Veľa vlastností hmoty zostávalo pre výskumníkov dlho tajomstvom. Prečo niektoré látky vedú elektrinu dobre, zatiaľ čo iné nie? Prečo sa železo pod vplyvom atmosféry postupne rozkladá, zatiaľ čo ušľachtilé kovy sú dokonale zachované na tisíce rokov? Mnohé z týchto otázok boli zodpovedané po tom, čo si človek uvedomil štruktúru atómu: jeho štruktúru, počet elektrónov v každej elektrónovej vrstve. Navyše, zvládnutie aj samotných základov štruktúry atómových jadier otvorilo svetu novú éru.
Z akých prvkov je postavená elementárna tehla hmoty, ako na seba navzájom pôsobia, čo sa z toho môžeme naučiť?
Štruktúra atómu z pohľadu modernej vedy
V súčasnosti má väčšina vedcov tendenciu držať sa planetárneho modelu štruktúry hmoty. Podľa tohto modelu je v strede každého atómu jadro, dokonca aj v porovnaní s atómom maličké (je desaťtisíckrát menšie ako celýatóm). To isté sa však nedá povedať o hmotnosti jadra. Takmer všetka hmotnosť atómu je sústredená v jadre. Jadro je kladne nabité.
Elektróny rotujú okolo jadra po rôznych dráhach, nie kruhových, ako je to v prípade planét slnečnej sústavy, ale trojrozmerných (gule a objemové osmičky). Počet elektrónov v atóme sa číselne rovná náboju jadra. Ale je veľmi ťažké považovať elektrón za časticu, ktorá sa pohybuje po nejakej trajektórii.
Jeho dráha je malá a rýchlosť je takmer ako svetelný lúč, takže je správnejšie považovať elektrón spolu s jeho dráhou za akýsi druh negatívne nabitej gule.
Členovia jadrovej rodiny
Všetky atómy sa skladajú z 3 základných prvkov: protónov, elektrónov a neutrónov.
Protón je hlavným stavebným materiálom jadra. Jeho hmotnosť sa rovná atómovej jednotke (hmotnosti atómu vodíka) alebo 1,67 ∙ 10-27 kg v sústave SI. Častica je kladne nabitá a jej náboj sa berie ako jednotka v systéme elementárnych elektrických nábojov.
Neutrón je hmotnostné dvojča protónu, ale nie je žiadnym spôsobom nabitý.
Vyššie uvedené dve častice sa nazývajú nuklidy.
Elektrón je opakom náboja protónu (elementárny náboj je -1). Ale čo sa týka hmotnosti, elektrón nás sklamal, jeho hmotnosť je len 9, 12 ∙ 10-31 kg, čo je takmer 2000 krát ľahší ako protón alebo neutrón.
Ako to bolo "videné"
Ako by ste mohli vidieť štruktúru atómu, keď ani najmodernejšie technické prostriedky neumožňujúa v krátkodobom horizonte neumožní získať obrazy jeho základných častíc. Ako vedci poznali počet protónov, neutrónov a elektrónov v jadre a ich umiestnenie?
Predpoklad o planetárnej štruktúre atómov vznikol na základe výsledkov bombardovania tenkej kovovej fólie rôznymi časticami. Obrázok jasne ukazuje, ako rôzne elementárne častice interagujú s hmotou.
Počet elektrónov, ktoré prešli kovom v experimentoch, sa rovnal nule. Toto sa vysvetľuje jednoducho: záporne nabité elektróny sú odpudzované od elektrónových obalov kovu, ktoré majú tiež záporný náboj.
Lúč protónov (náboj +) prešiel fóliou, ale so „stratami“. Niektoré odrazili jadrá, ktoré im prekážali (pravdepodobnosť takýchto zásahov je veľmi malá), niektoré sa odchýlili od pôvodnej trajektórie a leteli príliš blízko jedného z jadier.
Najúčinnejšími z hľadiska prekonávania kovu sa stali neutróny. Neutrálne nabitá častica sa stratila iba v prípade priamej zrážky s jadrom látky, pričom 99,99 % neutrónov úspešne prešlo hrúbkou kovu. Mimochodom, bolo možné vypočítať veľkosť jadier určitých chemických prvkov na základe počtu neutrónov na vstupe a výstupe.
Na základe získaných údajov bola vybudovaná v súčasnosti dominantná teória štruktúry hmoty, ktorá úspešne vysvetľuje väčšinu problémov.
Čo a koľko
Počet elektrónov v atóme závisí od atómového čísla. Napríklad obyčajný atóm vodíka málen jeden protón. Jediný elektrón obieha okolo po obežnej dráhe. Ďalší prvok periodickej tabuľky, hélium, je o niečo komplikovanejší. Jeho jadro pozostáva z dvoch protónov a dvoch neutrónov a má teda atómovú hmotnosť 4.
S rastom sériového čísla rastie veľkosť a hmotnosť atómu. Poradové číslo chemického prvku v periodickej tabuľke zodpovedá náboju jadra (počet protónov v ňom). Počet elektrónov v atóme sa rovná počtu protónov. Napríklad atóm olova (atómové číslo 82) má vo svojom jadre 82 protónov. Na obežnej dráhe okolo jadra je 82 elektrónov. Na výpočet počtu neutrónov v jadre stačí odpočítať počet protónov od atómovej hmotnosti:
207 – 82=125.
Prečo sú vždy rovnaké čísla
Každý systém v našom vesmíre sa snaží o stabilitu. Pri použití atómu je to vyjadrené v jeho neutralite. Ak si na sekundu predstavíme, že všetky atómy bez výnimky vo vesmíre majú ten či onen náboj rôznej veľkosti s rôznymi znakmi, možno si predstaviť, aký chaos by nastal na svete.
Ale keďže počet protónov a elektrónov v atóme je rovnaký, celkový náboj každej „tehly“je nula.
Počet neutrónov v atóme je nezávislá hodnota. Navyše atómy toho istého chemického prvku môžu mať rôzny počet týchto častíc s nulovým nábojom. Príklad:
- 1 protón + 1 elektrón + 0 neutrónov=vodík (atómová hmotnosť 1);
- 1 protón + 1 elektrón + 1 neutrón=deutérium (atómová hmotnosť 2);
- 1 protón + 1 elektrón + 2neutrón=trícium (atómová hmotnosť 3).
V tomto prípade sa počet elektrónov v atóme nemení, atóm zostáva neutrálny, mení sa jeho hmotnosť. Takéto variácie chemických prvkov sa nazývajú izotopy.
Je atóm vždy neutrálny
Nie, počet elektrónov v atóme sa nie vždy rovná počtu protónov. Ak by sa jeden alebo dva elektróny nedali na chvíľu „vziať“z atómu, neexistovalo by nič také ako galvanizácia. Atóm, ako každá hmota, môže byť ovplyvnený.
Vplyvom dostatočne silného elektrického poľa z vonkajšej vrstvy atómu môže jeden alebo viacero elektrónov „odletieť“. V tomto prípade častica látky prestáva byť neutrálna a nazýva sa ión. Môže sa pohybovať v plynnom alebo kvapalnom médiu a prenášať elektrický náboj z jednej elektródy na druhú. Týmto spôsobom sa v batériách ukladá elektrický náboj a na povrchy iných kovov sa nanášajú najtenšie vrstvy niektorých kovov (pozlátenie, striebrenie, chrómovanie, niklovanie atď.).
Počet elektrónov je nestabilný aj v kovoch - vodičoch elektrického prúdu. Elektróny vonkajších vrstiev sa pohybujú od atómu k atómu a prenášajú elektrickú energiu cez vodič.
