Η φυσική της δομής της ύλης μελετήθηκε για πρώτη φορά σοβαρά από τον Joseph J. Thomson. Ωστόσο, πολλά ερωτήματα έμειναν αναπάντητα. Λίγο καιρό αργότερα, ο E. Rutherford μπόρεσε να διατυπώσει ένα μοντέλο της δομής του ατόμου. Στο άρθρο θα εξετάσουμε την εμπειρία που τον οδήγησε στην ανακάλυψη. Δεδομένου ότι η δομή της ύλης είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα στα μαθήματα φυσικής, θα αναλύσουμε τις βασικές πτυχές της. Μαθαίνουμε από τι αποτελείται ένα άτομο, μαθαίνουμε πώς να βρίσκουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων, πρωτονίων, νετρονίων σε αυτό. Ας εξοικειωθούμε με την έννοια των ισοτόπων και των ιόντων.
Ανακάλυψη του ηλεκτρονίου
Το 1897, ο Άγγλος επιστήμονας Joseph John Thomson (το πορτρέτο του φαίνεται παρακάτω) μελέτησε το ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή την κατευθυνόμενη κίνηση των φορτίων στα αέρια. Εκείνη την εποχή, η φυσική γνώριζε ήδη τη μοριακή δομή της ύλης. Ήταν γνωστό ότι όλα τα σώματα αποτελούνται από ύλη, η οποία αποτελείται από μόρια, και τα τελευταία αποτελούνται από άτομα.
Thomson ανακάλυψε ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, τα άτομα αερίου εκπέμπουν σωματίδια με αρνητικό φορτίο (qel <0). Ονομάζονται ηλεκτρόνια. Το άτομο είναι ουδέτερο, πράγμα που σημαίνει ότι αν πετάξουν ηλεκτρόνια από αυτό, τότε εκεί πρέπει να περιέχονται και θετικά σωματίδια. Ποιο είναι το μέρος του ατόμου με το σύμβολο "+"; Πώς αλληλεπιδρά με ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο; Τι καθορίζει τη μάζα ενός ατόμου; Ένας άλλος επιστήμονας θα μπορούσε να απαντήσει σε όλες αυτές τις ερωτήσεις.
Πείραμα του Ράδερφορντ
Το 1911, η φυσική διέθετε ήδη τις αρχικές πληροφορίες για τη δομή της ύλης. Ο Ernest Rutherford ανακάλυψε αυτό που σήμερα ονομάζουμε ατομικό πυρήνα.
Υπάρχουν πράγματα που έχουν μια περίεργη ιδιότητα: εκπέμπουν αυθόρμητα διάφορα σωματίδια, θετικά και αρνητικά. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται ραδιενεργές. Θετικά φορτισμένα στοιχεία που ο Ράδερφορντ ονόμασε σωματίδια άλφα (α-σωματίδια).
Έχουν ένα φορτίο "+" ίσο με δύο βασικές χρεώσεις (qα=+2e). Το βάρος των στοιχείων είναι περίπου ίσο με τέσσερις μάζες ενός ατόμου υδρογόνου. Ο Ράδερφορντ πήρε ένα ραδιενεργό παρασκεύασμα που εκπέμπει σωματίδια άλφα και βομβάρδισε ένα λεπτό φιλμ χρυσού (φύλλο) με το ρεύμα τους.
Διαπίστωσε ότι τα περισσότερα από τα στοιχεία α μετά βίας αλλάζουν την κατεύθυνσή τους όταν περνούν από άτομα μετάλλου. Όμως είναι ελάχιστοι αυτοί που παρεκκλίνουν προς τα πίσω. Γιατί συμβαίνει αυτό? Γνωρίζοντας τη φυσική της δομής της ύλης, μπορούμε να απαντήσουμε: γιατί μέσαάτομα χρυσού, όπως και κάθε άλλο, υπάρχουν θετικά στοιχεία που απωθούν τα σωματίδια άλφα. Γιατί όμως αυτό συμβαίνει μόνο με πολύ λίγα στοιχεία; Επειδή το μέγεθος του θετικά φορτισμένου μέρους του ατόμου είναι πολύ μικρότερο από το ίδιο. Ο Ράδερφορντ κατέληξε σε αυτό το συμπέρασμα. Ονόμασε το θετικά φορτισμένο μέρος του ατόμου πυρήνα.
Η συσκευή του ατόμου
Φυσική της δομής της ύλης: Τα μόρια αποτελούνται από άτομα, τα οποία περιέχουν ένα μικροσκοπικό θετικά φορτισμένο τμήμα (πυρήνα) που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια. Η ουδετερότητα του ατόμου εξηγείται από το γεγονός ότι το συνολικό αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων είναι ίσο με το θετικό - τον πυρήνα. qcore + qel=0. Γιατί δεν πέφτουν ηλεκτρόνια στον πυρήνα, επειδή έλκονται; Για να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση, ο Ράδερφορντ πρότεινε να περιστρέφονται όπως οι πλανήτες κινούνται γύρω από τον Ήλιο και να μην συγκρούονται μαζί του. Είναι η κίνηση που επιτρέπει σε αυτό το σύστημα να είναι σταθερό. Το μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ ονομάζεται πλανητικό.
