Атом є найдрібнішою частинкою хімічного елемента, який зберігає його властивості. Незважаючи на те, що атом містить ядро, яке складається з позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів, а навколо нього обертаються негативно заряджені електрони, атом не розпадається, завдяки фундаментальним силам і енергетичному стану.
Сильна ядерна сила
Найважливішою силою, що утримує ядро, є сильна ядерна сила. Вона є найпотужнішою з чотирьох фундаментальних сил природи і діє на відстанях менше 10-15 метра. Сильна ядерна сила долає відштовхування між позитивно зарядженими протонами в ядрі.
Протони відштовхують один одного за рахунок кулонівської сили. Однак сильна ядерна сила досить сильна, щоб перебороти кулонівську силу і утримувати протони разом з нейтронами. Нейтрони, в свою чергу, не мають електричного заряду і тому не відчувають кулонівського відштовхування. Вони допомагають зв’язати протони і зробити ядро більш стабільним.
Кулонівська сила
Кулонівська сила, також відома як електростатична сила, є силою притягання або відштовхування між зарядженими частинками. В атомі електрони, які обертаються навколо ядра, несуть негативний заряд, тоді як протони в ядрі несуть позитивний заряд.
Оскільки протилежно заряджені частинки притягуються, а однойменно заряджені частинки відштовхуються, кулонівська сила сприяє стабільності атома. Притягання між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженими протонами утримує електрони на своїх орбітах і запобігає їх вильоту з атома.
Баланс сил
Атом залишається стабільним завдяки делікатному балансу між сильною ядерною силою і кулонівською силою. Сильна ядерна сила утримує ядро разом, долаючи кулонівське відштовхування між протонами. З іншого боку, кулонівська сила між електронами і ядром утримує електрони на орбітах, запобігаючи їх витіканню.
Цей баланс сил зумовлює стабільність атома і його здатність зберігати свою структуру і хімічну ідентичність.
Енергетичний бар’єр
Крім фундаментальних сил, атом також стабілізований енергетичним бар’єром. Коли електрони обертаються навколо ядра, вони знаходяться на певних енергетичних рівнях. Зазвичай електрони знаходяться на найнижчому енергетичному рівні, відомому як основний стан.
Щоб електрон міг перейти з основного стану на більш високий енергетичний рівень, він повинен отримати енергію, яка дорівнює різниці в енергії між двома рівнями. Ця енергія називається енергетичним бар’єром.
Енергетичний бар’єр запобігає самовільному розпаду атома. Електрони не можуть вирватися з атома, оскільки для цього потрібна енергія більша, ніж енергетичний бар’єр.
Винятки
Хоча атоми зазвичай стабільні, існують винятки, коли вони можуть розпадатися. Деякі атоми, такі як радіоактивні елементи, нестабільні і з часом розпадаються на більш легкі елементи. Це відбувається, коли енергетичний баланс атома порушений і сильна ядерна сила не може більше долати кулонівське відштовхування між протонами.
Радіоактивний розпад є природним процесом, що відбувається за певних умов, таких як високий рівень нейтронів або нестабільність ядра.
Атом не розпадається тому, що його структуру підтримують фундаментальні сили природи. Сильна ядерна сила утримує ядро разом, а кулонівська сила утримує електрони на орбітах навколо ядра. Крім того, енергетичний бар’єр перешкоджає електронам виходити з атома. Ці сили і енергетичний стан працюють разом, забезпечуючи стабільність атома і його здатність зберігати свою хімічну ідентичність.
1. Запитання: Чому електрони навколо атомного ядра не падають на ядро?
відповідь: Електрони навколо атомного ядра не падають на ядро завдяки принципу невизначеності Гейзенберга. Цей принцип стверджує, що неможливо одночасно точно визначити положення і швидкість електрона. Тому електрони існують у хмароподібній орбіталі навколо ядра, а не точно в одному місці. Ця орбіталь створює буферну зону, яка запобігає падінню електронів на ядро.
2. Запитання: Чому протони і нейтрони в атомному ядрі не відштовхуються один від одного, адже вони мають позитивний заряд?
Відповідь: Протони в атомному ядрі дійсно відштовхуються один від одного, але ядерні сили, які діють між ними, набагато сильніші, ніж електростатичне відштовхування. Ядерні сили, відомі як сильна взаємодія, є найсильнішими фундаментальними силами в природі. Вони притягують протони до ядра, незважаючи на їх позитивний заряд.
3. Запитання: Чому атоми інертних газів не вступають у хімічні реакції?
Відповідь: Атоми інертних газів не вступають у хімічні реакції, оскільки їх зовнішня електронна оболонка повністю заповнена. Оскільки електрони не можуть потрапляти на заповнену оболонку, атоми інертних газів є хімічно інертними. Вони дуже стабільні і не потребують отримання або втрати електронів.
4. Запитання: Чому атоми радіоактивних елементів розпадаються?
Відповідь: Атоми радіоактивних елементів розпадаються, оскільки їх ядра нестабільні. Нестабільність може бути спричинена надлишком або недоліком нейтронів у ядрі. Атом випромінює радіоактивне випромінювання (альфа-, бета- або гамма-промені) у спробі досягти стабільного співвідношення протонів і нейтронів.
5. Запитання: Чому атомна бомба розпадається з вивільненням великої кількості енергії?
Відповідь: Атомна бомба розпадається з вивільненням великої кількості енергії внаслідок ланцюгової реакції ядерного поділу. Надкритична маса розщеплюваного матеріалу, як правило, плутонію або урану, розпадається і вивільняє нейтрони. Ці нейтрони, у свою чергу, розщеплюють інші атоми, вивільняючи ще більше нейтронів. Ця ланцюгова реакція викликає вибухову детонацію, яка вивільняє величезну кількість енергії в результаті масово-енергетичного рівняння Ейнштейна (E=mc²).