Aine struktuuri füüsikat uuris esmakordselt tõsiselt Joseph J. Thomson. Paljud küsimused jäid aga vastuseta. Mõni aeg hiljem suutis E. Rutherford sõnastada aatomi ehituse mudeli. Artiklis käsitleme kogemusi, mis viisid ta avastuseni. Kuna aine struktuur on füüsikatundides üks huvitavamaid teemasid, siis analüüsime selle põhiaspekte. Õpime, millest aatom koosneb, õpime, kuidas leida selles elektronide, prootonite, neutronite arvu. Tutvume isotoopide ja ioonide mõistega.
Elektroni avastamine
Inglise teadlane Joseph John Thomson (tema portree on näha allpool) uuris 1897. aastal elektrivoolu, see tähendab laengute suunatud liikumist gaasides. Sel ajal teadis füüsika juba aine molekulaarstruktuuri. Teati, et kõik kehad koosnevad ainest, mis koosneb molekulidest, viimased aga aatomitest.
Thomson avastas, et teatud tingimustel eraldavad gaasiaatomid negatiivse laenguga osakesi (qel <0). Neid nimetatakse elektronideks. Aatom on neutraalne, mis tähendab, et kui elektronid lendavad se alt välja, siis peavad seal olema ka positiivsed osakesed. Mis on aatomi osa, millel on "+" märk? Kuidas see suhtleb negatiivselt laetud elektroniga? Mis määrab aatomi massi? Kõigile neile küsimustele võiks vastata mõni teine teadlane.
Rutherfordi eksperiment
Aastal 1911 oli füüsikal juba esialgne teave aine struktuuri kohta. Ernest Rutherford avastas selle, mida me täna kutsume aatomituumaks.
On asju, millel on kummaline omadus: need eraldavad spontaanselt erinevaid osakesi, nii positiivseid kui ka negatiivseid. Selliseid aineid nimetatakse radioaktiivseteks. Positiivselt laetud elemente nimetas Rutherford alfaosakesteks (α-osakesteks).
Neil on "+" laeng, mis võrdub kahe elementaarlaenguga (qα=+2e). Elementide kaal on ligikaudu võrdne nelja vesinikuaatomi massiga. Rutherford võttis radioaktiivse preparaadi, mis kiirgab alfaosakesi, ja pommitas nende vooluga õhukese kullakihi (fooliumiga).
Ta leidis, et enamik α-elemente ei muuda peaaegu oma suunda läbides metalliaatomeid. Kuid neid, kes kalduvad tagasi, on väga vähe. Miks see juhtub? Teades aine ehituse füüsikat, võime vastata: kuna seeskullaaatomites, nagu igas teises, on positiivseid elemente, mis tõrjuvad alfaosakesi. Aga miks see juhtub ainult väga väheste elementidega? Kuna aatomi positiivselt laetud osa suurus on palju väiksem kui tema ise. Rutherford jõudis sellele järeldusele. Ta nimetas aatomi positiivselt laetud osa tuumaks.
Aatomi seade
Aine struktuuri füüsika: molekulid koosnevad aatomitest, mis sisaldavad pisikest positiivselt laetud osa (tuuma), mida ümbritsevad elektronid. Aatomi neutraalsus on seletatav asjaoluga, et elektronide negatiivne kogulaeng on võrdne positiivsega - tuumaga. qcore + qel=0. Miks elektronid ei lange tuumale, sest nad tõmbavad endasse? Sellele küsimusele vastamiseks soovitas Rutherford, et need pöörleksid nagu planeedid liiguvad ümber Päikese ega põrka sellega kokku. See on liikumine, mis võimaldab sellel süsteemil olla stabiilne. Rutherfordi aatomimudelit nimetatakse planetaarseks.