Αν το άτομο είναι ουδέτερο και ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτό πρέπει να είναι ακέραιος, τότε το φορτίο του πυρήνα είναι ίσο με αυτήν την τιμή με πρόσημο συν. qcores=+ze. z είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα ουδέτερο άτομο. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική χρέωση είναι μηδενική. Πώς να βρείτε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο; Πρέπει να χρησιμοποιήσετε τον περιοδικό πίνακα στοιχείων. Οι διαστάσεις ενός ατόμου είναι της τάξης των 10-10 μ. Και οι πυρήνες είναι 100 χιλιάδες φορές μικρότεροι - 10-15 m.
Ας φανταστούμε ότι αυξήσαμε το μέγεθος του πυρήνα στο 1 μέτρο. Σε ένα στερεό, η απόσταση μεταξύ των ατόμων είναι περίπου ίση με το μέγεθος του εαυτού τους, πράγμα που σημαίνει ότι οι διαστάσειςθα αυξηθεί σε 105, που είναι 100 χλμ. Δηλαδή, το άτομο είναι πρακτικά άδειο, γι' αυτό τα σωματίδια άλφα ως επί το πλείστον πετούν μέσα από το φύλλο χωρίς σχεδόν καμία απόκλιση.
Δομή του πυρήνα
Η φυσική της δομής της ύλης είναι τέτοια που ο πυρήνας αποτελείται από δύο είδη σωματιδίων. Κάποια από αυτά είναι θετικά φορτισμένα. Αν θεωρήσουμε ένα άτομο που έχει τρία ηλεκτρόνια, τότε μέσα του υπάρχουν τρία σωματίδια με θετικό φορτίο. Ονομάζονται πρωτόνια. Άλλα στοιχεία δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο - τα νετρόνια.
Οι μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου είναι περίπου ίσες. Και τα δύο σωματίδια έχουν βάρος πολύ μεγαλύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. mπρωτόνιο ≈ 1837mel. Το ίδιο ισχύει και για τη μάζα του νετρονίου. Το συμπέρασμα προκύπτει από αυτό: το βάρος των θετικά και ουδέτερα φορτισμένων σωματιδίων είναι ένας παράγοντας που καθορίζει τη μάζα ενός ατόμου. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν ένα κοινό όνομα - νουκλεόνια. Το βάρος ενός ατόμου καθορίζεται από τον αριθμό τους, ο οποίος ονομάζεται μαζικός αριθμός του πυρήνα. Σημειώσαμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο με το γράμμα z, αλλά επειδή είναι ουδέτερο, ο αριθμός των θετικών και αρνητικών σωματιδίων πρέπει να ταιριάζει. Επομένως, το z ονομάζεται επίσης αριθμός πρωτονίου ή φορτίου.
Αν γνωρίζουμε τη μάζα και τον αριθμό φορτίου, τότε μπορούμε να βρούμε τον αριθμό των νετρονίων N. N=A - z. Πώς να μάθετε πόσα νουκλεόνια και πρωτόνια υπάρχουν στον πυρήνα; Αποδεικνύεται ότι στον περιοδικό πίνακα, δίπλα σε κάθε στοιχείο, υπάρχει ένας αριθμός που οι χημικοί ονομάζουν σχετική ατομική μάζα.
Αν το στρογγυλοποιήσουμε, δεν θα έχουμε τίποτα περισσότερο απόαριθμός μάζας ή αριθμός νουκλεονίων στον πυρήνα (Α). Ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου είναι ο αριθμός των πρωτονίων (z). Γνωρίζοντας το Α και το z, είναι εύκολο να βρούμε το Ν - τον αριθμό των νετρονίων. Εάν το άτομο είναι ουδέτερο, τότε ο αριθμός των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων είναι ίσος.
Ισότοπα
Υπάρχουν ποικιλίες του πυρήνα στις οποίες ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίδιος, αλλά ο αριθμός των νετρονίων μπορεί να διαφέρει (που σημαίνει το ίδιο χημικό στοιχείο). Ονομάζονται ισότοπα. Στη φύση, τα άτομα διαφορετικών ειδών αναμειγνύονται, έτσι οι χημικοί μετρούν τη μέση μάζα. Γι' αυτό στον περιοδικό πίνακα το σχετικό βάρος ενός ατόμου είναι πάντα κλασματικός αριθμός. Ας καταλάβουμε τι συμβαίνει σε ένα ουδέτερο άτομο εάν αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από αυτό ή, αντίθετα, τοποθετηθεί ένα επιπλέον.
Ions
Θεωρήστε ένα ουδέτερο άτομο λιθίου. Υπάρχει ένας πυρήνας, δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται στο ένα κέλυφος και τρία στο άλλο. Αν αφαιρέσουμε ένα από αυτά, έχουμε έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα. qcores =3ος. Τα ηλεκτρόνια αντισταθμίζουν μόνο δύο από τα τρία στοιχειώδη φορτία και παίρνουμε ένα θετικό ιόν. Ορίζεται ως εξής: Li+. Ένα ιόν είναι ένα άτομο στο οποίο ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι μικρότερος ή μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. Στην πρώτη περίπτωση, πρόκειται για θετικό ιόν. Αν προσθέσουμε ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, τότε θα υπάρχουν τέσσερα από αυτά και θα πάρουμε ένα αρνητικό ιόν (Li-). Αυτή είναι η φυσική της δομής της ύλης. Έτσι, ένα ουδέτερο άτομο διαφέρει από ένα ιόν στο ότι τα ηλεκτρόνια σε αυτό αντισταθμίζουν πλήρως το φορτίο του πυρήνα.
