Για πολύ καιρό πολλές ιδιότητες της ύλης παρέμεναν μυστικό για τους ερευνητές. Γιατί ορισμένες ουσίες άγουν καλά τον ηλεκτρισμό, ενώ άλλες όχι; Γιατί ο σίδηρος διασπάται σταδιακά υπό την επίδραση της ατμόσφαιρας, ενώ τα ευγενή μέταλλα διατηρούνται τέλεια για χιλιάδες χρόνια; Πολλές από αυτές τις ερωτήσεις απαντήθηκαν αφού ένα άτομο συνειδητοποίησε τη δομή του ατόμου: τη δομή του, τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε κάθε στρώμα ηλεκτρονίων. Επιπλέον, η κατοχή ακόμη και των πολύ βασικών στοιχείων της δομής των ατομικών πυρήνων άνοιξε μια νέα εποχή για τον κόσμο.
Από ποια στοιχεία είναι κατασκευασμένο το στοιχειώδες τούβλο της ύλης, πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, τι μπορούμε να μάθουμε από αυτό;
Η δομή του ατόμου κατά την άποψη της σύγχρονης επιστήμης
Επί του παρόντος, οι περισσότεροι επιστήμονες τείνουν να τηρούν το πλανητικό μοντέλο της δομής της ύλης. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, στο κέντρο κάθε ατόμου υπάρχει ένας πυρήνας, μικροσκοπικός ακόμη και σε σύγκριση με το άτομο (είναι δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερος από το σύνολοάτομο). Αλλά δεν μπορεί να ειπωθεί το ίδιο για τη μάζα του πυρήνα. Σχεδόν όλη η μάζα ενός ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα. Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος.
Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε διαφορετικές τροχιές, όχι κυκλικές, όπως συμβαίνει με τους πλανήτες του ηλιακού συστήματος, αλλά τρισδιάστατα (σφαίρες και όγκοι οκτώ). Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι αριθμητικά ίσος με το φορτίο του πυρήνα. Αλλά είναι πολύ δύσκολο να θεωρήσουμε ένα ηλεκτρόνιο ως ένα σωματίδιο που κινείται κατά μήκος κάποιου είδους τροχιάς.
Η τροχιά του είναι μικροσκοπική και η ταχύτητα είναι σχεδόν σαν αυτή μιας δέσμης φωτός, επομένως είναι πιο σωστό να θεωρήσουμε το ηλεκτρόνιο μαζί με την τροχιά του ως ένα είδος αρνητικά φορτισμένης σφαίρας.
Μέλη της πυρηνικής οικογένειας
Όλα τα άτομα αποτελούνται από 3 συστατικά στοιχεία: πρωτόνια, ηλεκτρόνια και νετρόνια.
Το πρωτόνιο είναι το κύριο δομικό υλικό του πυρήνα. Το βάρος του είναι ίσο με μια ατομική μονάδα (τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου) ή 1,67 ∙ 10-27 kg στο σύστημα SI. Το σωματίδιο είναι θετικά φορτισμένο και το φορτίο του λαμβάνεται ως μονάδα στο σύστημα των στοιχειωδών ηλεκτρικών φορτίων.
Το νετρόνιο είναι η δίδυμη μάζα του πρωτονίου, αλλά δεν είναι φορτισμένο με κανέναν τρόπο.
Τα παραπάνω δύο σωματίδια ονομάζονται νουκλεΐδια.
Ένα ηλεκτρόνιο είναι το αντίθετο ενός φορτισμένου πρωτονίου (το στοιχειώδες φορτίο είναι −1). Αλλά όσον αφορά το βάρος, το ηλεκτρόνιο μας απογοήτευσε, η μάζα του είναι μόνο 9, 12 ∙ 10-31 kg, που είναι σχεδόν 2 χιλιάδες φορές ελαφρύτερο από ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο.
Πώς "εδείχθη"
Πώς θα μπορούσατε να δείτε τη δομή του ατόμου, αν ακόμη και τα πιο σύγχρονα τεχνικά μέσα δεν το επιτρέπουνκαι βραχυπρόθεσμα δεν θα επιτρέψει τη λήψη εικόνων των σωματιδίων που το αποτελούν. Πώς γνώριζαν οι επιστήμονες τον αριθμό των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων στον πυρήνα και τη θέση τους;
Η υπόθεση για την πλανητική δομή των ατόμων έγινε με βάση τα αποτελέσματα του βομβαρδισμού ενός λεπτού μεταλλικού φύλλου με διάφορα σωματίδια. Το σχήμα δείχνει καθαρά πώς αλληλεπιδρούν διάφορα στοιχειώδη σωματίδια με την ύλη.
Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που πέρασαν από το μέταλλο στα πειράματα ήταν ίσος με μηδέν. Αυτό εξηγείται απλά: τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια απωθούνται από τα ηλεκτρονιακά κελύφη του μετάλλου, τα οποία έχουν επίσης αρνητικό φορτίο.
Η δέσμη πρωτονίων (φόρτιση +) πέρασε από το φύλλο, αλλά με «απώλειες». Μερικοί απωθήθηκαν από τους πυρήνες που εμπόδισαν (η πιθανότητα τέτοιων χτυπημάτων είναι πολύ μικρή), κάποιοι παρέκκλιναν από την αρχική τροχιά, πετώντας πολύ κοντά σε έναν από τους πυρήνες.
