Ատոմներ և մոլեկուլներ

Դեռևս մ.թ.ա. 300-ական թվականներին Հին Հունաստանում փիլիսոփաները գիտեին, որ ցանկացած նյութ կարելի է անհաշիվ անգամ բաժանել մասերի. քարը կարելի է փշրել և դարձնել փոշի, ջուրը կարելի է շաղ տալ, և այն կգոլորշիանա՝ կվերածվի գոլորշու: Վերջինս բաղկացած է այնպիսի մանր մասնիկներից, որոնց տեսնելն անհնար է: Հույներին հետաքրքրում էր, թե մինչև ի՞նչ աստիճան կարելի է մասնատել նյութը. հավանաբար պետք է գոյություն ունենան այնպիսի փոքր մասնիկներ, որոնք ոչ մի ուժով հնարավոր չէ այլևս բաժան-բաժան անել: Այդպիսի մասնիկներն էլ հին հույներն անվանել են ատոմներ, որ նշանակում է «անբաժանելի»:

 

Եվ ահա գիտնականներն սկսեցին զբաղվել նյութերը բաղադրիչ մասերի տրոհելով: Մինչև XIX դարի կեսը նրանք հայտնագործել էին մոտ 70 «պարզ նյութեր», այսինքն՝ նյութեր, որոնք քիմիական եղանակով հնարավոր չէր տրոհել: Ներկայումս գիտնականները պարզել են, որ այն ամենը, ինչ գոյություն ունի բնության մեջ, կազմված է մոտ 100 հիմնական նյութերից, որոնց անվանում են տարրեր: Իսկ ընդհանուր տարրերի թիվն ավելի շատ է, շուրջ 110, որոնց մի մասը հազվադեպ է հանդիպում, որոշներն էլ անկայուն են: Ատոմը տարրի փոքրագույն մասնիկն է, որը դեռևս պահպանում է տարրի հիմնական հատկությունները: Ատոմի չափերը պատկերացնելու համար ասենք, որ սովորական կետի տրամագիծը կազմելու համար կպահանջվեր ավելի քան 4 մլրդ ատոմ: Մոտ 200 տարի առաջ անգլիացի գիտնական Ջոն Դալտոնը պարզեց, որ տարբեր տարրերի ատոմները տարբեր են: Ներկայումս մենք արդեն գիտենք, որ յուրաքանչյուր տարր ունի ատոմի իր տեսակը. օրինակ՝ ածխածնի ատոմները տարբերվում են թե՜ թթվածնի և թե՜ կալցիումի ատոմներից, և, առհասարակ, որքան տարրեր, այնքան էլ ատոմի տեսակներ կան: Քիմիական ռեակցիաների ժամանակ տարբեր նյութերի ատոմները միանում և կազմում են բոլորովին նոր նյութեր՝ միացություններ: Օրինակ՝ ջուրը 2 տարրերի՝ ջրածնի և թթվածնի միացություն է. ջրի մոլեկուլը բաղկացած է թթվածնի 1 և ջրածնի 2 ատոմներից:

 

Ամենապարզ մոլեկուլները պարունակում են ընդամենը 2 կամ 3, երբեմն՝ նույն տարրի ատոմներ: Սակայն խոշոր մոլեկուլները կարող են կազմված լինել միլիոնավոր ատոմներից: Բուսական և կենդանական օրգանիզմների բազմաթիվ մոլեկուլներ հենց այդպիսի բարդ կառուցվածք ունեն: Մարդու մարմինը կազմող մոլեկուլները հիմնականում բաղկացած են 4 տարրերից՝ թթվածնից, ածխածնից, ջրածնից և ազոտից:

 

Ատոմի կառուցվածքը: XIX դարի վերջին ֆիզիկոսները հայտնաբերեցին, որ գոյություն ունեն այնպիսի մանրագույն մասնիկներ, որոնք մոտ 2 հզ. անգամ փոքր են ատոմներից: Ջ. Ջ. Թոմսոնը 1897 թ-ին հայտնաբերեց, որ ատոմներից կարող են անջատվել էլեկտրական լիցքավորված շատ փոքրիկ մասնիկներ. դրանց անվանեցին էլեկտրոններ: Ավելի ուշ ֆիզիկոսներն ապացուցեցին, որ ատոմը բարդ կառուցվածք ունի: 

 

