Matērijas struktūras fiziku vispirms nopietni pētīja Džozefs J. Tomsons. Tomēr daudzi jautājumi palika neatbildēti. Pēc kāda laika E. Rezerfords spēja formulēt atoma uzbūves modeli. Rakstā mēs apsvērsim pieredzi, kas viņu noveda pie atklājuma. Tā kā matērijas struktūra ir viena no interesantākajām tēmām fizikas stundās, mēs analizēsim tās galvenos aspektus. Uzzinām, no kā sastāv atoms, uzzinām, kā tajā atrast elektronu, protonu, neitronu skaitu. Iepazīsimies ar izotopu un jonu jēdzienu.
Elektrona atklāšana
1897. gadā angļu zinātnieks Džozefs Džons Tomsons (viņa portrets redzams zemāk) pētīja elektrisko strāvu, tas ir, virzītu lādiņu kustību gāzēs. Tolaik fizika jau zināja par vielas molekulāro uzbūvi. Bija zināms, ka visi ķermeņi ir izgatavoti no matērijas, kas sastāv no molekulām, bet pēdējās ir no atomiem.
Tomsons atklāja, ka noteiktos apstākļos gāzes atomi izdala daļiņas ar negatīvu lādiņu (qel <0). Tos sauc par elektroniem. Atoms ir neitrāls, kas nozīmē, ka, ja no tā izlido elektroni, tad tur ir jāsatur arī pozitīvas daļiņas. Kura ir atoma daļa ar "+" zīmi? Kā tas mijiedarbojas ar negatīvi lādētu elektronu? Kas nosaka atoma masu? Kāds cits zinātnieks varētu atbildēt uz visiem šiem jautājumiem.
Raterforda eksperiments
1911. gadā fizikā jau bija sākotnējā informācija par matērijas uzbūvi. Ernests Raterfords atklāja to, ko mēs šodien saucam par atoma kodolu.
Ir lietas, kurām ir dīvaina īpašība: tās spontāni izdala dažādas daļiņas, gan pozitīvas, gan negatīvas. Šādas vielas sauc par radioaktīvām. Pozitīvi lādētos elementus Razerfords sauca par alfa daļiņām (α-daļiņām).
Tiem ir "+" lādiņš, kas vienāds ar diviem elementārlādiņiem (qα=+2e). Elementu svars ir aptuveni vienāds ar četrām ūdeņraža atoma masām. Rezerfords paņēma radioaktīvu preparātu, kas izstaro alfa daļiņas, un ar to plūsmu bombardēja plānu zelta kārtiņu (foliju).
Viņš atklāja, ka lielākā daļa α-elementu gandrīz nemaina virzienu, ejot cauri metāla atomiem. Taču ļoti maz ir tādu, kas novirzās atpakaļ. Kāpēc tas notiek? Zinot matērijas uzbūves fiziku, varam atbildēt: jo iekšāzelta atomi, tāpat kā jebkurš cits, ir pozitīvi elementi, kas atgrūž alfa daļiņas. Bet kāpēc tas notiek tikai ar ļoti dažiem elementiem? Jo atoma pozitīvi lādētās daļas izmērs ir daudz mazāks par sevi. Rezerfords nonāca pie šāda secinājuma. Viņš sauca pozitīvi lādēto atoma daļu par kodolu.
Atoma ierīce
Matērijas struktūras fizika: molekulas sastāv no atomiem, kas satur niecīgu pozitīvi lādētu daļu (kodolu), ko ieskauj elektroni. Atoma neitralitāte ir izskaidrojama ar to, ka elektronu kopējais negatīvais lādiņš ir vienāds ar pozitīvo - kodolu. qcore + qel=0. Kāpēc elektroni nekrīt uz kodola, jo tie tiek piesaistīti? Lai atbildētu uz šo jautājumu, Rezerfords ierosināja, ka tās griežas tāpat kā planētas pārvietojas ap sauli un nesaduras ar to. Tā ir kustība, kas ļauj šai sistēmai būt stabilai. Rezerforda atoma modeli sauc par planetāro.
