Aatomi ja aatomituuma ehitus. Tuumajõud

Ajaloost. Aine koosneb aatomitest ja molekulidest, mis on pidevas soojusliikumises. Aineosakeste soojusliikumise kaudu saame meie poolt vaadeldud soojusnähtustele anda suhteliselt lihtsa seletuse. Meid ei huvitanud, kas aatomitel ja molekulidel on ka mingi sisemine struktuur ja seetõttu võisime neid piltlikult ette kujutada väikeste elastsete kerakestena, mis on pidevas oma­vahelises liikumises ja seotud vastastikuste molekulaar­jõududega. Kuigi aatomite ja molekulide mõõtmed on võrreldes meie tavamaailma objektidega üliväikesed (läbimõõt suurusjärgus 10^–10 kuni 10^–8 meetrit) ja seetõttu meile nähtamatud, saime nende liikumist ka piltlikult ette kujutada. Nii näiteks vaatame gaasi kui mingis anumas olevat hõredat elastsete kerakeste süsteemi, kus kerakesed liiguvad erinevates suundades ja erinevate kiirustega, põrkudes nii omavahel kui ka anuma seintega.

19. sajandi keskel avastasid Saksa teadlased, füüsik Gustav Kirchhoff (1824–1887) ja keemik Robert Bunsen (1811–1899) aatomite spektrid. Nad leidsid, et aatomid kiirgavad erineva lainepikkusega valgust, s.t iga keemilise elemendi spektris on kindla lainepikkusega ja ainult sellele elemendile iseloomulikud spektrijooned.

See pani aluse spektraalanalüüsile, aine koostise määramisele selle spektrijoonte kaudu. Oli ilmne, et aatom ei saa olla jagamatu ja struktuuritu moodustis, sest valguse kiirgumine toimub aatomites ja selle käigus peab seal midagi muutuma.

19. sajandi lõpus, 1897. aastal avastaski Inglise füüsik, Nobeli preemia laureaat Joseph John Thomson ühe aatomi koosseisu kuuluva osakese – elektroni. See tõestas, et aatomid ei ole jagamatud algosakesed, vaid koosnevad omakorda teatavatest väiksematest osakestest.

19. sajandi lõpus toimus veel teine oluline avastus, 1896. aastal avastas Prantsuse füüsik ja Nobeli preemia laureaat Henri Becquerel (loe: bekkerel) loodusliku radioaktiivsuse. Osutus, et uraanisoolad kiirgavad mingeid senitundmatuid kiiri, millel on ainet läbiv toime. Oli ilmne, et ka see kiirgus pärineb aatomitest. Nagu me järgnevas näeme, koosneb aatom elektronidest ja aatomituumast, kusjuures spektrid ja aine keemilised omadused on seotud aatomite elektronkatte struktuuriga, radioaktiivne kiirgus aga tekib aatomituumas.

Selles peatükis jõuame me aatomisisesesse maailma, mille seaduspärasused erinevad oluliselt seni vaadeldud maailma omadest. Katsed näitavad, et mikromaailma objektid, aatomid, elektronid jt on samaaegselt nii osakesed kui ka lained. Osakesed on nad selles mõttes, et kõik mõõteriistad registreerivad neid kui tervikuid, samaaegselt on nad ka lained, mis tähendab, et neile on iseloomulikud ka lainetega toimuvad protsessid. Kuna selliseid objekte meie makromaailmas ei ole, ei saa me mikroosakesi piltlikult ette kujutada, samuti on põhjust arvata, et selliste objektide korral kehtivad ka oluliselt teistsugused seadus­pärasused. Aatomimaailmas ei kehti meile tuntud füüsika­seadused, nagu näiteks 8. klassis tundma õpitud mehaanikas. Aatomimaailma seaduspärasusi kirjeldab kvantteooria, mis erineb teie poolt seni tundma õpitud füüsikast üsna oluliselt. Sellele vaatamata püüame järgnevas uurida aatomite ja tuumade lihtsamaid üldisi omadusi, modelleerides ja põhjendades neid meile tuntud füüsikaseaduste abil.