Fizyka struktury materii została po raz pierwszy poważnie zbadana przez Josepha J. Thomsona. Jednak wiele pytań pozostało bez odpowiedzi. Jakiś czas później E. Rutherford był w stanie sformułować model budowy atomu. W artykule rozważymy doświadczenie, które doprowadziło go do odkrycia. Ponieważ struktura materii jest jednym z najciekawszych tematów na lekcjach fizyki, przeanalizujemy jej kluczowe aspekty. Dowiadujemy się, z czego składa się atom, dowiadujemy się, jak znaleźć w nim liczbę elektronów, protonów, neutronów. Zapoznajmy się z pojęciem izotopów i jonów.
Odkrycie elektronu
W 1897 roku angielski naukowiec Joseph John Thomson (jego portret można zobaczyć poniżej) badał prąd elektryczny, czyli ukierunkowany ruch ładunków w gazach. W tym czasie fizyka wiedziała już o molekularnej budowie materii. Wiadomo było, że wszystkie ciała zbudowane są z materii, która zbudowana jest z cząsteczek, a te ostatnie zbudowane są z atomów.
Thomson odkrył, że w pewnych warunkach atomy gazu emitują cząstki o ładunku ujemnym (qel <0). Nazywane są elektronami. Atom jest obojętny, co oznacza, że jeśli wylatują z niego elektrony, to muszą w nim również znajdować się cząstki dodatnie. Jaka jest część atomu ze znakiem „+”? Jak oddziałuje z ujemnie naładowanym elektronem? Od czego zależy masa atomu? Na wszystkie te pytania mógłby odpowiedzieć inny naukowiec.
Eksperyment Rutherforda
W 1911 roku fizyka posiadała już wstępne informacje o budowie materii. Ernest Rutherford odkrył to, co dziś nazywamy jądrem atomowym.
Są sprawy, które mają dziwną właściwość: spontanicznie emitują różne cząstki, zarówno dodatnie, jak i ujemne. Takie substancje nazywane są radioaktywnymi. Dodatnio naładowane pierwiastki Rutherford nazwał cząstkami alfa (cząstkami α).
Mają ładunek „+” równy dwóm ładunkom elementarnym (qα=+2e). Waga pierwiastków jest w przybliżeniu równa czterem masom atomu wodoru. Rutherford wziął preparat radioaktywny, który emituje cząstki alfa i zbombardował swoim strumieniem cienką warstwę złota (folia).
Odkrył, że większość pierwiastków α ledwo zmienia swój kierunek podczas przechodzenia przez atomy metalu. Ale jest bardzo niewielu, którzy odchodzą do tyłu. Dlaczego to się dzieje? Znając fizykę budowy materii możemy odpowiedzieć: bo wewnątrzatomy złota, jak każdy inny, zawierają pierwiastki dodatnie, które odpychają cząstki alfa. Ale dlaczego dzieje się tak tylko przy bardzo niewielu elementach? Ponieważ wielkość dodatnio naładowanej części atomu jest znacznie mniejsza od niej samej. Rutherford doszedł do tego wniosku. Naładowaną dodatnio część atomu nazwał jądrem.
Urządzenie atomu
Fizyka struktury materii: Cząsteczki składają się z atomów, które zawierają maleńką dodatnio naładowaną część (jądro) otoczone elektronami. Neutralność atomu tłumaczy się tym, że całkowity ujemny ładunek elektronów jest równy dodatniemu - jądru. qcore + qel=0. Dlaczego elektrony nie spadają na jądro, ponieważ są przyciągane? Aby odpowiedzieć na to pytanie, Rutherford zasugerował, że obracają się one tak, jak planety poruszają się wokół Słońca i nie zderzają się z nim. To właśnie ruch pozwala temu systemowi być stabilnym. Model atomu Rutherforda nazywa się planetarnym.
