Przez długi czas wiele właściwości materii pozostawało dla badaczy tajemnicą. Dlaczego niektóre substancje dobrze przewodzą prąd, a inne nie? Dlaczego żelazo stopniowo rozkłada się pod wpływem atmosfery, a metale szlachetne są doskonale zachowane przez tysiące lat? Odpowiedzi na wiele z tych pytań uzyskano po tym, jak dana osoba dowiedziała się o strukturze atomu: jego strukturze, liczbie elektronów w każdej warstwie elektronowej. Co więcej, opanowanie nawet podstaw budowy jąder atomowych otworzyło światu nową erę.
Z jakich elementów zbudowana jest elementarna cegła materii, jak one ze sobą oddziałują, czego możemy się z tego nauczyć?
Struktura atomu w świetle współczesnej nauki
Obecnie większość naukowców ma tendencję do trzymania się planetarnego modelu budowy materii. Zgodnie z tym modelem w centrum każdego atomu znajduje się jądro, maleńkie nawet w porównaniu z atomem (jest dziesiątki tysięcy razy mniejsze od całościatom). Ale tego samego nie można powiedzieć o masie jądra. Prawie cała masa atomu jest skoncentrowana w jądrze. Jądro jest naładowane dodatnio.
Elektrony krążą wokół jądra po różnych orbitach, nie kołowych, jak ma to miejsce w przypadku planet Układu Słonecznego, ale trójwymiarowo (kule i ósemki). Liczba elektronów w atomie jest liczbowo równa ładunkowi jądra. Ale bardzo trudno jest traktować elektron jako cząstkę, która porusza się po jakiejś trajektorii.
Jego orbita jest niewielka, a prędkość jest prawie jak wiązka światła, więc bardziej poprawne jest rozważenie elektronu wraz z jego orbitą jako rodzajem ujemnie naładowanej kuli.
Członkowie rodziny nuklearnej
Wszystkie atomy składają się z 3 elementów składowych: protonów, elektronów i neutronów.
Proton jest głównym materiałem budulcowym jądra. Jego waga jest równa jednostce atomowej (masie atomu wodoru) lub 1,67 ∙ 10-27 kg w układzie SI. Cząstka jest naładowana dodatnio, a jej ładunek jest traktowany jako jednostka w układzie elementarnych ładunków elektrycznych.
Neutron jest bliźniakiem masowym protonu, ale nie jest w żaden sposób naładowany.
Powyższe dwie cząstki nazywane są nuklidami.
Elektron jest przeciwieństwem ładunku protonowego (ładunek elementarny wynosi −1). Ale jeśli chodzi o wagę, elektron nas zawiódł, jego masa wynosi tylko 9,12 ∙ 10-31 kg, czyli prawie 2 tysiące razy lżejszy od protonu lub neutronu.
Jak to było "widziane"
Jak można było zobaczyć strukturę atomu, jeśli nie pozwalają na to nawet najnowocześniejsze środki technicznea w krótkim okresie nie pozwoli na uzyskanie obrazów jego składowych cząstek. Skąd naukowcy znali liczbę protonów, neutronów i elektronów w jądrze oraz ich położenie?
Założenie o planetarnej budowie atomów powstało na podstawie wyników bombardowania cienkiej folii metalowej różnymi cząsteczkami. Rysunek wyraźnie pokazuje, jak różne cząstki elementarne oddziałują z materią.
Liczba elektronów, które przeszły przez metal w eksperymentach była równa zero. Wyjaśnia się to po prostu: elektrony naładowane ujemnie są odpychane od powłok elektronowych metalu, które również mają ładunek ujemny.
Wiązka protonów (ładunek +) przeszła przez folię, ale z "stratami". Niektóre zostały odepchnięte przez jądra, które znalazły się na drodze (prawdopodobieństwo takich trafień jest bardzo małe), niektóre zboczyły z pierwotnej trajektorii, lecąc zbyt blisko jednego z jąder.
Neutrony stały się najbardziej „skuteczne” w pokonywaniu metalu. Neutralnie naładowana cząstka została utracona tylko w przypadku bezpośredniego zderzenia z rdzeniem substancji, podczas gdy 99,99% neutronów z powodzeniem przeszło przez grubość metalu. Nawiasem mówiąc, można było obliczyć wielkość jąder niektórych pierwiastków chemicznych na podstawie liczby neutronów na wejściu i wyjściu.
Na podstawie uzyskanych danych zbudowano dominującą obecnie teorię budowy materii, która z powodzeniem wyjaśnia większość zagadnień.
Co i ile
Liczba elektronów w atomie zależy od liczby atomowej. Na przykład zwykły atom wodoru matylko jeden proton. Pojedynczy elektron krąży po orbicie. Kolejny element układu okresowego, hel, jest nieco bardziej skomplikowany. Jej jądro składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, a zatem ma masę atomową 4.
Wraz ze wzrostem numeru seryjnego rosną rozmiar i masa atomu. Numer seryjny pierwiastka chemicznego w układzie okresowym odpowiada ładunkowi jądra (liczba zawartych w nim protonów). Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów. Na przykład atom ołowiu (liczba atomowa 82) ma w swoim jądrze 82 protony. Na orbicie wokół jądra znajdują się 82 elektrony. Aby obliczyć liczbę neutronów w jądrze, wystarczy od masy atomowej odjąć liczbę protonów:
207 – 82=125.
Dlaczego zawsze są równe liczby
Każdy system w naszym wszechświecie dąży do stabilności. W odniesieniu do atomu wyraża się to w jego neutralności. Jeśli przez chwilę wyobrazimy sobie, że wszystkie bez wyjątku atomy we Wszechświecie mają taki lub inny ładunek różnej wielkości z różnymi znakami, można sobie wyobrazić, jaki rodzaj chaosu zapanuje na świecie.
Ale ponieważ liczba protonów i elektronów w atomie jest równa, całkowity ładunek każdej „cegiełki” wynosi zero.
Liczba neutronów w atomie jest wartością niezależną. Co więcej, atomy tego samego pierwiastka chemicznego mogą mieć różną liczbę tych cząstek o zerowym ładunku. Przykład:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutronów=wodór (masa atomowa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuter (masa atomowa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tryt (masa atomowa 3).
W tym przypadku liczba elektronów w atomie się nie zmienia, atom pozostaje neutralny, zmienia się jego masa. Takie odmiany pierwiastków chemicznych nazywane są izotopami.
Czy atom jest zawsze neutralny
Nie, liczba elektronów w atomie nie zawsze jest równa liczbie protonów. Gdyby jeden lub dwa elektrony nie mogły być na chwilę „oderwane” z atomu, nie byłoby czegoś takiego jak galwanizacja. Na atom, jak na każdą materię, można wpływać.
Pod wpływem wystarczająco silnego pola elektrycznego z zewnętrznej warstwy atomu, jeden lub więcej elektronów może "odlecieć". W takim przypadku cząsteczka substancji przestaje być obojętna i nazywana jest jonem. Może poruszać się w środowisku gazowym lub ciekłym, przenosząc ładunek elektryczny z jednej elektrody na drugą. W ten sposób ładunek elektryczny jest przechowywany w akumulatorach, a najcieńsze warstwy niektórych metali są nakładane na powierzchnie innych (złocenie, srebrzenie, chromowanie, niklowanie itp.).
Liczba elektronów jest również niestabilna w metalach - przewodnikach prądu elektrycznego. Elektrony warstw zewnętrznych niejako przechodzą od atomu do atomu, przenosząc energię elektryczną przez przewodnik.
