Multă vreme multe proprietăți ale materiei au rămas un secret pentru cercetători. De ce unele substanțe conduc bine electricitatea, în timp ce altele nu? De ce fierul se descompune treptat sub influența atmosferei, în timp ce metalele nobile sunt perfect conservate de mii de ani? Multe dintre aceste întrebări au primit răspuns după ce o persoană a devenit conștientă de structura atomului: structura lui, numărul de electroni din fiecare strat de electroni. Mai mult, stăpânirea chiar și a elementelor de bază ale structurii nucleelor atomice a deschis o nouă eră pentru lume.
Din ce elemente este construită cărămida elementară a materiei, cum interacționează ele între ele, ce putem învăța din asta?
Structura atomului în viziunea științei moderne
În prezent, majoritatea oamenilor de știință tind să adere la modelul planetar al structurii materiei. Conform acestui model, în centrul fiecărui atom există un nucleu, mic chiar și în comparație cu atomul (este de zeci de mii de ori mai mic decât întregulatom). Dar nu același lucru se poate spune despre masa nucleului. Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu. Nucleul este încărcat pozitiv.
Electronii se rotesc în jurul nucleului pe orbite diferite, nu circulare, cum este cazul planetelor sistemului solar, ci tridimensionale (sfere și volum opt). Numărul de electroni dintr-un atom este numeric egal cu sarcina nucleului. Dar este foarte dificil să consideri un electron ca o particulă care se mișcă de-a lungul unui fel de traiectorie.
Orbita sa este mică, iar viteza este aproape ca a unui fascicul de lumină, așa că este mai corect să considerăm electronul împreună cu orbita sa ca un fel de sferă încărcată negativ.
Membri ai familiei nucleare
Toți atomii sunt formați din 3 elemente constitutive: protoni, electroni și neutroni.
Protonul este principalul material de construcție al nucleului. Greutatea sa este egală cu o unitate atomică (masa unui atom de hidrogen) sau 1,67 ∙ 10-27 kg în sistemul SI. Particula este încărcată pozitiv, iar sarcina sa este luată ca unitate în sistemul sarcinilor electrice elementare.
Neutronul este geamănul de masă al protonului, dar nu este încărcat în niciun fel.
Cele două particule de mai sus se numesc nuclizi.
Un electron este opusul unui proton în sarcină (sarcina elementară este -1). Dar în ceea ce privește greutatea, electronul ne dezamăgesc, masa lui este de doar 9, 12 ∙ 10-31 kg, care este de aproape 2 mii de ori mai ușor decât un proton sau un neutron.
Cum a fost „văzut”
Cum ai putea vedea structura atomului, dacă nici cele mai moderne mijloace tehnice nu permitiar pe termen scurt nu va permite obținerea de imagini ale particulelor sale constitutive. Cum au știut oamenii de știință numărul de protoni, neutroni și electroni din nucleu și locația lor?
Ipoteza despre structura planetară a atomilor a fost făcută pe baza rezultatelor bombardării unei folii subțiri de metal cu diferite particule. Figura arată clar modul în care diverse particule elementare interacționează cu materia.
Numărul de electroni care au trecut prin metal în experimente a fost egal cu zero. Acest lucru se explică simplu: electronii încărcați negativ sunt respinși din învelișurile de electroni ale metalului, care au și o sarcină negativă.
Fascicul de protoni (sarcina +) a trecut prin folie, dar cu „pierderi”. Unele au fost respinse de nucleele care au ieșit în cale (probabilitatea unor astfel de lovituri este foarte mică), altele au deviat de la traiectoria inițială, zburând prea aproape de unul dintre nuclee.
Neutronii au devenit cei mai „eficienți” în ceea ce privește depășirea metalului. O particulă încărcată neutru s-a pierdut doar în cazul unei coliziuni directe cu miezul substanței, în timp ce 99,99% dintre neutroni au trecut cu succes prin grosimea metalului. Apropo, a fost posibil să se calculeze dimensiunea nucleelor anumitor elemente chimice pe baza numărului de neutroni la intrare și la ieșire.
Pe baza datelor obținute, a fost construită teoria dominantă în prezent a structurii materiei, care explică cu succes majoritatea problemelor.
Ce și cât
Numărul de electroni dintr-un atom depinde de numărul atomic. De exemplu, un atom de hidrogen obișnuit aredoar un proton. Un singur electron se învârte pe o orbită. Următorul element al tabelului periodic, heliul, este puțin mai complicat. Nucleul său este format din doi protoni și doi neutroni și are astfel o masă atomică de 4.
Odată cu creșterea numărului de serie, dimensiunea și masa atomului cresc. Numărul de serie al unui element chimic din tabelul periodic corespunde sarcinii nucleului (numărul de protoni din acesta). Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni. De exemplu, un atom de plumb (număr atomic 82) are 82 de protoni în nucleu. Există 82 de electroni pe orbită în jurul nucleului. Pentru a calcula numărul de neutroni dintr-un nucleu, este suficient să scazi numărul de protoni din masa atomică:
207 – 82=125.
De ce există întotdeauna numere egale
Fiecare sistem din universul nostru se străduiește pentru stabilitate. Așa cum se aplică atomului, aceasta este exprimată în neutralitatea acestuia. Dacă pentru o secundă ne imaginăm că toți atomii, fără excepție, din Univers au una sau alta sarcină de mărimi diferite cu semne diferite, ne putem imagina ce fel de haos ar veni în lume.
Dar, deoarece numărul de protoni și electroni dintr-un atom este egal, sarcina totală a fiecărei „cărămizi” este zero.
Numărul de neutroni dintr-un atom este o valoare independentă. Mai mult, atomii aceluiași element chimic pot avea un număr diferit de aceste particule cu sarcină zero. Exemplu:
- 1 proton + 1 electron + 0 neutroni=hidrogen (masa atomică 1);
- 1 proton + 1 electron + 1 neutron=deuteriu (masa atomică 2);
- 1 proton + 1 electron + 2neutron=tritiu (masa atomică 3).
În acest caz, numărul de electroni din atom nu se modifică, atomul rămâne neutru, masa lui se modifică. Astfel de variații ale elementelor chimice sunt numite izotopi.
Este un atom întotdeauna neutru
Nu, numărul de electroni dintr-un atom nu este întotdeauna egal cu numărul de protoni. Dacă un electron sau doi nu ar putea fi „luați” dintr-un atom pentru o perioadă, nu ar exista galvanizarea. Un atom, ca orice materie, poate fi influențat.
Sub influența unui câmp electric suficient de puternic din stratul exterior al atomului, unul sau mai mulți electroni pot „zbura departe”. În acest caz, particula substanței încetează să mai fie neutră și se numește ion. Se poate deplasa într-un mediu gazos sau lichid, transferând o sarcină electrică de la un electrod la altul. În acest fel, o sarcină electrică este stocată în baterii, iar peliculele mai subțiri ale unor metale sunt aplicate pe suprafețele altora (placare cu aur, placare cu argint, placare cu crom, placare cu nichel etc.).
Numărul de electroni este, de asemenea, instabil în metale - conductoare de curent electric. Electronii straturilor exterioare, parcă, merg de la atom la atom, transferând energie electrică prin conductor.