1911 թ-ին Էռնեստ Ռեզերֆորդը դիտարկեց, թե ինչպես է ոսկու նրբաթիթեղը շեղում իր վրա ուղղված ատոմի մասնիկները, և եկավ այն եզրակացության, որ ատոմը գլխավորապես  կազմված է դատարկ տարածության կենտրոնում հավաքված նյութի խտուցքից: Այդ խտուցքը Ռեզերֆորդն անվանեց ատոմի միջուկ: Այնուհետև Ռեզերֆորդն առաջարկեց ատոմի կառույցի մոլորակային մոդելը, համաձայն որի`   էլեկտրոնները պտտվում են միջուկի շուրջը, ինչպես մոլորակները՝ Արեգակի շուրջը: Այնուհետև պարզվեց, որ ատոմի միջուկները նույնպես բաժանելի են: Դրանք կազմված են դրական էլեկտրական լիցք ունեցող պրոտոններից և լիցք չունեցող, չեզոք նեյտրոններից, որոնք միջուկում հզոր ուժերով կապված են իրար: Յուրաքանչյուր ատոմում պարունակվում են մի¬ևնույն թվով էլեկտրոններ ու պրոտոններ, և արդյունքում՝ ատոմներն էլեկտրաչեզոք են՝ լիցք չունեն: Ժամանակակից գիտական պատկերացման համաձայն՝ ավելի ճիշտ կլինի էլեկտրոնները պատկերացնել որպես էլեկտրական լիցքերի ամպ: Էլեկտրոնների վարքը ֆիզիկոսները նկարագրում են քվանտային մեխանիկայի մաթեմատիկական ապարատի օգնությամբ: Իսկ պրոտոններն ու նեյտրոնները, ըստ գիտնականների կարծիքի, կազմված են ավելի մանր մասնիկներից՝ քվարկներից:

 

Տարբեր տարրերի ատոմներում պարունակվում են տարբեր քանակությամբ մասնիկներ: Ամենաթեթև տարրի՝ ջրածնի ատոմի միջուկում կա ընդամենը 1 պրոտոն, իսկ ամենածանր տարրերից մեկի՝ ուրանի միջուկում՝ 92 պրոտոն: Ցանկացած որոշակի տարրի բոլոր ատոմներում կան նույն թվով պրոտոններ և էլեկտրոններ, իսկ նեյտրոնների քանակը կարող է տարբերվել: Նույն տարրի այդպիսի տարբերակներն անվանում են իզոտոպներ: Դրանք միմյանցից տարբերելու նպատակով տարրի անվանումից հետո դնում են միջուկում եղած նուկլոնների քանակը ցույց տվող թիվը: Օրինակ՝ ուրան-235-ը ուրանի այն իզոտոպն է, որը պարունակում է 235 նուկլոն:

 

Տրոհում և սինթեզ: Որոշ ատոմների միջուկներ անկայուն են և որոշակի ժամանակում տրոհվում են՝ արձակելով փոքրագույն մասնիկներ, իսկ երբեմն էլ՝ բարձր էներգիայի ալիքներ: Այդպիսի ատոմներն անվանում են ռադիոակտիվ: Ինչպես մասնիկները, այնպես էլ ալիքներն իրենց մեջ կրում են մինչ այդ միջուկում պահված էներգիան:

Ուրան-235-ը ռադիոակտիվ է: Սովորական վիճակում նրա միջուկները շատ դանդաղ են տրոհվում: Սակայն այդ շարժընթացը կարելի է արագացնել, օրինակ, միջուկային ռեակտորում: Այդպիսի ռեակտորում ուրան-235-ի ատոմները ռմբարկվում են նեյտրոններով, որոնց հարվածներից ուրան-235-ի միջուկը ճեղքվում է՝ անջատելով էներգիա և նոր նեյտրոններ: Անջատված նեյտրոնները ճեղքում են այլ միջուկներ, որոնցից անջատված նեյտրոնները իրենց հերթին՝ ուրիշ միջուկներ, և այդպես շարունակ՝ շղթայական ռեակցիայով:

 

Ճեղքման այսպիսի շարժընթացն անվանում են միջուկային տրոհում: Ատոմային էլեկտրակայաններում տեղի ունեցող շղթայական ռեակցիան ապահովում է ջերմության մշտական անջատում: Իսկ ատոմային զենքերում առաջանում է անկառավարելի շղթայական ռեակցիա, և վայրկենապես անջատվում է հսկայական քանակությամբ էներգիա, որը կործանարար ազդեցություն ունի:

 

Միջուկային էներգիան կարող է անջատվել նաև այլ կերպ՝ ջրածնի միջուկների միավորումից (միացումից): Դրան անվանում են միջուկային սինթեզ: Այս սինթեզից է առաջանում Արեգակից անջատվող էներգիան:

Ջրածնային ռումբի հզորությունը նույնպես այդ սինթեզի արդյունք է: Միջուկային սինթեզով աշխատող էլեկտրակայանների նախագծումն ու կառուցումը դեռևս գտնվում է մշակման փուլում, սակայն այդ էլեկտրակայանները XXI դարում կարող են դառնալ էներգիայի կարևոր աղբյուրներ: