Fyziku štruktúry hmoty prvýkrát vážne študoval Joseph J. Thomson. Mnohé otázky však zostali nezodpovedané. O nejaký čas neskôr bol E. Rutherford schopný sformulovať model štruktúry atómu. V článku zvážime skúsenosti, ktoré ho viedli k objavu. Keďže štruktúra hmoty je jednou z najzaujímavejších tém na hodinách fyziky, rozoberieme jej kľúčové aspekty. Dozvieme sa, z čoho pozostáva atóm, naučíme sa, ako v ňom nájsť počet elektrónov, protónov, neutrónov. Poďme sa zoznámiť s pojmom izotopy a ióny.
Objav elektrónu
V roku 1897 anglický vedec Joseph John Thomson (jeho portrét je možné vidieť nižšie) študoval elektrický prúd, teda riadený pohyb nábojov v plynoch. V tom čase už fyzika vedela o molekulárnej štruktúre hmoty. Vedelo sa, že všetky telá sú vyrobené z hmoty, ktorá sa skladá z molekúl, a tie sú vyrobené z atómov.
Thomson objavil, že za určitých podmienok atómy plynu emitujú častice so záporným nábojom (qel <0). Nazývajú sa elektróny. Atóm je neutrálny, čo znamená, že ak z neho vyletia elektróny, musia tam byť obsiahnuté aj kladné častice. Aká je časť atómu so znamienkom „+“? Ako interaguje so záporne nabitým elektrónom? Čo určuje hmotnosť atómu? Iný vedec by mohol odpovedať na všetky tieto otázky.
Rutherfordov experiment
V roku 1911 už mala fyzika prvé informácie o štruktúre hmoty. Ernest Rutherford objavil to, čo dnes nazývame atómové jadro.
Existujú látky, ktoré majú zvláštnu vlastnosť: spontánne vyžarujú rôzne častice, pozitívne aj negatívne. Takéto látky sa nazývajú rádioaktívne. Pozitívne nabité prvky, ktoré Rutherford nazýval častice alfa (α-častice).
Majú „+“náboj rovný dvom elementárnym nábojom (qα=+2e). Hmotnosť prvkov sa približne rovná štyrom hmotnostiam atómu vodíka. Rutherford vzal rádioaktívny prípravok, ktorý vyžaruje alfa častice, a ich prúdom bombardoval tenký zlatý film (fóliu).
Zistil, že väčšina α-prvkov pri prechode cez atómy kovu sotva mení svoj smer. Ale je veľmi málo tých, ktorí sa odchyľujú dozadu. Prečo sa to deje? Poznajúc fyziku štruktúry hmoty môžeme odpovedať: pretože vo vnútriatómy zlata, ako každé iné, existujú pozitívne prvky, ktoré odpudzujú častice alfa. Prečo sa to však deje len s veľmi malým počtom prvkov? Pretože veľkosť kladne nabitej časti atómu je oveľa menšia ako on sám. Rutherford dospel k tomuto záveru. Kladne nabitú časť atómu nazval jadrom.
Zariadenie atómu
Fyzika štruktúry hmoty: Molekuly sa skladajú z atómov, ktoré obsahujú malú kladne nabitú časť (jadro) obklopenú elektrónmi. Neutralita atómu sa vysvetľuje tým, že celkový záporný náboj elektrónov sa rovná kladnému - jadru. qcore + qel=0. Prečo elektróny nedopadajú na jadro, pretože sú priťahované? Na zodpovedanie tejto otázky Rutherford navrhol, aby sa otáčali tak, ako sa planéty pohybujú okolo Slnka a nekolidujú s ním. Práve pohyb umožňuje, aby bol tento systém stabilný. Rutherfordov model atómu sa nazýva planetárny.