Jeżeli atom jest obojętny, a liczba elektronów w nim musi być liczbą całkowitą, to ładunek jądra jest równy tej wartości ze znakiem plus. qcores=+zmi. z to liczba elektronów w obojętnym atomie. W tym przypadku całkowity ładunek wynosi zero. Jak znaleźć liczbę elektronów w atomie? Musisz skorzystać z układu okresowego pierwiastków. Wymiary atomu są rzędu 10-10 m. A jądra są 100 tysięcy razy mniejsze - 10-15 m.
Wyobraźmy sobie, że zwiększyliśmy rozmiar rdzenia do 1 metra. W bryle odległość między atomami jest w przybliżeniu równa ich wielkości, co oznacza, że wymiarywzrośnie do 105, czyli 100 km. Oznacza to, że atom jest praktycznie pusty, dlatego cząstki alfa w większości przelatują przez folię prawie bez odchylenia.
Struktura jądra
Fizyka struktury materii polega na tym, że jądro składa się z dwóch rodzajów cząstek. Niektóre z nich są naładowane dodatnio. Jeśli weźmiemy pod uwagę atom, który ma trzy elektrony, to w jego wnętrzu znajdują się trzy cząstki o ładunku dodatnim. Nazywane są protonami. Inne pierwiastki nie mają ładunku elektrycznego - neutrony.
Masy protonu i neutronu są w przybliżeniu równe. Obie cząstki mają masę znacznie większą niż elektron. mproton ≈ 1837mel. To samo dotyczy masy neutronu. Z tego wynika wniosek: ciężar cząstek naładowanych dodatnio i neutralnie jest czynnikiem decydującym o masie atomu. Protony i neutrony mają wspólną nazwę - nukleony. O masie atomu decyduje ich liczba, którą nazywamy liczbą masową jądra. Liczbę elektronów w atomie oznaczyliśmy literą z, ale ponieważ atom jest obojętny, liczba cząstek dodatnich i ujemnych musi się zgadzać. Dlatego z jest również nazywane protonem lub liczbą ładunku.
Jeśli znamy masę i liczbę ładunku, możemy znaleźć liczbę neutronów N. N=A - z. Jak dowiedzieć się, ile nukleonów i protonów znajduje się w jądrze? Okazuje się, że w układzie okresowym obok każdego pierwiastka znajduje się liczba, którą chemicy nazywają względną masą atomową.
Jeśli to zaokrąglimy, nie otrzymamy nic więcej niżliczba masowa lub liczba nukleonów w jądrze (A). Liczba atomowa pierwiastka to liczba protonów (z). Znając A i z łatwo znaleźć N - liczbę neutronów. Jeśli atom jest obojętny, to liczba elektronów i protonów jest równa.
Izotopy
Istnieją odmiany jądra, w których liczba protonów jest taka sama, ale liczba neutronów może się różnić (co oznacza ten sam pierwiastek chemiczny). Nazywane są izotopami. W naturze atomy różnych rodzajów są mieszane, więc chemicy mierzą średnią masę. Dlatego w układzie okresowym względna masa atomu jest zawsze liczbą ułamkową. Zastanówmy się, co stanie się z neutralnym atomem, jeśli zostanie z niego usunięty elektron lub odwrotnie, zostanie umieszczony dodatkowy.
Jony
Rozważmy neutralny atom litu. Jest jądro, na jednej powłoce znajdują się dwa elektrony, a na drugiej trzy. Jeśli usuniemy jeden z nich, otrzymamy dodatnio naładowane jądro. qrdzeni =3rd. Elektrony kompensują tylko dwa z trzech ładunków elementarnych i otrzymujemy jon dodatni. Jest oznaczony następująco: Li+. Jon to atom, w którym liczba elektronów jest mniejsza lub większa niż liczba protonów w jądrze. W pierwszym przypadku jest to jon dodatni. Jeśli dodamy dodatkowy elektron, to będzie ich cztery i otrzymamy jon ujemny (Li-). Taka jest fizyka budowy materii. Tak więc neutralny atom różni się od jonu tym, że zawarte w nim elektrony całkowicie kompensują ładunek jądra.
