Атом гэж юу вэ ?
Атом ньтухайн элементийн химийн шинж чанарыг хадгалж байдагхамгийн жижиг нэгж бөгөөд протон, нейтрон, электрон гэсэн бөөмсөөс тогтдог.
Атом бол материйг бүрдүүлэгч суурь бүтэц юм. Биднийг хүрээлж буй бүхий л зүйлс болох агаар, ус, чулуу, ургамал, амьтад болон бидний биеийн доторх бүх зүйл атомуудаас бүрддэг.
Атом нь маш жижиг бөгөөд тухайн элементийн химийн шинж чанарыг хадгалж үлддэг хамгийн жижиг хэсэг юм. Эртний Грекчүүд атомыг цааш задрах боломжгүй, оршин буй хамгийн жижиг бөөмс гэж үздэг байсан бөгөөд “атом” гэдэг үг нь грек хэлний “хуваагдашгүй” гэсэн утгатай үгнээс үүсэлтэй. Хүний нэг ширхэг үс нь давхарлан байруулсан 500 000 нүүрстөрөгчийн атомтай тэнцэх зузаантай байдаг.
| Дээрхи гэрэл зурагт Стронций хэмээх металлын ганцатом лазерын гэрлийг шингээн авч, буцаан ялгаруулж байгааг харуулж байна. Зурагт харагдаж буй электродууд хоорондоо хоёрмиллиметрийн зайтай. (Гэрэл зураг: Дэвид Надлингер/Оксфордын их сургууль) |
Атомуудыг нүдээр болон энгийн гэрлийн микроскопоор харах боломжгүй. Учир нь атом бол үзэгдэх гэрлийн долгионыг хазайлгаж чадахааргүй хэт жижиг байдаг тул гэрэлд суурилсан микроскопоор ажиглагдахгүй. Харин атомуудтай харилцан үйлчилж чаддаг электроны долгион үүсгэдэг электрон микроскопоор атомуудыг харж болно. Дээрх зурагт атом нь лазерын гэрлийг шингээн авч, буцаан цацруулж буйг харуулж байна
Атомууд юунаас тогтдог вэ?
Атом бүр протон, нейтрон, электрон гэсэн гурван төрлийн бөөмсөөс тогтоно. Атомын төв хэсэгт маш нягт цөм байрлах бөгөөд цөм нь протон ба нейтроноос бүрддэг ба атомынхаа өчүүхэн жижиг зайг эзэлнэ. Хэрвээ атомын цөмийг “шилэн бөмбөлөг”– ийн хэмжээтэй гэж үзвэл, тухайн атомын хэмжээ нь спортын цэнгэлдэх хүрээлэн шиг хэмжээтэй юм.
Протонууд эерэг цахилгаан цэнэгтэй, харин нейтронууд цэнэггүй байдаг. Цөм буюу протон, нейтрон нь “цөмийн хүч” хэмээх хүчний нөлөөгөөр тогтвортой баригдана. Энэ хүч нь протон ба нейтронуудыг цөмийн хэмжээтэй ойролцоо зайд барьж байдаг. Ийм зайд цөмийн хүч нь протонуудын хооронд үүсэх цахилгаан түлхэлцлээс (ижил цэнэгтэй тул протонууд нь хоорондоо түлхэлцэнэ) илүү хүчтэй байдаг. Харин энэ зай холдох тусам цөмийн хүч маш хурдан багасаж бараг нөлөөгүй болдог.
Атомын цөм дэх протоны тоогоортухайн атом ямар элемент болохыг тодорхойлдог. Жишээлбэл, нэг протонтой атом нь устөрөгч, харин найман протонтой атом нь хүчилтөрөгч юм. Цөмийг тойрон сөрөг цэнэгтэй бөөмс болох электронуудын үүл байрладаг. Атомын цөм ба электронууд нь Кулоны хүчний харилцан үйлчлэлээр (цэнэгтэй бөөмсийн хоорондын таталцал, түлхэлцлийг тайлбарладаг физикийн хүч) холбогдож байдаг. Гэвч электрон нэмэлт энерги авбал, атомоос сугарч гарна. Ингэснээр атом эерэг цэнэгтэй ион болж хувирна.
