Aineen rakenteen fysiikkaa tutki ensimmäisenä vakavasti Joseph J. Thomson. Monet kysymykset jäivät kuitenkin vastaamatta. Jonkin aikaa myöhemmin E. Rutherford pystyi muotoilemaan mallin atomin rakenteesta. Artikkelissa tarkastellaan kokemusta, joka johti hänet löytöyn. Koska aineen rakenne on yksi mielenkiintoisimmista aiheista fysiikan tunneilla, analysoimme sen keskeisiä puolia. Opimme mistä atomi koostuu, opimme löytämään siitä elektronien, protonien ja neutronien lukumäärän. Tutustutaan isotooppien ja ionien käsitteeseen.
Elektronin löytö
Vuonna 1897 englantilainen tiedemies Joseph John Thomson (hänen muotokuvansa näkyy alla) tutki sähkövirtaa eli kaasujen varausten suunnattua liikettä. Fysiikka tiesi jo tuolloin aineen molekyylirakenteesta. Tiedettiin, että kaikki kappaleet koostuvat aineesta, joka koostuu molekyyleistä ja jälkimmäiset atomeista.
Thomson havaitsi, että tietyissä olosuhteissa kaasuatomit emittoivat hiukkasia, joilla on negatiivinen varaus (qel <0). Niitä kutsutaan elektroneiksi. Atomi on neutraali, mikä tarkoittaa, että jos elektronit lentävät siitä ulos, siellä on myös oltava positiivisia hiukkasia. Mikä on atomin osa, jossa on "+"-merkki? Miten se on vuorovaikutuksessa negatiivisesti varautuneen elektronin kanssa? Mikä määrittää atomin massan? Toinen tiedemies voisi vastata kaikkiin näihin kysymyksiin.
Rutherfordin kokeilu
Vuonna 1911 fysiikalla oli jo alustavat tiedot aineen rakenteesta. Ernest Rutherford löysi sen, mitä nykyään kutsumme atomin ytimeksi.
On asioita, joilla on outo ominaisuus: ne lähettävät spontaanisti erilaisia hiukkasia, sekä positiivisia että negatiivisia. Tällaisia aineita kutsutaan radioaktiivisiksi. Positiivisesti varautuneita elementtejä Rutherford kutsui alfa-hiukkasiksi (α-hiukkasiksi).
Niissä on "+"-varaus, joka vastaa kahta perusvarausta (qα=+2e). Alkuaineiden paino on suunnilleen yhtä suuri kuin vetyatomin neljä massaa. Rutherford otti radioaktiivisen valmisteen, joka lähettää alfahiukkasia, ja pommitti ohuen kultakalvon (folio) niiden virralla.
Hän havaitsi, että useimmat α-elementit tuskin muuttavat suuntaaan kulkiessaan metalliatomien läpi. Mutta hyvin harvat poikkeavat taaksepäin. Miksi tämä tapahtuu? Tietäen aineen rakenteen fysiikan, voimme vastata: koska sisälläkultaatomeissa, kuten kaikissa muissakin, on positiivisia elementtejä, jotka hylkivät alfahiukkasia. Mutta miksi tämä tapahtuu vain hyvin harvoilla elementeillä? Koska atomin positiivisesti varautuneen osan koko on paljon pienempi kuin se itse. Rutherford tuli tähän johtopäätökseen. Hän kutsui atomin positiivisesti varautunutta osaa ytimeksi.
Atomin laite
Aineen rakenteen fysiikka: Molekyylit koostuvat atomeista, jotka sisältävät pienen positiivisesti varautuneen osan (ytimen) elektronien ympäröimänä. Atomin neutraalisuus selittyy sillä, että elektronien negatiivinen kokonaisvaraus on yhtä suuri kuin positiivinen - ydin. qydin + qel=0. Miksi elektronit eivät putoa ytimeen, koska ne houkuttelevat? Vastatakseen tähän kysymykseen Rutherford ehdotti, että ne pyörivät kuten planeetat liikkuvat auringon ympäri eivätkä törmää sen kanssa. Tämä on liike, joka mahdollistaa tämän järjestelmän olevan vakaa. Rutherfordin atomimallia kutsutaan planetaariseksi.