Kui aatom on neutraalne ja elektronide arv selles peab olema täisarv, siis võrdub tuuma laeng selle väärtusega plussmärgiga. qsüdamikud=+ze. z on elektronide arv neutraalses aatomis. Sel juhul on kogutasu null. Kuidas leida elektronide arvu aatomis? Peate kasutama elementide perioodilist tabelit. Aatomi mõõtmed on suurusjärgus 10-10 m. Ja tuumad on 100 tuhat korda väiksemad - 10-15 m.
Kujutame ette, et suurendasime südamiku suurust 1 meetrini. Tahkis on aatomite vaheline kaugus ligikaudu võrdne nende endi suurusega, mis tähendab, et mõõtmedsuureneb 105-ni, mis on 100 km. See tähendab, et aatom on praktiliselt tühi, mistõttu alfaosakesed lendavad enamasti läbi fooliumi peaaegu ilma läbipaindeta.
Tuuma struktuur
Aine struktuuri füüsika on selline, et tuum koosneb kahte tüüpi osakestest. Mõned neist on positiivselt laetud. Kui arvestada aatomiga, millel on kolm elektroni, siis selle sees on kolm positiivse laenguga osakest. Neid nimetatakse prootoniteks. Teistel elementidel pole elektrilaengut – neutronid.
Prootoni ja neutroni massid on ligikaudu võrdsed. Mõlema osakese kaal on palju suurem kui elektronil. mprooton ≈ 1837mel. Sama kehtib ka neutroni massi kohta. Sellest järeldub järeldus: positiivselt ja neutraalselt laetud osakeste mass on aatomi massi määrav tegur. Prootonitel ja neutronitel on ühine nimetus – nukleonid. Aatomi massi määrab nende arv, mida nimetatakse tuuma massiarvuks. Aatomis olevate elektronide arvu tähistasime tähega z, kuid kuna see on neutraalne, peab positiivsete ja negatiivsete osakeste arv ühtima. Seetõttu nimetatakse z-d ka prootoni- või laengunumbriks.
Kui teame massi ja laengu arvu, siis leiame neutronite arvu N. N=A - z. Kuidas teada saada, kui palju nukleoneid ja prootoneid tuumas on? Selgub, et perioodilisuse tabelis on iga elemendi kõrval arv, mida keemikud nimetavad suhteliseks aatommassiks.
Kui ümardame selle üles, ei saa me midagi enamat kuimassiarv või nukleonite arv tuumas (A). Elemendi aatomnumber on prootonite arv (z). Teades A ja z, on lihtne leida N - neutronite arv. Kui aatom on neutraalne, on elektronide ja prootonite arv võrdne.
Isotoobid
Tuumades on sorte, milles prootonite arv on sama, kuid neutronite arv võib erineda (see tähendab sama keemilist elementi). Neid nimetatakse isotoopideks. Looduses on erinevat tüüpi aatomid segunenud, nii et keemikud mõõdavad keskmist massi. Seetõttu on perioodilisuse tabelis aatomi suhteline kaal alati murdarv. Mõelgem välja, mis juhtub neutraalse aatomiga, kui sellelt elektron eemaldatakse või, vastupidi, lisatakse üks.
Ioonid
Mõelge neutraalsele liitiumiaatomile. Seal on tuum, ühel kestal asuvad kaks ja teisel kolm elektroni. Kui me võtame neist ühe ära, saame positiivselt laetud tuuma. qsüdamikud =3. Elektronid kompenseerivad ainult kahte kolmest elementaarlaengust ja saame positiivse iooni. See on tähistatud järgmiselt: Li+. Ioon on aatom, milles elektronide arv on väiksem või suurem kui prootonite arv tuumas. Esimesel juhul on see positiivne ioon. Kui lisame täiendava elektroni, siis on neid neli ja saame negatiivse iooni (Li-). Selline on aine ehituse füüsika. Seega erineb neutraalne aatom ioonist selle poolest, et selles olevad elektronid kompenseerivad täielikult tuuma laengu.