Τα νετρόνια έγιναν τα πιο «αποτελεσματικά» όσον αφορά την υπέρβαση του μετάλλου. Ένα ουδέτερα φορτισμένο σωματίδιο χάθηκε μόνο σε περίπτωση άμεσης σύγκρουσης με τον πυρήνα της ουσίας, ενώ το 99,99% των νετρονίων πέρασε επιτυχώς από το πάχος του μετάλλου. Παρεμπιπτόντως, ήταν δυνατός ο υπολογισμός του μεγέθους των πυρήνων ορισμένων χημικών στοιχείων με βάση τον αριθμό των νετρονίων στην είσοδο και στην έξοδο.
Με βάση τα δεδομένα που ελήφθησαν, οικοδομήθηκε η επί του παρόντος κυρίαρχη θεωρία της δομής της ύλης, η οποία εξηγεί με επιτυχία τα περισσότερα από τα ζητήματα.
Τι και πόσο
Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο εξαρτάται από τον ατομικό αριθμό. Για παράδειγμα, ένα συνηθισμένο άτομο υδρογόνου έχειμόνο ένα πρωτόνιο. Ένα μόνο ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από μια τροχιά. Το επόμενο στοιχείο του περιοδικού πίνακα, το ήλιο, είναι λίγο πιο περίπλοκο. Ο πυρήνας του αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια και επομένως έχει ατομική μάζα 4.
Με την αύξηση του σειριακού αριθμού, το μέγεθος και η μάζα του ατόμου μεγαλώνουν. Ο αύξων αριθμός ενός χημικού στοιχείου στον περιοδικό πίνακα αντιστοιχεί στο φορτίο του πυρήνα (τον αριθμό των πρωτονίων σε αυτόν). Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Για παράδειγμα, ένα άτομο μολύβδου (ατομικός αριθμός 82) έχει 82 πρωτόνια στον πυρήνα του. Υπάρχουν 82 ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα. Για να υπολογίσουμε τον αριθμό των νετρονίων σε έναν πυρήνα, αρκεί να αφαιρέσουμε τον αριθμό των πρωτονίων από την ατομική μάζα:
207 – 82=125.
Γιατί υπάρχουν πάντα ίσοι αριθμοί
Κάθε σύστημα στο σύμπαν μας προσπαθεί για σταθερότητα. Όπως εφαρμόζεται στο άτομο, αυτό εκφράζεται στην ουδετερότητά του. Αν για ένα δευτερόλεπτο φανταστούμε ότι όλα τα άτομα χωρίς εξαίρεση στο Σύμπαν έχουν το ένα ή το άλλο φορτίο διαφορετικών μεγεθών με διαφορετικά ζώδια, μπορεί κανείς να φανταστεί τι είδους χάος θα ερχόταν στον κόσμο.
Αλλά επειδή ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ίσος, το συνολικό φορτίο κάθε "τούβλου" είναι μηδέν.
Ο αριθμός των νετρονίων σε ένα άτομο είναι μια ανεξάρτητη τιμή. Επιπλέον, τα άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου μπορούν να έχουν διαφορετικό αριθμό από αυτά τα σωματίδια με μηδενικό φορτίο. Παράδειγμα:
- 1 πρωτόνιο + 1 ηλεκτρόνιο + 0 νετρόνια=υδρογόνο (ατομική μάζα 1);
- 1 πρωτόνιο + 1 ηλεκτρόνιο + 1 νετρόνιο=δευτέριο (ατομική μάζα 2);
- 1 πρωτόνιο + 1 ηλεκτρόνιο + 2νετρόνιο=τρίτιο (ατομική μάζα 3).
Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο άτομο δεν αλλάζει, το άτομο παραμένει ουδέτερο, η μάζα του αλλάζει. Τέτοιες παραλλαγές χημικών στοιχείων ονομάζονται ισότοπα.
Είναι ένα άτομο πάντα ουδέτερο
Όχι, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο δεν είναι πάντα ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Εάν ένα ή δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να «απομακρυνθούν» από ένα άτομο για λίγο, δεν θα υπήρχε τέτοιο πράγμα όπως ο γαλβανισμός. Ένα άτομο, όπως κάθε ύλη, μπορεί να επηρεαστεί.
Υπό την επίδραση ενός αρκετά ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου από το εξωτερικό στρώμα του ατόμου, ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια μπορούν να «πετάξουν μακριά». Στην περίπτωση αυτή, το σωματίδιο της ουσίας παύει να είναι ουδέτερο και ονομάζεται ιόν. Μπορεί να κινηθεί σε αέριο ή υγρό μέσο, μεταφέροντας ένα ηλεκτρικό φορτίο από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Με αυτόν τον τρόπο, ένα ηλεκτρικό φορτίο αποθηκεύεται στις μπαταρίες και οι λεπτότερες μεμβράνες ορισμένων μετάλλων εφαρμόζονται στις επιφάνειες άλλων (επιχρύσωση, επάργυρη, επιχρωμίωση, επινικέλιο κ.λπ.).
Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι επίσης ασταθής σε μέταλλα - αγωγούς ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στιβάδων, όπως ήταν, περπατούν από άτομο σε άτομο, μεταφέροντας ηλεκτρική ενέργεια μέσω του αγωγού.