Jos atomi on neutraali ja siinä olevien elektronien lukumäärän on oltava kokonaisluku, niin ytimen varaus on yhtä suuri kuin tämä arvo plusmerkillä. qytimet=+ze. z on elektronien lukumäärä neutraalissa atomissa. Tässä tapauksessa kokonaisveloitus on nolla. Kuinka löytää elektronien lukumäärä atomissa? Sinun on käytettävä elementtien jaksollista taulukkoa. Atomin mitat ovat luokkaa 10-10 m. Ja ytimet ovat 100 tuhatta kertaa pienempiä - 10-15 m.
Kuvitellaan, että kasvatimme ytimen koon 1 metriin. Kiinteässä aineessa atomien välinen etäisyys on suunnilleen sama kuin niiden koko, mikä tarkoittaa, että mitatkasvaa 105, mikä on 100 km. Toisin sanoen atomi on käytännössä tyhjä, minkä vuoksi alfahiukkaset lentävät enimmäkseen kalvon läpi lähes ilman taipumista.
Ytimen rakenne
Aineen rakenteen fysiikka on sellainen, että ydin koostuu kahden tyyppisistä hiukkasista. Jotkut niistä ovat positiivisesti varattuja. Jos tarkastelemme atomia, jossa on kolme elektronia, niin sen sisällä on kolme hiukkasta, joilla on positiivinen varaus. Niitä kutsutaan protoneiksi. Muilla elementeillä ei ole sähkövarausta - neutroneja.
Protonin ja neutronin massat ovat suunnilleen samat. Molempien hiukkasten paino on paljon suurempi kuin elektronin. mprotoni ≈ 1837mel. Sama koskee neutronin massaa. Tästä seuraa johtopäätös: positiivisesti ja neutraalisti varautuneiden hiukkasten paino on tekijä, joka määrää atomin massan. Protoneilla ja neutroneilla on yhteinen nimi - nukleonit. Atomin paino määräytyy niiden lukumäärän perusteella, jota kutsutaan ytimen massaluvuksi. Merkitsimme atomin elektronien lukumäärän kirjaimella z, mutta koska se on neutraali, positiivisten ja negatiivisten hiukkasten lukumäärän on vastattava. Siksi z:tä kutsutaan myös protoni- tai varausnumeroksi.
Jos tiedämme massa- ja varausluvun, voimme löytää neutronien lukumäärän N. N=A - z. Kuinka saada selville kuinka monta nukleonia ja protonia on ytimessä? Osoittautuu, että jaksollisessa taulukossa jokaisen alkuaineen vieressä on luku, jota kemistit kutsuvat suhteelliseksi atomimassaksi.
Jos pyöristämme sen, emme saa muuta kuinmassaluku tai nukleonien lukumäärä ytimessä (A). Alkuaineen atomiluku on protonien lukumäärä (z). Tietäen A ja z, on helppo löytää N - neutronien lukumäärä. Jos atomi on neutraali, niin elektronien ja protonien määrä on yhtä suuri.
Isotoopit
On olemassa erilaisia ytimiä, joissa protonien määrä on sama, mutta neutronien määrä voi vaihdella (eli samaa kemiallista alkuainetta). Niitä kutsutaan isotoopeiksi. Luonnossa erityyppiset atomit sekoittuvat, joten kemistit mittaavat keskimääräisen massan. Siksi jaksollisessa taulukossa atomin suhteellinen paino on aina murtoluku. Selvitetään, mitä tapahtuu neutraalille atomille, jos siitä poistetaan elektroni tai päinvastoin asetetaan ylimääräinen.
Ionit
Harkitse neutraalia litiumatomia. Siellä on ydin, kaksi elektronia sijaitsee toisessa ja kolme toisessa. Jos otamme yhden niistä pois, saamme positiivisesti varautuneen ytimen. qytimet =3. Elektronit kompensoivat vain kaksi kolmesta perusvarauksesta, ja saamme positiivisen ionin. Se on merkitty seuraavasti: Li+. Ioni on atomi, jossa elektronien lukumäärä on pienempi tai suurempi kuin protonien lukumäärä ytimessä. Ensimmäisessä tapauksessa se on positiivinen ioni. Jos lisäämme ylimääräisen elektronin, niin niitä on neljä ja saamme negatiivisen ionin (Li-). Sellaista on aineen rakenteen fysiikka. Neutraali atomi eroaa siis ionista siinä, että siinä olevat elektronit kompensoivat täysin ytimen varauksen.
