Ilgu laiku daudzas matērijas īpašības pētniekiem palika noslēpumā. Kāpēc dažas vielas labi vada elektrību, bet citas ne? Kāpēc atmosfēras ietekmē dzelzs pakāpeniski sadalās, bet cēlmetāli lieliski saglabājas tūkstošiem gadu? Uz daudziem no šiem jautājumiem tika atbildēts pēc tam, kad cilvēks uzzināja par atoma uzbūvi: tā uzbūvi, elektronu skaitu katrā elektronu slānī. Turklāt, apgūstot pat pašus atomu kodolu uzbūves pamatus, pasaulei pavērās jauns laikmets.
No kādiem elementiem ir uzbūvēts elementārais matērijas ķieģelis, kā tie mijiedarbojas savā starpā, ko mēs no tā varam mācīties?
Atoma struktūra mūsdienu zinātnes skatījumā
Šobrīd lielākā daļa zinātnieku mēdz pieturēties pie matērijas struktūras planetārā modeļa. Saskaņā ar šo modeli katra atoma centrā atrodas kodols, niecīgs pat salīdzinājumā ar atomu (tas ir desmitiem tūkstošu reižu mazāks par visuatoms). Bet to nevar teikt par kodola masu. Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā. Kodols ir pozitīvi uzlādēts.
Elektroni griežas ap kodolu dažādās orbītās, nevis apļveida, kā tas ir Saules sistēmas planētu gadījumā, bet gan trīsdimensiju (sfēras un tilpuma astotnieki). Elektronu skaits atomā ir skaitliski vienāds ar kodola lādiņu. Bet ir ļoti grūti uzskatīt elektronu par daļiņu, kas pārvietojas pa kādu trajektoriju.
Tā orbīta ir niecīga, un ātrums ir gandrīz kā gaismas staram, tāpēc pareizāk ir uzskatīt elektronu kopā ar tā orbītu par sava veida negatīvi lādētu sfēru.
Kodolģimenes locekļi
Visi atomi sastāv no 3 elementiem: protoniem, elektroniem un neitroniem.
Protons ir galvenais kodola būvmateriāls. Tā svars ir vienāds ar atomu vienību (ūdeņraža atoma masu) vai 1,67 ∙ 10-27 kg SI sistēmā. Daļiņa ir pozitīvi uzlādēta, un tās lādiņš elementāro elektrisko lādiņu sistēmā tiek uztverts kā vienība.
Neitrons ir protona masas dvīnis, taču tas nekādā veidā nav uzlādēts.
Abas iepriekš minētās daļiņas sauc par nuklīdiem.
Elektrons ir pretstats lādētajam protonam (elementārais lādiņš ir –1). Bet svara ziņā elektrons mūs pievīla, tā masa ir tikai 9, 12 ∙ 10-31 kg, kas ir gandrīz 2 tūkstošus reižu vieglāks par protonu vai neitronu.
Kā tas tika "redzēts"
Kā jūs varētu redzēt atoma uzbūvi, ja pat vismodernākie tehniskie līdzekļi neļaujun īstermiņā neļaus iegūt attēlus no tā sastāvā esošajām daļiņām. Kā zinātnieki uzzināja protonu, neitronu un elektronu skaitu kodolā un to atrašanās vietu?
Pieņēmums par atomu planētu uzbūvi tika izdarīts, pamatojoties uz plānas metāla folijas bombardēšanas ar dažādām daļiņām rezultātiem. Attēlā skaidri parādīts, kā dažādas elementārdaļiņas mijiedarbojas ar vielu.
Elektronu skaits, kas eksperimentos izgāja cauri metālam, bija vienāds ar nulli. To izskaidro vienkārši: negatīvi lādēti elektroni tiek atgrūsti no metāla elektronu apvalkiem, kuriem arī ir negatīvs lādiņš.
Protonu stars (lādiņš +) izgāja cauri folijai, bet ar "zaudējumiem". Dažus atvairīja ceļā nonākušie kodoli (šādu sitienu iespējamība ir ļoti maza), daži novirzījās no sākotnējās trajektorijas, lidojot pārāk tuvu vienam no kodoliem.
