Физиката на структурата на материята за първи път е сериозно изследвана от Джоузеф Дж. Томсън. Много въпроси обаче останаха без отговор. Известно време по-късно Е. Ръдърфорд успява да формулира модел на структурата на атома. В статията ще разгледаме опита, който го е довел до откритието. Тъй като структурата на материята е една от най-интересните теми в уроците по физика, ще анализираме нейните ключови аспекти. Научаваме от какво се състои един атом, научаваме се как да намерим броя на електроните, протоните, неутроните в него. Нека се запознаем с концепцията за изотопи и йони.
Откриване на електрона
През 1897 г. английският учен Джоузеф Джон Томсън (неговият портрет може да се види по-долу) изследва електрическия ток, тоест насоченото движение на зарядите в газовете. По това време физиката вече знаеше за молекулярната структура на материята. Беше известно, че всички тела са направени от материя, която е изградена от молекули, а последните са направени от атоми.
Thomson открива, че при определени условия газовите атоми излъчват частици с отрицателен заряд (qel <0). Те се наричат електрони. Атомът е неутрален, което означава, че ако електроните излитат от него, тогава трябва да се съдържат и положителни частици. Коя е частта от атома със знака "+"? Как взаимодейства с отрицателно зареден електрон? Какво определя масата на атома? Друг учен би могъл да отговори на всички тези въпроси.
Експериментът на Ръдърфорд
През 1911 г. физиката вече притежава първоначалната информация за структурата на материята. Ърнест Ръдърфорд открива това, което днес наричаме атомно ядро.
Има материи, които имат странно свойство: те спонтанно излъчват различни частици, както положителни, така и отрицателни. Такива вещества се наричат радиоактивни. Положително заредените елементи Ръдърфорд нарича алфа частици (α-частици).
Те имат заряд "+", равен на два елементарни заряда (qα=+2e). Теглото на елементите е приблизително равно на четири маси на водороден атом. Ръдърфорд взе радиоактивен препарат, който излъчва алфа частици и бомбардира тънък филм от злато (фолио) с техния поток.
Той откри, че повечето от α-елементите почти не променят посоката си, когато преминават през метални атоми. Но много малко са тези, които се отклоняват назад. Защо се случва това? Познавайки физиката на структурата на материята, можем да отговорим: защото вътрезлатните атоми, като всеки друг, има положителни елементи, които отблъскват алфа частиците. Но защо това се случва само с много малко елементи? Тъй като размерът на положително заредената част на атома е много по-малък от самия него. Ръдърфорд стигна до това заключение. Той нарече положително заредената част от атома ядрото.
Устройството на атома
Физика на структурата на материята: Молекулите са изградени от атоми, които съдържат малка положително заредена част (ядро), заобиколена от електрони. Неутралността на атома се обяснява с факта, че общият отрицателен заряд на електроните е равен на положителния - ядрото. qcore + qel=0. Защо електроните не падат върху ядрото, защото се привличат? За да отговори на този въпрос, Ръдърфорд предполага, че те се въртят, както планетите се движат около Слънцето и не се сблъскват с него. Именно движението позволява на тази система да бъде стабилна. Моделът на атома на Ръдърфорд се нарича планетарен.
Ако атомът е неутрален и броят на електроните в него трябва да е цяло число, тогава зарядът на ядрото е равен на тази стойност със знак плюс. qcores=+ze. z е броят на електроните в неутрален атом. В този случай общият заряд е нула. Как да намерим броя на електроните в атома? Трябва да използвате периодичната таблица на елементите. Размерите на атома са от порядъка на 10-10 m. А ядрата са 100 хиляди пъти по-малки - 10-15 m.
Нека си представим, че увеличихме размера на ядрото до 1 метър. В твърдо тяло разстоянието между атомите е приблизително равно на размера на самите тях, което означава, че размеритеще се увеличи до 105, което е 100 км. Тоест атомът е практически празен, поради което алфа-частиците летят предимно през фолиото без почти никакво отклонение.
Структура на ядрото
Физиката на структурата на материята е такава, че ядрото се състои от два вида частици. Някои от тях са положително заредени. Ако разгледаме атом, който има три електрона, тогава вътре в него има три частици с положителен заряд. Те се наричат протони. Други елементи нямат електрически заряд - неутрони.
Масите на протона и неутрона са приблизително равни. И двете частици имат тегло много по-голямо от един електрон. mпротон ≈ 1837mel. Същото важи и за масата на неутрона. От това следва изводът: теглото на положително и неутрално заредените частици е фактор, който определя масата на атома. Протоните и неутроните имат общо име - нуклони. Теглото на атома се определя от техния брой, който се нарича масов номер на ядрото. Означихме броя на електроните в атома с буквата z, но тъй като той е неутрален, броят на положителните и отрицателните частици трябва да съвпада. Следователно z се нарича още протон или зарядно число.
Ако знаем масата и числото на заряда, тогава можем да намерим броя на неутроните N. N=A - z. Как да разберем колко нуклони и протони има в ядрото? Оказва се, че в периодичната таблица до всеки елемент има число, което химиците наричат относителна атомна маса.
Ако го закръглим, не получаваме нищо повече отмасов брой или броят на нуклоните в ядрото (A). Атомният номер на елемент е броят на протоните (z). Познавайки A и z, е лесно да се намери N - броят на неутроните. Ако атомът е неутрален, тогава броят на електроните и протоните е равен.
Изотопи
Има разновидности на ядрото, в които броят на протоните е един и същ, но броят на неутроните може да се различава (което означава един и същ химичен елемент). Те се наричат изотопи. В природата атомите от различни видове се смесват, така че химиците измерват средната маса. Ето защо в периодичната таблица относителното тегло на атома винаги е дробно число. Нека разберем какво се случва с неутрален атом, ако от него се отстрани електрон или, обратно, се постави допълнителен.
йони
Помислете за неутрален литиев атом. Има ядро, два електрона са разположени на едната обвивка и три на другата. Ако отнемем едно от тях, получаваме положително заредено ядро. qядра =3-та. Електроните компенсират само два от трите елементарни заряда и получаваме положителен йон. Означава се по следния начин: Li+. Йонът е атом, в който броят на електроните е по-малък или по-голям от броя на протоните в ядрото. В първия случай това е положителен йон. Ако добавим допълнителен електрон, тогава ще бъдат четири от тях и ще получим отрицателен йон (Li-). Такава е физиката на структурата на материята. И така, неутралният атом се различава от йона по това, че електроните в него напълно компенсират заряда на ядрото.
