Nyukliasi ya atomu

Kutoka Wikipedia, kamusi elezo huru
Rukia: urambazaji, tafuta

Atomu na Nyukliasi ni chembe ndogondogo sana kabisa zinazotofautisha elementi mbalimbali. Kila maada imeundwa na chembechembe ndogo za aina moja zinazojulikana kama molekyuli. Hizi molekyuli huwa ni muungano wa elementi za aina moja au aina tofauti (kiingereza huitwa compounds). Chembe ndogo ya kila elementi huitwa atomu. Kila elementi ina atomu za aina yake kulingana na asili yake. Ndani ya kila atomu kuna chembechembe za aina tofauti mojawapo ikiwa ni nyukliasi yake.

Ugunduzi wa nadharia ya atomu na kuwa ndani yake kuna elektroni ilileta maswali mengi ambayo hayakupatiwa majibu. Atomu ilijulikana kiumeme kuwa haikuwa na chaji ya aina yeyote lakini chembe cha elektroni zilizo ndani ya atomu zilijulikana kuwa na chaji hasi za umeme. Hivyo lazima ndani ya atomu (ambayo haina chaji) kutakuwa na chaji aina nyingine (ambayo ni lazima iwe chaji chanya) ambayo inaletwa uwiano sawa wa kuifanya atomu kutokuwa na chaji. Fumbo gumu zaidi lilikuwa ni kwa namna gani hizo aina mbili za chaji zinaweza kuwa zimejipanga ndani ya atomu.

Muundo wa atomu

Muundo wa J. J. Thomson[hariri | hariri chanzo]

Mawazo ya kwanza kabisa kuhusu muundo wa atomu yalitoka kwa J.J. Thomson. Mwanasayansi huyu alipendekeza kuwa atomu ilikuwa kama mpira ambao katika kuta zake kulikuwa na chaji chanya zilizokuwa na ukubwa sana na zile za hasi ambazo zilikuwa zinaelea ndani ya mpira. Hii ina maana kama utaweza kufikiria kuweza kuingiza mkono katika atomu na kama una bahati unaweza kutoa elektroni ndani ya atomu. Muundo huu uliweza kuelezea kwa nini atomu hazina chaji lakini ulishindwa kujibu maswali mengi yaliyotokana na nadharia nyingine nyingi ambazo zilikuwa zimethibitishwa hasa zile za umeme na usumaku.

Nyukliasi[hariri | hariri chanzo]

Kwa namna gani nyukliasi iligunduliwa?[hariri | hariri chanzo]

Utakuwa umegundua kuwa muundo wa atomu wa J. J. Thompson haukuwa na nyukliasi. Mnamo mwaka 1909 H. Geiger na E. Marsden walichapisha matokeo ya mlolongo wa majaribio waliyofanya katika chuo kikuu cha Manchester chini ya uongozi wa Ernest Rutherford. Rutherford alikuwa na mvuto mkubwa juu ya sayansi ya mionzi ya radioaktiviti ambayo alikuwa imeanzishwa na Becquerel na Curies. Mojawapo ya mafumbuzi ya kwanza yalikuwa kwamba elementi zilitoa chembe za alpha (α-particles). Chembe za alpha ziligundulika kuwa na vitu viwili vilivyokuwa na chaji chanya, na vilibainika kuwa ni atomu za Helium zilizopoteza elektroni mbili. Hivyo chembe alpha zilikuwa ni ayoni za Helium, He2+. Geiger na Marsden walielekeza mkondo wa chembe alpha katika foili nyembamba ya metali. Waligundua kuwa chembe zilibadilishiwa njia kwa ukubwa wa nyuzi mbalimbali kutoka ile njia ya awali. Suala la kubadilishwa njia walikuwa wanalitegemea lakini kilichowashangaza ni kiwango cha kibadilika kwa njia. Baadhi zilibadilishwa hadi kufikia nyuzi 150⁰ (nyuzi 180⁰ itakuwa ni sawa kuzuiliwa kabisa kupita). Kutokana na matokea iliochenya kuwa ni sehemu ndogo sana ya chembe alpha ndizo zilizobadilishwa njia kwa nyuzi nyingi. Lakini la msingi hapa siyo uchache wao bali ni nini kilisababisha hii tabia isiyotarajiwa. Mnamo mwaka 1911 Rutherford alionyesha kuwa atomu yenye chaji chanya zilizotawanya katika kuta zake kama vile alinadhiri J. J.Thompson zisingeweza kubadili njia kwa nyuzi ndogo. Mabadiliko makubwa ya uelekeo ya chembe chanya yangeweza kutokea kama kungekuwa na mkusanyiko mdogo ndani ya atomu. Rutherford alionyesha kwa kutumia dhahabu kuwa ndani ya atomu kulikuwa mkusanyiko wa chaji uliosababisha yote hayo. Alisema ungekuwa ndani ya tufe au mpira wenye nusu kipenyo kisichozidi mita 3.2 × 10-14. Kwa atomu zinginezilizokuwa nyepesi zaidi ya dhahabu, nusu kipenyo kilipungua hadi kufikia mita 3 × 10-15. Kwa wakati huo, nusu kipenyo cha atomu kilikuwa kimekadiriwa kwenye mita 2 × 10-10, hivyo haikuchukua muda muda kuona kuwa chaji chanya ndani ya atomu zitakuwa ndani ya tufe ambalo nusu kipenyo chake ni kama mara 10000 hadi 100000 ya nusu kipenyo cha atomu yote. Kwa maneno mengine, kati yao, Rutherford, Geiger na Marsden walikuwa wameanzisha kuwa atomu zilikuwa na nyukliasi ndani yake.

