Fizica structurii materiei a fost studiată serios pentru prima dată de Joseph J. Thomson. Cu toate acestea, multe întrebări au rămas fără răspuns. Un timp mai târziu, E. Rutherford a reușit să formuleze un model al structurii atomului. În articol vom lua în considerare experiența care l-a condus la descoperire. Întrucât structura materiei este una dintre cele mai interesante subiecte din lecțiile de fizică, vom analiza aspectele cheie ale acesteia. Învățăm în ce constă un atom, învățăm cum să găsim numărul de electroni, protoni și neutroni din el. Să ne familiarizăm cu conceptul de izotopi și ioni.
Descoperirea electronului
În 1897, omul de știință englez Joseph John Thomson (portretul său poate fi văzut mai jos) a studiat curentul electric, adică mișcarea dirijată a sarcinilor în gaze. La acea vreme, fizica știa deja despre structura moleculară a materiei. Se știa că toate corpurile sunt făcute din materie, care este făcută din molecule, iar acestea din urmă sunt formate din atomi.
Thomson a descoperit că, în anumite condiții, atomii de gaz emit particule cu sarcină negativă (qel <0). Se numesc electroni. Atomul este neutru, ceea ce înseamnă că, dacă electronii zboară din el, atunci particulele pozitive trebuie să fie și ele conținute acolo. Care este partea atomului cu semnul „+”? Cum interacționează cu un electron încărcat negativ? Ce determină masa unui atom? Un alt om de știință ar putea răspunde la toate aceste întrebări.
experimentul lui Rutherford
În 1911, fizica deținea deja informațiile inițiale despre structura materiei. Ernest Rutherford a descoperit ceea ce noi astăzi numim nucleul atomic.
Există chestiuni care au o proprietate ciudată: emit în mod spontan diverse particule, atât pozitive, cât și negative. Astfel de substanțe se numesc radioactive. Elementele încărcate pozitiv Rutherford numite particule alfa (particule α).
Au o taxă „+” egală cu două sarcini elementare (qα=+2e). Greutatea elementelor este aproximativ egală cu patru mase ale unui atom de hidrogen. Rutherford a luat un preparat radioactiv care emite particule alfa și a bombardat o peliculă subțire de aur (folie) cu fluxul lor.
El a descoperit că majoritatea elementelor α abia își schimbă direcția atunci când trec prin atomii de metal. Dar sunt foarte puțini cei care deviază înapoi. De ce se întâmplă asta? Cunoscând fizica structurii materiei, putem răspunde: pentru că în interiorAtomii de aur, ca oricare alții, există elemente pozitive care resping particulele alfa. Dar de ce se întâmplă asta doar cu foarte puține elemente? Deoarece dimensiunea părții încărcate pozitiv a atomului este mult mai mică decât ea însăși. Rutherford a ajuns la această concluzie. El a numit partea încărcată pozitiv a atomului nucleu.
Dispozitivul atomului
Fizica structurii materiei: Moleculele sunt formate din atomi, care conțin o mică parte încărcată pozitiv (nucleu) înconjurată de electroni. Neutralitatea atomului se explică prin faptul că sarcina totală negativă a electronilor este egală cu cea pozitivă - nucleul. qcore + qel=0. De ce nu cad electronii pe nucleu, pentru că sunt atrași? Pentru a răspunde la această întrebare, Rutherford a sugerat că ele se rotesc așa cum planetele se mișcă în jurul Soarelui și nu se ciocnesc cu acesta. Este mișcarea care permite ca acest sistem să fie stabil. Modelul atomului lui Rutherford se numește planetar.
Dacă atomul este neutru, iar numărul de electroni din el trebuie să fie întreg, atunci sarcina nucleului este egală cu această valoare cu semnul plus. qcores=+ze. z este numărul de electroni dintr-un atom neutru. În acest caz, taxa totală este zero. Cum se află numărul de electroni dintr-un atom? Trebuie să utilizați tabelul periodic al elementelor. Dimensiunile unui atom sunt de ordinul 10-10 m. Iar nucleele sunt de 100 de mii de ori mai mici - 10-15 m.
Să ne imaginăm că am mărit dimensiunea miezului la 1 metru. Într-un solid, distanța dintre atomi este aproximativ egală cu dimensiunea lor, ceea ce înseamnă că dimensiunileva crește la 105, adică 100 km. Adică, atomul este practic gol, motiv pentru care particulele alfa zboară în mare parte prin folie fără aproape nicio deviere.
Structura nucleului
Fizica structurii materiei este de așa natură încât nucleul este format din două tipuri de particule. Unele dintre ele sunt încărcate pozitiv. Dacă luăm în considerare un atom care are trei electroni, atunci în interiorul lui există trei particule cu sarcină pozitivă. Se numesc protoni. Alte elemente nu au o sarcină electrică - neutroni.
Masele protonului și neutronului sunt aproximativ egale. Ambele particule au o greutate mult mai mare decât un electron. mproton ≈ 1837mel. Același lucru este valabil și pentru masa neutronului. De aici rezultă concluzia: greutatea particulelor încărcate pozitiv și neutru este un factor care determină masa unui atom. Protonii și neutronii au un nume comun - nucleoni. Greutatea unui atom este determinată de numărul lor, care se numește numărul de masă al nucleului. Am notat numărul de electroni dintr-un atom cu litera z, dar, deoarece este neutru, numărul de particule pozitive și negative trebuie să se potrivească. Prin urmare, z este numit și proton sau număr de încărcare.
Dacă cunoaștem masa și numărul de sarcină, atunci putem găsi numărul de neutroni N. N=A - z. Cum să aflați câți nucleoni și protoni sunt în nucleu? Se pare că în tabelul periodic, lângă fiecare element, există un număr pe care chimiștii îl numesc masa atomică relativă.
Dacă o rotunjim, nu obținem nimic mai mult decâtnumărul de masă sau numărul de nucleoni din nucleu (A). Numărul atomic al unui element este numărul de protoni (z). Cunoscând A și z, este ușor de găsit N - numărul de neutroni. Dacă atomul este neutru, atunci numărul de electroni și protoni este egal.
izotopi
Există varietăți ale nucleului în care numărul de protoni este același, dar numărul de neutroni poate diferi (adică același element chimic). Se numesc izotopi. În natură, atomii de diferite tipuri sunt amestecați, așa că chimiștii măsoară masa medie. De aceea, în tabelul periodic greutatea relativă a unui atom este întotdeauna un număr fracționar. Să ne dăm seama ce se întâmplă cu un atom neutru dacă un electron este îndepărtat din el sau, dimpotrivă, este plasat unul suplimentar.
Ioni
Luați în considerare un atom de litiu neutru. Există un nucleu, doi electroni sunt localizați pe o înveliș și trei pe ceal altă. Dacă luăm unul dintre ele, obținem un nucleu încărcat pozitiv. qcore =al treilea. Electronii compensează doar două dintre cele trei sarcini elementare și obținem un ion pozitiv. Este desemnat după cum urmează: Li+. Un ion este un atom în care numărul de electroni este mai mic sau mai mare decât numărul de protoni din nucleu. În primul caz, este un ion pozitiv. Dacă adăugăm un electron în plus, atunci vor fi patru dintre ei și vom obține un ion negativ (Li-). Aceasta este fizica structurii materiei. Deci, un atom neutru diferă de un ion prin faptul că electronii din el compensează complet sarcina nucleului.
