Fysiken i materiens struktur studerades först på allvar av Joseph J. Thomson. Många frågor förblev dock obesvarade. En tid senare kunde E. Rutherford formulera en modell av atomens struktur. I artikeln kommer vi att överväga upplevelsen som ledde honom till upptäckten. Eftersom materiens struktur är ett av de mest intressanta ämnena i fysiklektionerna kommer vi att analysera dess nyckelaspekter. Vi lär oss vad en atom består av, lär oss hur man hittar antalet elektroner, protoner, neutroner i den. Låt oss bekanta oss med begreppet isotoper och joner.
Upptäckt av elektronen
År 1897 studerade den engelske vetenskapsmannen Joseph John Thomson (hans porträtt kan ses nedan) elektrisk ström, det vill säga den riktade rörelsen av laddningar i gaser. Vid den tiden visste fysiken redan om materiens molekylära struktur. Det var känt att alla kroppar är gjorda av materia, som är gjord av molekyler, och de senare är gjorda av atomer.
Thomson upptäckte att gasatomer under vissa förhållanden avger partiklar med negativ laddning (qel <0). De kallas elektroner. Atomen är neutral, vilket betyder att om elektroner flyger ut ur den så måste även positiva partiklar finnas där. Vilken del av atomen har "+"-tecknet? Hur interagerar den med en negativt laddad elektron? Vad bestämmer massan av en atom? En annan forskare skulle kunna svara på alla dessa frågor.
Rutherfords experiment
År 1911 hade fysiken redan den första informationen om materiens struktur. Ernest Rutherford upptäckte vad vi idag kallar atomkärnan.
Det finns saker som har en konstig egenskap: de avger spontant olika partiklar, både positiva och negativa. Sådana ämnen kallas radioaktiva. Positivt laddade grundämnen Rutherford kallas alfapartiklar (α-partiklar).
De har en "+"-laddning som är lika med två elementära laddningar (qα=+2e). Grundämnenas vikt är ungefär lika med fyra massor av en väteatom. Rutherford tog ett radioaktivt preparat som avger alfapartiklar och bombarderade en tunn film av guld (folie) med deras ström.
Han fann att de flesta α-element knappt ändrar riktning när de passerar genom metallatomer. Men det är väldigt få som avviker baklänges. Varför händer det här? Genom att känna till fysiken i materiens struktur kan vi svara: för inutiguldatomer, som alla andra, finns det positiva element som stöter bort alfapartiklar. Men varför händer detta bara med väldigt få element? Eftersom storleken på den positivt laddade delen av atomen är mycket mindre än den själv. Rutherford kom till denna slutsats. Han kallade den positivt laddade delen av atomen kärnan.
Atomens enhet
Fysik för materiens struktur: Molekyler är uppbyggda av atomer som innehåller en liten positivt laddad del (kärna) omgiven av elektroner. Atomens neutralitet förklaras av det faktum att elektronernas totala negativa laddning är lika med den positiva - kärnan. qcore + qel=0. Varför faller inte elektroner på kärnan, för att de attraheras? För att svara på denna fråga föreslog Rutherford att de roterar som planeterna rör sig runt solen och inte kolliderar med den. Det är rörelsen som gör att detta system är stabilt. Rutherfords modell av atomen kallas planetarisk.
Om atomen är neutral och antalet elektroner i den måste vara heltal, är kärnans laddning lika med detta värde med ett plustecken. qcores=+ze. z är antalet elektroner i en neutral atom. I detta fall är den totala laddningen noll. Hur hittar man antalet elektroner i en atom? Du måste använda det periodiska systemet för grundämnen. Dimensionerna för en atom är av storleksordningen 10-10 m. Och kärnorna är 100 tusen gånger mindre - 10-15 m.
Låt oss föreställa oss att vi ökade storleken på kärnan till 1 meter. I ett fast ämne är avståndet mellan atomerna ungefär lika med storleken på dem själva, vilket betyder att dimensionernakommer att öka till 105, vilket är 100 km. Det vill säga atomen är praktiskt taget tom, varför alfapartiklarna för det mesta flyger genom folien nästan utan avböjning.
Structure of the nucleus
Fysiken i materiens struktur är sådan att kärnan består av två sorters partiklar. En del av dem är positivt laddade. Om vi betraktar en atom som har tre elektroner, så finns det tre partiklar med en positiv laddning inuti den. De kallas protoner. Andra grundämnen har ingen elektrisk laddning - neutroner.
Protonens och neutronens massor är ungefär lika stora. Båda partiklarna har en vikt som är mycket större än en elektron. mproton ≈ 1837mel. Detsamma gäller neutronens massa. Slutsatsen följer av detta: vikten av positivt och neutr alt laddade partiklar är en faktor som bestämmer massan av en atom. Protoner och neutroner har ett gemensamt namn - nukleoner. Vikten av en atom bestäms av deras antal, vilket kallas massatalet för kärnan. Vi betecknade antalet elektroner i en atom med bokstaven z, men eftersom det är neutr alt måste antalet positiva och negativa partiklar matcha. Därför kallas z också proton- eller laddningsnumret.
Om vi känner till massan och laddningstalet kan vi hitta antalet neutroner N. N=A - z. Hur tar man reda på hur många nukleoner och protoner som finns i kärnan? Det visar sig att det i det periodiska systemet, bredvid varje grundämne, finns ett tal som kemister kallar den relativa atommassan.
Om vi rundar av det får vi inget mer änmassantal eller antalet nukleoner i kärnan (A). Atomnumret för ett grundämne är antalet protoner (z). Genom att känna till A och z är det lätt att hitta N - antalet neutroner. Om atomen är neutral är antalet elektroner och protoner lika.
Isotopes
Det finns varianter av kärnan där antalet protoner är detsamma, men antalet neutroner kan skilja sig åt (vilket betyder samma kemiska grundämne). De kallas isotoper. I naturen blandas atomer av olika slag, så kemister mäter medelmassan. Det är därför i det periodiska systemet den relativa vikten av en atom alltid är ett bråktal. Låt oss ta reda på vad som händer med en neutral atom om en elektron tas bort från den eller omvänt placeras en extra.
joner
Tänk på en neutral litiumatom. Det finns en kärna, två elektroner finns på ett skal och tre på det andra. Om vi tar bort en av dem får vi en positivt laddad kärna. qcores =3:a. Elektroner kompenserar bara två av de tre elementära laddningarna, och vi får en positiv jon. Den betecknas enligt följande: Li+. En jon är en atom där antalet elektroner är mindre än eller större än antalet protoner i kärnan. I det första fallet är det en positiv jon. Om vi lägger till en extra elektron blir det fyra av dem, och vi får en negativ jon (Li-). Sådan är fysiken i materiens struktur. Så en neutral atom skiljer sig från en jon genom att elektronerna i den helt kompenserar för kärnans laddning.