Neitrons kļuva par "efektīvāko" metāla pārvarēšanas ziņā. Neitrāli lādēta daļiņa tika zaudēta tikai tiešās sadursmes gadījumā ar vielas kodolu, savukārt 99,99% neitronu veiksmīgi izgāja cauri metāla biezumam. Starp citu, bija iespējams aprēķināt noteiktu ķīmisko elementu kodolu izmērus, pamatojoties uz neitronu skaitu ieejā un izejā.
Pamatojoties uz iegūtajiem datiem, tika uzbūvēta šobrīd dominējošā matērijas uzbūves teorija, kas veiksmīgi izskaidro lielāko daļu jautājumu.
Ko un cik
Elektronu skaits atomā ir atkarīgs no atomu skaita. Piemēram, parastajam ūdeņraža atomam irtikai viens protons. Viens elektrons riņķo pa orbītu. Nākamais periodiskās tabulas elements, hēlijs, ir nedaudz sarežģītāks. Tā kodols sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, un tādējādi tā atomu masa ir 4.
Palielinoties sērijas numuram, pieaug atoma izmērs un masa. Ķīmiskā elementa kārtas numurs periodiskajā tabulā atbilst kodola lādiņam (protonu skaitam tajā). Elektronu skaits atomā ir vienāds ar protonu skaitu. Piemēram, svina atoma (atoma numurs 82) kodolā ir 82 protoni. Orbītā ap kodolu atrodas 82 elektroni. Lai aprēķinātu neitronu skaitu kodolā, pietiek ar to, lai no atomu masas atņemtu protonu skaitu:
207–82=125.
Kāpēc vienmēr ir vienādi skaitļi
Katra mūsu visuma sistēma tiecas pēc stabilitātes. Attiecinot uz atomu, tas izpaužas tā neitralitātē. Ja uz sekundi iedomājamies, ka visiem atomiem bez izņēmuma Visumā ir viens vai otrs dažāda lieluma lādiņš ar dažādām zīmēm, var iedomāties, kāds haoss iestāsies pasaulē.
Bet tā kā protonu un elektronu skaits atomā ir vienāds, katra "ķieģeļa" kopējais lādiņš ir nulle.
Neitronu skaits atomā ir neatkarīga vērtība. Turklāt viena un tā paša ķīmiskā elementa atomos var būt atšķirīgs šo daļiņu skaits ar nulles lādiņu. Piemērs:
- 1 protons + 1 elektrons + 0 neitronu=ūdeņradis (atommasa 1);
- 1 protons + 1 elektrons + 1 neitrons=deitērijs (atommasa 2);
- 1 protons + 1 elektrons + 2neitrons=tritijs (atommasa 3).
Šajā gadījumā elektronu skaits atomā nemainās, atoms paliek neitrāls, mainās tā masa. Šādas ķīmisko elementu variācijas sauc par izotopiem.
Vai atoms vienmēr ir neitrāls
Nē, elektronu skaits atomā ne vienmēr ir vienāds ar protonu skaitu. Ja vienu vai divus elektronus kādu laiku nevarētu “atņemt” no atoma, tad galvanizācijas nebūtu. Atomu, tāpat kā jebkuru vielu, var ietekmēt.
Pietiekami spēcīga elektriskā lauka ietekmē no atoma ārējā slāņa viens vai vairāki elektroni var "aizlidot". Šajā gadījumā vielas daļiņa pārstāj būt neitrāla un tiek saukta par jonu. Tas var pārvietoties gāzes vai šķidrā vidē, pārnesot elektrisko lādiņu no viena elektroda uz otru. Tādā veidā akumulatoros tiek uzkrāts elektriskais lādiņš, bet uz citu metālu virsmām tiek uzklātas plānākās plēves (apzeltīšana, sudraba pārklājums, hromēšana, niķelēšana utt.).
Elektronu skaits ir nestabils arī metālos - elektriskās strāvas vadītājos. Ārējo slāņu elektroni it kā staigā no atoma uz atomu, pārnesot elektrisko enerģiju caur vadītāju.
