Monet aineen ominaisuudet pysyivät pitkään salaisuutena tutkijoille. Miksi jotkut aineet johtavat sähköä hyvin, kun taas toiset eivät? Miksi rauta hajoaa vähitellen ilmakehän vaikutuksesta, kun taas jalometallit säilyvät täydellisesti tuhansia vuosia? Moniin näistä kysymyksistä vastattiin sen jälkeen, kun henkilö tuli tietoiseksi atomin rakenteesta: sen rakenteesta, elektronien lukumäärästä jokaisessa elektronikerroksessa. Lisäksi jopa atomiytimien rakenteen perusasioiden hallitseminen avasi maailmalle uuden aikakauden.
Mistä elementeistä aineen alkeistiili on rakennettu, miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään, mitä voimme oppia tästä?
Atomin rakenne modernin tieteen näkökulmasta
Tällä hetkellä useimmilla tiedemiehillä on taipumus noudattaa aineen rakenteen planeettamallia. Tämän mallin mukaan jokaisen atomin keskellä on ydin, joka on pieni jopa atomiin verrattuna (se on kymmeniä tuhansia kertoja pienempi kuin kokoatomi). Mutta samaa ei voida sanoa ytimen massasta. Lähes kaikki atomin massa on keskittynyt ytimeen. Ydin on positiivisesti varautunut.
Elektronit pyörivät ytimen ympäri eri kiertoradoilla, eivät ympyrämäisesti, kuten aurinkokunnan planeetoilla, vaan kolmiulotteisina (pallot ja tilavuuskahdeksat). Atomissa olevien elektronien lukumäärä on numeerisesti yhtä suuri kuin ytimen varaus. Mutta on hyvin vaikeaa pitää elektronia hiukkasena, joka liikkuu jonkinlaista lentorataa pitkin.
Sen kiertorata on pieni ja nopeus on melkein kuin valonsäteen, joten on oikeampaa pitää elektronia yhdessä sen kiertoradan kanssa eräänlaisena negatiivisesti varautuneena pallona.
Ydinperheen jäseniä
Kaikki atomit koostuvat kolmesta alkuaineesta: protoneista, elektroneista ja neutroneista.
Protoni on ytimen päärakennusmateriaali. Sen paino on yhtä suuri kuin atomiyksikkö (vetyatomin massa) tai 1,67 ∙ 10-27 kg SI-järjestelmässä. Hiukkanen on positiivisesti varautunut, ja sen varaus otetaan yksikkönä alkeissähkövarausten järjestelmässä.
Neutroni on protonin massakaksos, mutta se ei ole varautunut millään tavalla.
Yllä olevia kahta hiukkasta kutsutaan nuklideiksi.
Elektroni on varautuneen protonin vastakohta (alkuainevaraus on −1). Mutta painon suhteen elektroni petti meidät, sen massa on vain 9, 12 ∙ 10-31 kg, mikä on lähes 2 tuhatta kertaa kevyempi kuin protoni tai neutroni.
Kuinka se "nähdettiin"
Kuinka voisit nähdä atomin rakenteen, jos nykyaikaisimmatkaan tekniset keinot eivät sallija lyhyellä aikavälillä se ei salli kuvien saamista sen ainesosista. Mistä tiedemiehet tiesivät ytimessä olevien protonien, neutronien ja elektronien lukumäärän ja niiden sijainnin?
Oletus atomien planeettarakenteesta tehtiin tulosten perusteella, jotka pommitettiin ohutta metallikalvoa erilaisilla hiukkasilla. Kuvassa näkyy selvästi, kuinka erilaiset alkuainehiukkaset ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa.
Metallin läpi kokeissa kulkeneiden elektronien määrä oli nolla. Tämä selitetään yksinkertaisesti: negatiivisesti varautuneet elektronit hylkivät metallin elektronikuorista, joilla on myös negatiivinen varaus.
Protonisäde (varaus +) kulki kalvon läpi, mutta "häviöin". Jotkut hylkäsivät tielle jääneet ytimet (tällaisten osumien todennäköisyys on hyvin pieni), jotkut poikkesivat alkuperäisestä lentorad alta lentäen liian lähelle yhtä ytimistä.