Ja atoms ir neitrāls un elektronu skaitam tajā jābūt veselam skaitlim, tad kodola lādiņš ir vienāds ar šo vērtību ar plus zīmi. qkodoli=+ze. z ir elektronu skaits neitrālā atomā. Šajā gadījumā kopējā maksa ir nulle. Kā uzzināt elektronu skaitu atomā? Jums jāizmanto periodiskā elementu tabula. Atoma izmēri ir 10-10 m. Un kodoli ir 100 tūkstošus reižu mazāki - 10-15 m.
Iedomāsimies, ka esam palielinājuši serdes izmēru līdz 1 metram. Cietā vielā attālums starp atomiem ir aptuveni vienāds ar to lielumu, kas nozīmē, ka izmēripalielināsies līdz 105, kas ir 100 km. Tas ir, atoms ir praktiski tukšs, tāpēc alfa daļiņas pārsvarā lido caur foliju gandrīz bez novirzes.
Kodola struktūra
Matērijas struktūras fizika ir tāda, ka kodols sastāv no divu veidu daļiņām. Daži no tiem ir pozitīvi uzlādēti. Ja mēs uzskatām atomu, kurā ir trīs elektroni, tad tā iekšpusē ir trīs daļiņas ar pozitīvu lādiņu. Tos sauc par protoniem. Citiem elementiem nav elektriskā lādiņa - neitroniem.
Protonu un neitronu masas ir aptuveni vienādas. Abu daļiņu svars ir daudz lielāks nekā elektronam. mprotons ≈ 1837mel. Tas pats attiecas uz neitrona masu. No tā izriet secinājums: pozitīvi un neitrāli lādētu daļiņu svars ir faktors, kas nosaka atoma masu. Protoniem un neitroniem ir kopīgs nosaukums - nukleoni. Atomu svaru nosaka to skaits, ko sauc par kodola masas skaitli. Mēs apzīmējām elektronu skaitu atomā ar burtu z, bet, tā kā tas ir neitrāls, pozitīvo un negatīvo daļiņu skaitam ir jāsakrīt. Tāpēc z sauc arī par protonu vai lādiņa skaitli.
Ja zinām masas un lādiņa skaitli, tad varam atrast neitronu skaitu N. N=A - z. Kā uzzināt, cik nukleonu un protonu ir kodolā? Izrādās, ka periodiskajā tabulā pie katra elementa ir skaitlis, ko ķīmiķi sauc par relatīvo atommasu.
Ja mēs to noapaļosim, mēs neiegūsim neko vairāk kāmasas skaitlis vai nukleonu skaits kodolā (A). Elementa atomskaitlis ir protonu skaits (z). Zinot A un z, ir viegli atrast N - neitronu skaitu. Ja atoms ir neitrāls, tad elektronu un protonu skaits ir vienāds.
Izotopi
Ir tādas kodola šķirnes, kurās protonu skaits ir vienāds, bet neitronu skaits var atšķirties (tas nozīmē vienu un to pašu ķīmisko elementu). Tos sauc par izotopiem. Dabā dažādu veidu atomi ir sajaukti, tāpēc ķīmiķi mēra vidējo masu. Tāpēc periodiskajā tabulā atoma relatīvais svars vienmēr ir daļskaitlis. Izdomāsim, kas notiek ar neitrālu atomu, ja no tā tiek noņemts elektrons vai, gluži otrādi, tiek ievietots papildu.
Joni
Apsveriet neitrālu litija atomu. Ir kodols, divi elektroni atrodas uz viena apvalka un trīs uz otras. Ja kādu no tiem atņemam, iegūstam pozitīvi lādētu kodolu. qkodoli =3. vieta. Elektroni kompensē tikai divus no trim elementārlādiņiem, un mēs iegūstam pozitīvu jonu. Tas ir apzīmēts šādi: Li+. Jons ir atoms, kurā elektronu skaits ir mazāks vai lielāks par protonu skaitu kodolā. Pirmajā gadījumā tas ir pozitīvs jons. Ja pievienosim papildu elektronu, tad tie būs četri, un mēs iegūsim negatīvu jonu (Li-). Tāda ir matērijas uzbūves fizika. Tātad neitrāls atoms atšķiras no jona ar to, ka tajā esošie elektroni pilnībā kompensē kodola lādiņu.