Ak je atóm neutrálny a počet elektrónov v ňom musí byť celé číslo, potom sa náboj jadra rovná tejto hodnote so znamienkom plus. qjadrá=+ze. z je počet elektrónov v neutrálnom atóme. V tomto prípade je celkový poplatok nulový. Ako zistiť počet elektrónov v atóme? Musíte použiť periodickú tabuľku prvkov. Rozmery atómu sú rádovo 10-10 m. A jadrá sú 100-tisíckrát menšie - 10-15 m.
Predstavme si, že sme zväčšili veľkosť jadra na 1 meter. V pevnej látke je vzdialenosť medzi atómami približne rovnaká ako ich veľkosť, čo znamená, že rozmerysa zvýši na 105, čo je 100 km. To znamená, že atóm je prakticky prázdny, a preto častice alfa väčšinou prelietajú fóliou takmer bez vychýlenia.
Štruktúra jadra
Fyzika štruktúry hmoty je taká, že jadro pozostáva z dvoch druhov častíc. Niektoré z nich sú kladne nabité. Ak vezmeme do úvahy atóm, ktorý má tri elektróny, potom v ňom sú tri častice s kladným nábojom. Nazývajú sa protóny. Ostatné prvky nemajú elektrický náboj – neutróny.
Hmotnosti protónu a neutrónu sú približne rovnaké. Obe častice majú oveľa väčšiu hmotnosť ako elektrón. mprotón ≈ 1837 mel. To isté platí pre hmotnosť neutrónu. Z toho vyplýva záver: hmotnosť kladne a neutrálne nabitých častíc je faktor, ktorý určuje hmotnosť atómu. Protóny a neutróny majú spoločný názov – nukleóny. Hmotnosť atómu je určená ich počtom, ktorý sa nazýva hmotnostné číslo jadra. Počet elektrónov v atóme sme označili písmenom z, ale keďže je neutrálny, počet kladných a záporných častíc sa musí zhodovať. Preto sa z nazýva aj protónové alebo nábojové číslo.
Ak poznáme hmotnosť a číslo náboja, môžeme nájsť počet neutrónov N. N=A - z. Ako zistiť, koľko nukleónov a protónov je v jadre? Ukazuje sa, že v periodickej tabuľke je vedľa každého prvku číslo, ktoré chemici nazývajú relatívnou atómovou hmotnosťou.
Ak to zaokrúhlime nahor, nedostaneme nič viac akohmotnostné číslo alebo počet nukleónov v jadre (A). Atómové číslo prvku je počet protónov (z). Keď poznáme A a z, je ľahké nájsť N - počet neutrónov. Ak je atóm neutrálny, potom je počet elektrónov a protónov rovnaký.
Izotopy
Existujú odrody jadra, v ktorých je počet protónov rovnaký, ale počet neutrónov sa môže líšiť (čo znamená rovnaký chemický prvok). Nazývajú sa izotopy. V prírode sa miešajú atómy rôznych druhov, takže chemici merajú priemernú hmotnosť. Preto je v periodickej tabuľke relatívna hmotnosť atómu vždy zlomkové číslo. Poďme zistiť, čo sa stane s neutrálnym atómom, ak sa z neho odstráni elektrón, alebo naopak, umiestni sa ďalší.
Ióny
Uvažujme o neutrálnom atóme lítia. Existuje jadro, dva elektróny sú umiestnené na jednom obale a tri na druhom. Ak jeden z nich odoberieme, dostaneme kladne nabité jadro. qjadrá =3. Elektróny kompenzujú iba dva z troch elementárnych nábojov a získame kladný ión. Označuje sa takto: Li+. Ión je atóm, v ktorom je počet elektrónov menší alebo väčší ako počet protónov v jadre. V prvom prípade ide o kladný ión. Ak pridáme ďalší elektrón, budú ich štyri a dostaneme záporný ión (Li-). Taká je fyzika štruktúry hmoty. Takže neutrálny atóm sa líši od iónu tým, že elektróny v ňom úplne kompenzujú náboj jadra.
