomos e partículas subatômicas são desprezíveis nos conceitos humanos. O tamanho dos grãos é de aproximadamente 10-12cm. A massa de um núcleo atômico é medida em física nas chamadas unidades de massa atômica - amu
Para uma amu tomar um duodécimo da massa de um átomo de carbono. Usando as unidades de medida usuais (quilogramas e gramas), a massa pode ser expressa da seguinte forma: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Expressa desta forma, é chamada de massa atômica absoluta.
Apesar do fato de que o núcleo atômico é o componente mais massivo do átomo, suas dimensões em relação à nuvem de elétrons ao seu redor são extremamente pequenas.
Forças Nucleares
Núcleos atômicos são extremamente estáveis. Isso significa que prótons e nêutrons são mantidos no núcleo por algumas forças. não épode haver forças eletromagnéticas, já que os prótons são partículas com carga semelhante, e sabe-se que partículas com a mesma carga se repelem. As forças gravitacionais são muito fracas para manter os núcleons juntos. Portanto, as partículas são mantidas no núcleo por uma interação diferente - forças nucleares.
A interação nuclear é considerada a mais forte de todas as existentes na natureza. Portanto, esse tipo de interação entre os elementos do núcleo atômico é chamado de forte. Está presente em muitas partículas elementares, bem como em forças eletromagnéticas.
Características das forças nucleares
- Ação curta. As forças nucleares, ao contrário das forças eletromagnéticas, manifestam-se apenas a distâncias muito pequenas comparáveis ao tamanho do núcleo.
- Independência de carga. Essa característica se manifesta no fato de que as forças nucleares atuam igualmente em prótons e nêutrons.
- Saturação. Os nucleons do núcleo interagem apenas com um certo número de outros nucleons.
Energia de Ligação do Núcleo
Outra coisa está intimamente ligada ao conceito de interação forte - a energia de ligação dos núcleos. Energia de ligação nuclear é a quantidade de energia necessária para dividir um núcleo atômico em seus núcleons constituintes. É igual à energia necessária para formar um núcleo a partir de partículas individuais.
Para calcular a energia de ligação de um núcleo, é necessário conhecer a massa das partículas subatômicas. Os cálculos mostram que a massa de um núcleo é sempre menor que a soma de seus núcleons constituintes. O defeito de massa é a diferença entrea massa do núcleo e a soma de seus prótons e elétrons. Usando a fórmula de Einstein sobre a relação entre massa e energia (E=mc2), você pode calcular a energia gerada durante a formação do núcleo.
A força da energia de ligação do núcleo pode ser julgada pelo seguinte exemplo: a formação de vários gramas de hélio produz tanta energia quanto a combustão de várias toneladas de carvão.
Reações nucleares
Os núcleos dos átomos podem interagir com os núcleos de outros átomos. Essas interações são chamadas de reações nucleares. Existem dois tipos de reações.
- Reações de fissão. Eles ocorrem quando núcleos mais pesados se quebram em mais leves como resultado da interação.
- Reações de síntese. O processo é o inverso da fissão: os núcleos colidem, formando elementos mais pesados.
Todas as reações nucleares são acompanhadas pela liberação de energia, que é posteriormente utilizada na indústria, nas forças armadas, na energia e assim por diante.
Familiarizando a composição do núcleo atômico, podemos tirar as seguintes conclusões.
- O átomo consiste em um núcleo contendo prótons e nêutrons, e elétrons ao seu redor.
- O número de massa de um átomo é igual à soma dos núcleons de seu núcleo.
- Nuclons são mantidos juntos pela força forte.
- As enormes forças que mantêm o núcleo atômico estável são chamadas de energias de ligação nuclear.