Ион гэж юу вэ?
Сөрөг цэнэгтэй электрон болон эерэг цэнэгтэй протоны тоо тэнцүү байгаа атом нь саармаг байдаг. Учир нь эдгээр цэнэгүүд нэгийгээ тэнцвэржүүлдэг. Харин атом электрон нэмж авах эсвэл алдах үед тухайн атом ион болж хувирна
Саармаг атомын цахилгаан орон сул байдаг бол, цахилгаан цэнэгтэй буюу иончлогдсон атом нь хүчтэй цахилгаан оронтой байдаг. Иймээс эсрэг цэнэгтэй ион болон молекулуудтай хүчтэйтаталцдаг. Атомуудыг бусад атом, ион болон дэд атомынбөөмстэй мөргөлдөх замаар иончилж болно. Мөн гамма туяа эсвэл рентген туяанд өртөхөд иончлогддог. Ионжуулагч цацраг гэдэг нь атомоос электроныг салгаж чадахуйц хангалттай их энергитэй цацрагийг хэлнэ. Ийм цацраг нь бодисын химийн бүтцийг өөрчилж чаддаг. Жишээлбэл, амьд биетийн ДНХ-г гэмтээж болно.
Дэлхий дээрх ихэнх атомууд тогтвортой байдаг нь голчлон цөм дэх бөөмсийн (протон ба нейтрон) тэнцвэртэй бүтэцтэй холбоотой юм.
Гэвч зарим төрлийн тогтворгүй атомын хувьд цөм дэх протон, нейтроны тооны харьцаа нь эдгээр бөөмсийг хооронд нь барьж тогтоохболомж олгодоггүй. Ийм тохиолдолд атом “задралд орж”, энерги ялгаруулна. Энэ ялгарсан энерги(жишээлбэл, альфа бөөмс, бета бөөмс, гамма цацраг эсвэл нейтрон)-ийг аюулгүйгээр,зөв ашиглаваолон төрлийн ашиг тустай хэрэглээ бий болгох боломжтой.
1917 онд Эрнест Резерфорд хэмээх эрдэмтэн цацраг идэвхт альфа бөөмөөр азотын хийг чиглүүлэн буудах замаар азотын атомыгхүчилтөрөгчийн атомболгон хувиргаж, үүнээс устөрөгчийн цөмсугаран гарч байгааг нээсэн.Энэхүү дэд атомын бөөм (устөрөгчийн цөм) нь хожим протон хэмээн нэрлэгдсэн юм.
Бөөмийн хурдасгуурыг мөн цацраг идэвхт материал үүсгэхэд ашигладаг. Үүний тулд цэнэгтэй бөөмсийг атомууд руу чиглүүлж буудах замаар тэдгээрийг өөр, тогтворгүй атом болгон хувиргана. Жишээлбэл: эмнэлгийн дүрс оношилгоонд ашигладаг технеций-99m болон хавдрын зорилтот эмчилгээнд хэрэглэдэг цацраг идэвхт изотопуудыг ийм замаар гарган авдаг.
Өнөөдөр бөөмийн хурдасгуурыг эмнэлгийн багаж хэрэгслийг ариутгах, орчлон ертөнцийн үүслийг судлах (жишээлбэл, Аварга том Хадрон Коллайдер), агаарын дээжийг шинжлэх болон материалын шинж чанарыг сайжруулж гэмтэлд тэсвэртэй болгох зэрэг олон салбарт ашиглаж байна. Бөөмсийн хурдасгуурын төрөлд ион суулгагч , электроны цацрагийн хурдасгуур, циклотрон, синхротрон, шугаман хурдасгуур (Linac) болон электростатик хурдасгуур орно.
Атомыг хуваах нь: Цөмийн задрал
1930-аад онд эрдэмтэд зарим төрлийн ураны атом руу нейтроноорбуудахад, тэдгээр атом хоёр хэсэгт хуваагдаж, тодорхой тооны нейтрон ялгаруулан, асар их энерги чөлөөлдөг болохыг тогтоожээ. Үүнийг цөмийн задралгэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нэр нь латин хэлний “хуваах” гэсэн утгатай үгнээс гаралтай.
