Στο Εσωτερικό του Ατόμου

Έρνεστ Ράδερφορντ (1871-1937).

Το 1896 μια τυχαία παρατήρηση του Γάλλου φυσικού Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ (1852-1908), καθώς και οι μελέτες για την ραδιενέργεια των Μαρί (1867-1934) και Πιέρ Κιουρί (1859-1906), οδήγησαν τον Νεοζηλανδό Έρνεστ Ράδερφορντ (1871-1937) να ανακοινώσει το 1911 στο Κέμπριτζ της Αγγλίας ότι το άτομο περιελάμβανε στο εσωτερικό του υποατομικά σωματίδια. Σύμφωνα με την ανακοίνωση αυτή ολόκληρη σχεδόν η μάζα του ατόμου ήταν συμπυκνωμένη σ’ έναν μικροσκοπικό πυρήνα του οποίου η διάμετρος ήταν 100.000 φορές μικρότερη από την ολική διάμετρο του ατόμου. Πράγμα που σημαίνει ότι αν είχαμε μια άδεια σφαίρα στο μέγεθος ενός ατόμου θα χρειαζόμασταν χίλια τρισεκατομμύρια πυρήνες για να την γεμίσουμε.

Οι πειραματικές έρευνες του Ράδερφορντ απέδειξαν ότι ο ατομικός πυρήνας περιείχε ένα τουλάχιστον είδος σωματιδίων, με θετικό ηλεκτρικό φορτίο, που ονόμασε proton (από την αντίστοιχη Ελληνική λέξη) αφού το σωματίδιο αυτό ήταν το πρώτο που βρέθηκε. Έτσι στα Ελληνικά χρησιμοποιούμε σήμερα τη λέξη πρωτόνιο για να χαρακτηρίσουμε αυτό το είδος των σωματιδίων. Γύρω από τον πυρήνα βρίσκονταν ακόμη πιο μικρά σωματίδια με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, και μάζα 1.836 φορές μικρότερη από την μάζα του πρωτονίου, που ονομάστηκαν ηλεκτρόνια. Η ύπαρξη φυσικά των ηλεκτρονίων είχε υπολογιστεί για πρώτη φορά το 1897 από τον Άγγλο φυσικό Τζόζεφ Τόμσον (1856-1940), έπρεπε όμως να περάσουν αρκετές δεκαετίες για την ανακάλυψη και του τρίτου από τα λεγόμενα στοιχειώδη σωματίδια του ατόμου. Το 1932 λοιπόν ο Άγγλος φυσικός Τζέημς Τσαντγουικ (1891-1974) πρότεινε ότι στον πυρήνα του ατόμου θα ‘πρεπε να υπάρχουν εκτός από τα πρωτόνια και ένα ή περισσότερα ουδέτερα σωματίδια, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο και μάζα 1.839 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του ηλεκτρονίου. Τα σωματίδια αυτά ονομάστηκαν νετρόνια.

Μ’ αυτή την διάταξη στον πυρήνα ενός ατόμου έχουμε ένα σύνολο πρωτονίων και νετρονίων και τον ίδιο (με τα πρωτόνια) αριθμό ηλεκτρονίων σε τροχιά ή τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Μ’ αυτόν τον τρόπο σ’ ένα τέτοιο άτομο το ηλεκτρικό φορτίο είναι ισορροπημένο αλλά ο πυρήνας περιλαμβάνει 3.675 φορές την μάζα που έχουν τα ηλεκτρόνια. Ο πυρήνας δηλαδή περιλαμβάνει το 99,97279% της μάζας του ατόμου. Παρ’ όλα αυτά ο πυρήνας του ατόμου είναι τόσο μικρός ώστε αν τον μεγεθύναμε ένα τρισεκατομμύριο φορές θα είχε το μέγεθος του κεφαλιού μιας καρφίτσας. Σ’ αυτή τη μεγέθυνση τα ηλεκτρόνια θα περιφέρονταν γύρω από τον πυρήνα σε απόσταση μερικών μέτρων, που σημαίνει ότι το άτομο σαν σύνολο θα είχε το μέγεθος ενός αρκετά μεγάλου δωματίου.

Ο αριθμός των πρωτονίων που έχει ο πυρήνας ενός στοιχείου ονομάζεται ατομικός αριθμός και είναι πάντοτε σταθερός για ένα δεδομένο στοιχείο, αποτελώντας έτσι ένα είδος αριθμού ταυτότητάς του. Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο και με τον αριθμό των νετρονίων που έχει. Ο πυρήνας του οξυγόνου για παράδειγμα έχει πάντοτε 8 πρωτόνια, αλλά ο αριθμός των νετρονίων του μπορεί να είναι είτε 8, είτε 9, είτε 10. Οι πυρήνες αυτοί, με τον διαφορετικό αριθμό νετρονίων, ονομάζονται ισότοποι, και τα χημικά στοιχεία (που έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες) ονομάζονται ισότοπα. Για να προσδιορίσουμε, λοιπόν, επακριβώς κάποιο από τα ισότοπα ενός χημικού στοιχείου, χρησιμοποιούμε τον συνολικό αριθμό των πρωτονίων και νετρονίων που έχει ο πυρήνας του. Ο αριθμός αυτός ονομάζεται μαζικός αριθμός του ισοτόπου και αναγράφεται δίπλα από το χημικό του σύμβολο. Ετσι στην περίπτωση των τριών ισοτόπων του Οξυγόνου έχουμε το Ο-16, το Ο-17, και το Ο-18.

Υπάρχει φυσικά η περίπτωση όπου οι πυρήνες δύο διαφορετικών χημικών στοιχείων έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό, όπως για παράδειγμα οι πυρήνες του Λιθίου (Li) και του Βηρυλλίου (Be) έχουν μαζικό αριθμό 7, παρ’ όλο που το Λίθιο έχει ατομικό αριθμό 3 και το Βηρύλλιο 4. Το τι συμβαίνει δηλαδή εδώ είναι ότι ο πυρήνας του Λιθίου έχει 3 πρωτόνια και 4 νετρόνια, ήτοι συνολικά 7, ενώ ο πυρήνας του Βηρυλλίου έχει 4 πρωτόνια και 3 νετρόνια, αλλά πάλι συνολικά ο μαζικός του αριθμός είναι 7. Οι πυρήνες λοιπόν αυτοί ονομάζονται ισοβαρείς.

Έτσι στη δεκαετία του 1930 η γενική μορφή που είχαμε για την ύλη στο Σύμπαν ήταν ότι τα πάντα στη φύση αποτελούνται από άτομα διαφόρων (92) χημικών στοιχείων. Το πιο διαδεδομένο απ’ όλα αυτά τα στοιχεία είναι το υδρογόνο γιατί αποτελεί το 93% του συνολικού αριθμού των ατόμων στο Σύμπαν, και το 75% της συνολικής του μάζας. Το ήλιο έρχεται δεύτερο με το 7% του συνολικού αριθμού ατόμων, και το 24% της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Τα υπόλοιπα 90 χημικά στοιχεία περιορίζονται στο ένα μόνο εκατοστό των ατόμων και της μάζας του Σύμπαντος.

Πηγή: Διον. Π. Σιμόπουλου:  «Η Βιογραφία του Σύμπαντος», Αθήνα: Ερευνητές, 2008.

Φωτ.: wikipedia