Ugunduzi wa protoni[hariri | hariri chanzo]

Ilikuwa imejukuwa kuwa chaji chanya zilizokuwa zinaifanya atomu kutokakuwa na chaji hata kama kuna chaji za elektoni, zilikuwa zinapatikana ndani ya nyukliasi. Hivyo hizi chaji ndani ya nyukliasi ziliaminika kutoka ndani ya chembechembe zilizokuja kufahamika kama protoni. Kwa kuwa atomu haina chaji, basi chaji ya protoni ni sawa kabisa na ile ya elektroni isipokuwa yenyewe ni chanya na ile ya elektroni ni hasi. Njia iliyotumika katika kuthibitisha uwepo wa protoni ilitumia sana kifaa kilichoitwa mass spectrograph. Muundani wa kifaa hiki alikuwa F. W. Aston. Katika kifaa chake, atomu zilizochajiwa chanya zilipitishwa katika eneo la usumaku. Eneo hili liliundwa ili kuleta atomu zenye tungamo tofauti tofauti kwenye filamu. Wakati filamu ilipoboreshwa, mistari ingeweza kuonekana kulingana na ayoni zilivyoifikia. Kwa jinsi Aston alivyounda kifaa chake ilimaanisha mistari ingekuwa katika umbo la parabola. Suala msingi kuhusu kifaa mass spectrograph ni kuwa njia inayopitiwa na ayoni inakuwa imepinda wakati ikisafiri katika eneo la usumaku. Kupinda huku kunategemea vitu wiwili: chaji ya ayoni, q, na tungamo lake, m. Ayoni iliyokuwa na uwiano sawa wa chaji kwa tungamo, q/m zitawasili katika sehemu kwenye filamu. Kwa kufanya jaribio hili kwa uangalifu na hisabati, Aston aliweza kupima uwiano wa chaji kwa tungamo wa idadi kubwa ya ayoni. Kutokana na matokeo aliunda “kanuni ya namba ya jumla“. Kutokana na kanuni hii uwiano wa chaji na tungamo wa kila ayoni ulikuwa mara kadhaa ya ule wa ayoni za Hydrogen. Ilionyesha Hydrogen kuwa ni ayoni iliyojenga ayoni (na atomu) zingine. Hivyo jina protoni, kutoka neon la Kigiriki ‘protos’ ikimaanisha ‘ya kwanza’ ilipewa ayoni ya hydrogen.

Namba ya atomu[hariri | hariri chanzo]

Uthibitisho kuwa chaji chanya katika nyukliasi zilikuwa chembe za msingi na muhimu ulitolewa na H. G. J. Moseley. Katika majaribio yake ya mwaka 1913 katika chuo kikuu cha Manchester, Moselay aligongesha elementi kadhaa na mionzi ya cathode (elektroni). Nishati iliyotelewa na mionzi ilisababisha elementi kutoa mionzi X. Moselay alichunguza uhusiano kati ya mizunguko (frequency) ya mionzi X na asiliya elementi iliyokuwa inaitoa. Kwa njia hii Moselay aliweza kuonyesha kuwa namba ya atomu], ambayo ilikuwa inafahamika kama idadi ya protoni katika nyukliasi, ilipelekea mpangilio wa elementi katika Jedwali la Elementi (Periodic Table).

