Länge förblev många egenskaper hos materien en hemlighet för forskare. Varför leder vissa ämnen elektricitet bra, medan andra inte gör det? Varför bryts järn gradvis ned under påverkan av atmosfären, medan ädelmetaller är perfekt bevarade i tusentals år? Många av dessa frågor besvarades efter att en person blev medveten om atomens struktur: dess struktur, antalet elektroner i varje elektronlager. Att behärska till och med grunderna i atomkärnornas struktur öppnade dessutom en ny era för världen.
Av vilka element är den elementära tegelstenen av materia byggd, hur interagerar de med varandra, vad kan vi lära oss av detta?
Atomens struktur enligt modern vetenskap
För närvarande tenderar de flesta forskare att hålla sig till planetmodellen för materiens struktur. Enligt denna modell finns i mitten av varje atom en kärna, liten även i jämförelse med atomen (den är tiotusentals gånger mindre än helaatom). Men detsamma kan inte sägas om kärnans massa. Nästan all massa av en atom är koncentrerad i kärnan. Kärnan är positivt laddad.
Elektroner roterar runt kärnan i olika banor, inte cirkulära, som är fallet med solsystemets planeter, utan tredimensionella (sfärer och volymåttor). Antalet elektroner i en atom är numeriskt lika med kärnans laddning. Men det är väldigt svårt att betrakta en elektron som en partikel som rör sig längs någon form av bana.
Dess bana är liten, och hastigheten är nästan som en ljusstråle, så det är mer korrekt att betrakta elektronen tillsammans med dess bana som en sorts negativt laddad sfär.
Medlemmar av kärnfamiljen
Alla atomer är uppbyggda av tre ingående element: protoner, elektroner och neutroner.
Proton är kärnans huvudsakliga byggmaterial. Dess vikt är lika med en atomenhet (massan av en väteatom) eller 1,67 ∙ 10-27 kg i SI-systemet. Partikeln är positivt laddad och dess laddning tas som en enhet i systemet av elementära elektriska laddningar.
Neutronen är protonens masstvilling, men laddas inte på något sätt.
Ovanstående två partiklar kallas nuklider.
En elektron är motsatsen till en proton i laddning (den elementära laddningen är −1). Men när det gäller vikt sviker elektronen oss, dess massa är bara 9, 12 ∙ 10-31 kg, vilket är nästan 2 tusen gånger lättare än en proton eller neutron.
Hur det "sågs"
Hur skulle du kunna se atomens struktur, om inte ens de modernaste tekniska medlen tillåteroch på kort sikt inte kommer att tillåta att få bilder av dess beståndsdelar partiklar. Hur visste forskarna antalet protoner, neutroner och elektroner i kärnan och deras placering?
Antagandet om atomernas planetariska struktur gjordes på grundval av resultaten av bombarderingen av en tunn metallfolie med olika partiklar. Figuren visar tydligt hur olika elementarpartiklar interagerar med materia.
Antalet elektroner som passerade genom metallen i experimenten var lika med noll. Detta förklaras enkelt: negativt laddade elektroner stöts bort från metallens elektronskal, som också har en negativ laddning.
Protonstrålen (laddning +) passerade genom folien, men med "förluster". Vissa stöttes bort av kärnorna som kom i vägen (sannolikheten för sådana träffar är mycket liten), vissa avvek från den ursprungliga banan och flög för nära en av kärnorna.
Neutroner blev den mest "effektiva" när det gäller att övervinna metall. En neutr alt laddad partikel gick förlorad endast i fallet med en direkt kollision med kärnan av ämnet, medan 99,99% av neutronerna lyckades passera genom metallens tjocklek. Förresten, det var möjligt att beräkna storleken på kärnorna hos vissa kemiska grundämnen baserat på antalet neutroner vid ingången och utgången.
Baserat på erhållna data byggdes den för närvarande dominerande teorin om materiens struktur, som framgångsrikt förklarar de flesta problem.
Vad och hur mycket
Antalet elektroner i en atom beror på atomnumret. Till exempel har en vanlig väteatombara en proton. En enskild elektron cirklar runt i en bana. Nästa element i det periodiska systemet, helium, är lite mer komplicerat. Dess kärna består av två protoner och två neutroner och har således en atommassa på 4.
Med tillväxten av serienumret växer atomens storlek och massa. Serienumret för ett kemiskt element i det periodiska systemet motsvarar kärnans laddning (antalet protoner i den). Antalet elektroner i en atom är lika med antalet protoner. Till exempel har en blyatom (atomnummer 82) 82 protoner i sin kärna. Det finns 82 elektroner i omloppsbana runt kärnan. För att beräkna antalet neutroner i en kärna räcker det att subtrahera antalet protoner från atommassan:
207 – 82=125.
Varför finns det alltid lika siffror
Varje system i vårt universum strävar efter stabilitet. Såsom applicerat på atomen uttrycks detta i dess neutralitet. Om vi för en sekund föreställer oss att alla atomer utan undantag i universum har en eller annan laddning av olika storlek med olika tecken, kan man föreställa sig vilken typ av kaos som skulle komma i världen.
Men eftersom antalet protoner och elektroner i en atom är lika, är den totala laddningen för varje "tegelsten" noll.
Antalet neutroner i en atom är ett oberoende värde. Dessutom kan atomer av samma kemiska element ha ett annat antal av dessa partiklar utan laddning. Exempel:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutroner=väte (atommassa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterium (atommassa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tritium (atommassa 3).
I det här fallet ändras inte antalet elektroner i atomen, atomen förblir neutral, dess massa ändras. Sådana variationer av kemiska grundämnen kallas isotoper.
Är en atom alltid neutral
Nej, antalet elektroner i en atom är inte alltid lika med antalet protoner. Om en elektron eller två inte kunde "tas bort" från en atom på ett tag, skulle det inte finnas något sådant som galvanisering. En atom, som vilken materia som helst, kan påverkas.
Under inverkan av ett tillräckligt starkt elektriskt fält från atomens yttre skikt kan en eller flera elektroner "flyga iväg". I detta fall upphör partikeln av ämnet att vara neutral och kallas en jon. Den kan röra sig i ett gas- eller flytande medium och överföra en elektrisk laddning från en elektrod till en annan. På detta sätt lagras en elektrisk laddning i batterier, och de tunnaste filmerna av vissa metaller appliceras på andras ytor (guldplätering, silverplätering, kromplätering, nickelplätering, etc.).
Antalet elektroner är också instabilt i metaller - ledare av elektrisk ström. Elektronerna i de yttre lagren går så att säga från atom till atom och överför elektrisk energi genom ledaren.