Уран нь 92 протонтой бөгөөд дэлхий дээрх байгалийн гаралтай элементүүд дундаас хамгийн өндөр атомын дугаартай элемент юм. Уран-235 нь бусад изотопуудаас хялбархан хуваагддагбөгөөд түүний цөм харьцангуй тогтворгүй бөгөөд нейтроныг амархан шингээж авснаар хоёр хөнгөн атомболон хуваагддаг. Гэвч дэлхий дээрх ураны ердөө 0.7 хувь нь ийм төрлийн, өөрөөр хэлбэл хуваагдах чадвартай уран байдаг.
Энэ задралыг ашиглан цөмийн гинжин урвал үүсгэж болно. Уран-235 – ын атом бүр хуваагдах бүрдээ дунджаар 2.5 нейтрон ялгаруулдаг. Эдгээр нейтронууд нь цаашлаад бусад хуваагдах чадвартай цөмүүдийг дахин хуваах замаар илүү олон нейтрон ялгаруулах боломжтой. Гэхдээ анх ялгарсан эдгээр “хурдан” нейтронууд нь хэт их энергитэй тул хуваагдал үүсгэхэд төдийлөн үр дүнтэй байдаггүй. Иймээс ус эсвэл графит зэрэг “удаашруулагч” материалыг ашиглан нейтронуудын хурдыг багасгадаг. Нейтронууд устөрөгч эсвэл нүүрстөрөгчийн атомуудтай мөргөлдөх явцдаа энергийнхээ ихэнхийг алдаж, “дулааны” буюу “удаан” нейтронууд болж хувирдаг. Ийм нейтронууд нь бусад ураны цөмийг хуваах магадлал илүү өндөр байдаг.
Өнөө үед цөмийн задралын технологийг ашиглан дэлхийн нийт нүүрстөрөгч ялгаруулдаггүй эрчим хүчний ойролцоогоор 10%-г үйлдвэрлэж байна. Учир нь цөмийн задрал нь нүүрстөрөгчийн давхар исэл ялгаруулдаггүй.
Цөмийн нэгдэх урвалын үед атомуудад юу тохиолддог вэ?
Цөмийн нэгдэх урвал гэдэг нь хоёр хөнгөн атомын цөм нэгдэж, илүү хүнд нэг цөм үүсэх ба энэ явцад асар их хэмжээний энерги ялгаруулах процессыг хэлнэ. Энэ онолыг анх 1920-иод онд эрдэмтэд таньж, ойлгож эхэлсэн байна.
Цөмийн нэгдэх урвал нь плазм хэмээх бодисын төлөвт явагддаг. Плазм гэдэг нь эерэг ионууд болон чөлөөт хөдөлгөөнтэй электронуудаас тогтсон, өндөр температуртай, цэнэгтэй хий бөгөөд хатуу, шингэн, хий төлөвөөс ялгаатай өвөрмөц шинж чанартай.
Нар болон бусад бүх одод дээр цөмийн нэгдэх урвал явагдаж байдаг. Цөмийн нэгдэх урвал явагдахын тулд цөмүүд хоорондоо маш өндөр температурт, ойролцоогоор 100 сая цельсийн хэмд мөргөлдөх шаардлагатай. Ийм өндөр температур нь цөмүүдэд хоорондын цахилгаан түлхэлцлийн хүчийг даван туулах хангалттай энергийг өгдөг. Цөмүүд хоорондоо маш ойрхон зайд хүрэх үед тэдгээрийн хооронд үйлчлэх цөмийн хүч нь цахилгаан түлхэлцлээс давж, цөмүүдийг нэгдэх боломжтой болгодог. Үүний тулд цөмүүдийг бага орон зайд барьж, мөргөлдөх магадлалыг нэмэгдүүлэх шаардлагатай. Нарны хувьд, түүний асар их татах хүчнээс үүсэх хэт өндөр даралт нь цөмийн нэгдэх урвал явагдах нөхцөлийг бүрдүүлдэг.