Ugunduzi wa neutron[hariri | hariri chanzo]

Miongoni ya matokeo ya majaribio ya Aston ilikuwa kwamba tungamo la atomu ya oksijeni ilikuwa mara 16 zaidi ya lile la protoni. Kufuatia ugunduzi wa Rutherford wa nyukliasi, na uchunguzi wa Moseley wa namba ya atomu, ilikuwa wazi kuwa nyukliasi ya oksijeni ilikuwa ina chaji chanya nane tu. Hii ilimaanisha ilikuwa na protoni nane, lakini tungamo la oksijeni lilionyesh kuwa kubwa (karibia mara mbili zaidi) kuliko protoni nane. Utata huu uliondolewa na James Chadwick mnamo mwaka 1932 kwa ugunduzi neutroni. Ilichukua muda mrefu tangu majaribio ya Aston (1919) hadi ugunduzi wa neutron (1932). Sababu iliyopelekea hivi ni kutokuwepo kwa chaji katika neutroni hivyo kufanya kuwa vigumu kugundulika kwa kutumia usumaku au umeme. Msingi wa ugunduzi wa Chadwick ulikuwa kama ifuatavyo. Aliweka chanzo cha chembe za alpha kwenye upande mmoja wa foili ya beryllium. Upande mwingine wa beryllium kulikuwa na kinasa chembe (detector) cha alpha ambacho kiligundua uwepo wa ayoni. Katika mpangilio huu, ayoni hazikuweza kugundulika katika kinasa chembe. Kisha mche wa paraffin uliweka katikati ya beryllium na kinasa chembe hali iliyopelekea kinasa chembe kugundua uwepo wao. Hivyo lazima kutakuwa na chembechembe zilizotoka katika beryllium na kusababisha pambano ambalo lilipelekea ayoni kugundulika katika kinasa chembe za ayoni.Hizi chembechembe zilikuja kugundulika kuwa ni neutroni.

Atomu[hariri | hariri chanzo]

Ulinganifu wa elektroni, protoni na neutron[hariri | hariri chanzo]

Tungamo la protoni lilikuwa kwa kiasi fulani rahisi kupima kwa kutumia mass spectrograph. Hata hivyo njia hii haiwezi kutumika kupima tungamo la neutroni. Badala yake, neutroni ziligongeshwa na chembe zingine za atomu. Mwendokasi na tungamo za chembe zilizotolewa (emitted) zilipimwa. Kwa kutumia kanuni ya utunzaji wa momentamu (The Law of Conservation Momentum), iliwezekana kukokotoa tungamo la neutroni. Tungamo la neutroni lilibainika kuwa karibia sawa na lile la protoni. Angalia jedwali hapo chini.

chembe tungamo (kg) chaji uwiano wa chaji kwa tungamo (C/kg)
elektroni 0.00091 x 10-27 hasi (-) -1.758820150 x 1011
neutroni 1.6749 x 10-27 haina chaji 0
protoni 1.6726 x 10-27 chanya (+) 9.5788339 x 107

Hitimisho[hariri | hariri chanzo]

Ni muhimu kufahamu kuwa ingawa atomu imeundwa na chembechembe tofauti, yenyewe kiujumla haina chaji ya aina yoyote. Hii ni kwa sababu atomu zina idadi sawa ya protoni (chaji chanya) na elektroni (chaji hasi). Idadi ya neutroni (haina chaji) katika nyukliasi ya atomu siyo lazima iwe sawa na idadi ya protoni au elektroni. Utofauti huu wa neutroni katika nyukliasi za atomu ya elementi moja hupeleka kuwa na isotopes za elementi. Elektroni hutembea kuzunguka nyukliasi ya atomi. Ikiwa atomi ina chaji, hii kwa sababu imepata (na kuwa na chaji hasi) au imepoteza (na kuwa chaji chanya) elekroni ; lakini siyo kwa sababu imebadilika idadi yake ya protoni.

Angalia pia[hariri | hariri chanzo]

Marejeo[hariri | hariri chanzo]

Atkins, P. W. (1990). Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford.
Matthews, P. S.C. (1986). Quantum Chemistry of Atoms and Molecules, Cambridge Unversity Press, Cambridge.
Matthews, P. (2003). Advanced Chemistry, Cambridge Unversity Press, Cambridge.

Viungo vya nje[hariri | hariri chanzo]