Neutroneista tuli "tehokkain" metallin voittamisen kann alta. Neutraalisesti varautunut hiukkanen katosi vain suorassa törmäyksessä aineen ytimen kanssa, kun taas 99,99 % neutroneista läpäisi onnistuneesti metallin paksuuden. Muuten, tiettyjen kemiallisten alkuaineiden ytimien koko oli mahdollista laskea tulon ja ulostulon neutronien lukumäärän perusteella.
Saadun tiedon perusteella rakennettiin tällä hetkellä hallitseva teoria aineen rakenteesta, joka selittää onnistuneesti suurimman osan ongelmista.
Mitä ja kuinka paljon
Atomissa olevien elektronien lukumäärä riippuu atomiluvusta. Esimerkiksi tavallisella vetyatomilla onvain yksi protoni. Yksi elektroni kiertää kiertoradalla. Jaksollisen taulukon seuraava elementti, helium, on hieman monimutkaisempi. Sen ydin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, joten sen atomimassa on 4.
Sarjanumeron kasvaessa atomin koko ja massa kasvavat. Kemiallisen alkuaineen sarjanumero jaksollisessa taulukossa vastaa ytimen varausta (protonien lukumäärää siinä). Atomissa olevien elektronien määrä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä. Esimerkiksi lyijyatomin (atominumero 82) ytimessä on 82 protonia. Ytimen kiertoradalla on 82 elektronia. Ytimen neutronien lukumäärän laskemiseksi riittää, että protonien lukumäärä vähennetään atomimassasta:
207 – 82=125.
Miksi on aina yhtä suuret luvut
Jokainen järjestelmä universumissamme pyrkii vakauteen. Atomiin sovellettuna tämä ilmaistaan sen neutraalisuudessa. Jos hetkeksi kuvittelemme, että kaikilla universumin atomeilla poikkeuksetta on yksi tai toinen eri suuruusluokan varaus eri merkein, voidaan kuvitella, millainen kaaos maailmaan tulisi.
Mutta koska protonien ja elektronien määrä atomissa on yhtä suuri, kunkin "tiilen" kokonaisvaraus on nolla.
Neutronien lukumäärä atomissa on itsenäinen arvo. Lisäksi saman kemiallisen alkuaineen atomeissa voi olla eri määrä näitä hiukkasia, joilla on nollavaraus. Esimerkki:
- 1 protoni + 1 elektroni + 0 neutronia=vety (atomimassa 1);
- 1 protoni + 1 elektroni + 1 neutroni=deuterium (atomimassa 2);
- 1 protoni + 1 elektroni + 2neutroni=tritium (atomimassa 3).
Tässä tapauksessa elektronien lukumäärä atomissa ei muutu, atomi pysyy neutraalina, sen massa muuttuu. Tällaisia kemiallisten alkuaineiden muunnelmia kutsutaan isotoopeiksi.
Onko atomi aina neutraali
Ei, atomin elektronien lukumäärä ei aina ole yhtä suuri kuin protonien lukumäärä. Jos yhtä tai kahta elektronia ei voitaisi "ottaa pois" atomista vähään aikaan, galvanisointia ei olisi olemassa. Atomiin, kuten mihin tahansa aineeseen, voidaan vaikuttaa.
Atomin ulkokerroksesta tulevan riittävän voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta yksi tai useampi elektroni voi "lentää pois". Tässä tapauksessa aineen hiukkanen lakkaa olemasta neutraali ja sitä kutsutaan ioniksi. Se voi liikkua kaasussa tai nestemäisessä väliaineessa siirtäen sähkövarauksen elektrodista toiseen. Tällä tavalla akkuihin varastoidaan sähkövaraus ja joidenkin metallien ohuimmat kalvot levitetään muiden pinnoille (kullaus, hopeapinnoitus, kromipinnoitus, nikkelipinnoitus jne.).
Elektronien lukumäärä on myös epävakaa metalleissa - sähkövirran johtimissa. Ulkokerrosten elektronit ikään kuin kävelevät atomista atomiin siirtäen sähköenergiaa johtimen läpi.
