Pikka aega jäid paljud mateeria omadused teadlaste jaoks saladuseks. Miks juhivad mõned ained elektrit hästi, teised aga mitte? Miks laguneb raud atmosfääri mõjul järk-järgult, samas kui väärismetallid säilivad suurepäraselt tuhandeid aastaid? Paljud neist küsimustest said vastuse pärast seda, kui inimene sai teada aatomi struktuurist: selle struktuurist, elektronide arvust igas elektronikihis. Veelgi enam, isegi aatomituumade ehituse põhialuste omandamine avas maailmale uue ajastu.
Millistest elementidest on elementaarne aine tellis ehitatud, kuidas need omavahel suhtlevad. Mida me saame sellest õppida?
Aatomi struktuur kaasaegse teaduse vaates
Praegu kaldub enamik teadlasi järgima aine struktuuri planetaarset mudelit. Selle mudeli järgi on iga aatomi keskmes tuum, isegi aatomiga võrreldes väike (see on kümneid tuhandeid kordi väiksem kui tervikaatom). Kuid sama ei saa öelda tuuma massi kohta. Peaaegu kogu aatomi mass on koondunud tuuma. Tuum on positiivselt laetud.
Elektronid pöörlevad ümber tuuma erinevatel orbiitidel, mitte ringikujuliselt, nagu Päikesesüsteemi planeetide puhul, vaid kolmemõõtmeliselt (kerad ja ruumala kaheksad). Elektronide arv aatomis on arvuliselt võrdne tuuma laenguga. Kuid elektroni on väga raske pidada osakeseks, mis liigub mööda mingit trajektoori.
Selle orbiit on pisike ja kiirus on peaaegu nagu valguskiirel, seega on õigem pidada elektroni koos tema orbiidiga mingi negatiivse laenguga sfääriks.
Tuumaperekonna liikmed
Kõik aatomid koosnevad kolmest elemendist: prootonitest, elektronidest ja neutronitest.
Prooton on tuuma peamine ehitusmaterjal. Selle kaal on võrdne aatomiühikuga (vesinikuaatomi mass) või SI-süsteemis 1,67 ∙ 10-27 kg. Osake on positiivselt laetud ja selle laeng võetakse elementaarelektrilaengute süsteemis ühikuna.
Neutron on prootoni massikaksik, kuid ei ole mingil viisil laetud.
Kahte ülalnimetatud osakest nimetatakse nukliidideks.
Elektron on laenguga prootoni vastand (elementaarlaeng on −1). Kuid kaalu osas vedas elektron meid alt, tema mass on vaid 9, 12 ∙ 10-31 kg, mis on peaaegu 2 tuhat korda kergem kui prootonil või neutronil.
Kuidas seda "näha"
Kuidas sa näeksid aatomi ehitust, kui isegi kõige kaasaegsemad tehnilised vahendid ei võimaldaja lühiajaliselt ei võimalda saada pilte selle koostisosakestest. Kuidas teadsid teadlased prootonite, neutronite ja elektronide arvu tuumas ning nende asukohta?
Eeldus aatomite planetaarse struktuuri kohta tehti õhukese metallfooliumi erinevate osakestega pommitamise tulemuste põhjal. Joonis näitab selgelt, kuidas erinevad elementaarosakesed suhtlevad ainega.
Katsetes metallist läbinud elektronide arv oli võrdne nulliga. Seda seletatakse lihts alt: negatiivselt laetud elektronid tõrjutakse metalli elektronkihtidelt, millel on ka negatiivne laeng.
Prootonite kiir (laeng +) läbis fooliumi, kuid "kadudega". Osa tõrjusid teele sattunud tuumad (selliste tabamuste tõenäosus on väga väike), osa kaldus esialgselt trajektoorilt kõrvale, lennates ühele tuumale liiga lähedale.
Neutronid muutusid metalli ületamise mõttes kõige "tõhusamaks". Neutraalselt laetud osake läks kaduma vaid otsesel kokkupõrkel aine tuumaga, samas kui 99,99% neutronitest läbis eduk alt metalli paksuse. Muide, sisendis ja väljundis olevate neutronite arvu järgi oli võimalik välja arvutada teatud keemiliste elementide tuumade suurus.
Saadud andmete põhjal ehitati praegu domineeriv aine struktuuri teooria, mis selgitab eduk alt enamikku probleemidest.
Mida ja kui palju
Elektronite arv aatomis oleneb aatomarvust. Näiteks on tavalisel vesinikuaatomilainult üks prooton. Üks elektron tiirleb orbiidil. Perioodilisuse tabeli järgmine element, heelium, on veidi keerulisem. Selle tuum koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist ning seega on selle aatommass 4.
Seerianumbri kasvades aatomi suurus ja mass kasvavad. Keemilise elemendi järjekorranumber perioodilisustabelis vastab tuuma laengule (selles olevate prootonite arvule). Elektronide arv aatomis on võrdne prootonite arvuga. Näiteks plii aatomi (aatomnumber 82) tuumas on 82 prootonit. Tuuma ümber tiirleb 82 elektroni. Tuuma neutronite arvu arvutamiseks piisab, kui lahutada aatommassist prootonite arv:
207 – 82=125.
Miks on alati võrdsed numbrid
Iga süsteem meie universumis püüdleb stabiilsuse poole. Aatomile rakendatuna väljendub see selle neutraalsuses. Kui hetkeks kujutada ette, et eranditult kõigil aatomitel Universumis on üks või teine erineva suurusega laeng erinevate märkidega, võib ette kujutada, milline kaos maailmas saabuks.
Kuid kuna prootonite ja elektronide arv aatomis on võrdne, on iga "tellise" kogulaeng null.
Neutronite arv aatomis on sõltumatu väärtus. Pealegi võib sama keemilise elemendi aatomitel olla erinev arv nulllaenguga osakesi. Näide:
- 1 prooton + 1 elektron + 0 neutronit=vesinik (aatommass 1);
- 1 prooton + 1 elektron + 1 neutron=deuteerium (aatommass 2);
- 1 prooton + 1 elektron + 2neutron=triitium (aatommass 3).
Sellisel juhul elektronide arv aatomis ei muutu, aatom jääb neutraalseks, tema mass muutub. Selliseid keemiliste elementide variatsioone nimetatakse isotoopideks.
Kas aatom on alati neutraalne
Ei, elektronide arv aatomis ei ole alati võrdne prootonite arvuga. Kui aatomilt ei saaks mõnda aega "ära võtta" elektroni või kahte, poleks sellist asja nagu galvaniseerimine. Aatomit, nagu iga ainet, saab mõjutada.
Aatomi väliskihist lähtuva piisav alt tugeva elektrivälja mõjul võib üks või mitu elektroni "ära lennata". Sel juhul lakkab aineosake olemast neutraalne ja seda nimetatakse iooniks. See võib liikuda gaasilises või vedelas keskkonnas, kandes elektrilaengu ühelt elektroodilt teisele. Sel viisil salvestatakse akudesse elektrilaeng ja mõne metalli kõige õhemad kiled kantakse teiste pindadele (kuldamine, hõbedamine, kroomimine, nikeldamine jne).
Elektronide arv on ebastabiilne ka metallides – elektrivoolujuhtides. Väliskihtide elektronid kõnnivad justkui aatomilt aatomile, kandes elektrienergiat läbi juhi.
