Дълго време много свойства на материята остават тайна за изследователите. Защо някои вещества провеждат електричество добре, а други не? Защо желязото постепенно се разпада под въздействието на атмосферата, докато благородните метали са перфектно запазени в продължение на хиляди години? Много от тези въпроси са получили отговор, след като човек осъзнава структурата на атома: неговата структура, броя на електроните във всеки електронен слой. Освен това, овладяването дори на самите основи на структурата на атомните ядра отвори нова ера за света.
От какви елементи е изградена елементарната тухла на материята, как те взаимодействат помежду си, какво можем да научим от това?
Структурата на атома от гледна точка на съвременната наука
В момента повечето учени са склонни да се придържат към планетарния модел на структурата на материята. Според този модел в центъра на всеки атом има ядро, мъничко дори в сравнение с атома (то е десетки хиляди пъти по-малко от цялотоатом). Но същото не може да се каже за масата на ядрото. Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото. Ядрото е положително заредено.
Електроните се въртят около ядрото в различни орбити, не кръгови, както е при планетите от Слънчевата система, а триизмерни (сфери и обемни осмици). Броят на електроните в атома е числено равен на заряда на ядрото. Но е много трудно да се разглежда един електрон като частица, която се движи по някаква траектория.
Орбитата му е малка, а скоростта е почти като тази на светлинен лъч, така че е по-правилно да разглеждаме електрона заедно с неговата орбита като вид отрицателно заредена сфера.
Членове на ядреното семейство
Всички атоми са съставени от 3 съставни елемента: протони, електрони и неутрони.
Протонът е основният строителен материал на ядрото. Теглото му е равно на атомна единица (масата на водороден атом) или 1,67 ∙ 10-27 кг в системата SI. Частицата е положително заредена и зарядът й се приема като единица в системата от елементарни електрически заряди.
Неутронът е масовият близнак на протона, но не е зареден по никакъв начин.
Горните две частици се наричат нуклиди.
Електронът е противоположността на протона в заряд (елементарният заряд е -1). Но по отношение на теглото, електронът ни подведе, неговата маса е само 9, 12 ∙ 10-31 kg, което е почти 2 хиляди пъти по-леко от протон или неутрон.
Как беше "видяно"
Как бихте могли да видите структурата на атома, ако дори най-модерните технически средства не позволявати в краткосрочен план няма да позволи да се получат изображения на съставните му частици. Как учените са знаели броя на протоните, неутроните и електроните в ядрото и тяхното местоположение?
Предположението за планетарната структура на атомите е направено въз основа на резултатите от бомбардирането на тънко метално фолио с различни частици. Фигурата ясно показва как различни елементарни частици взаимодействат с материята.
Броят на електроните, преминали през метала в експериментите, е равен на нула. Това се обяснява просто: отрицателно заредените електрони се отблъскват от електронните обвивки на метала, които също имат отрицателен заряд.
Лъчът от протони (заряд +) премина през фолиото, но със "загуби". Някои бяха отблъснати от ядрата, които попаднаха на пътя (вероятността от такива удари е много малка), някои се отклониха от първоначалната траектория, летейки твърде близо до едно от ядрата..
Неутроните станаха най-„ефективни“по отношение на преодоляването на метала. Неутрално заредена частица се губи само в случай на директен сблъсък с ядрото на веществото, докато 99,99% от неутроните успешно преминаха през дебелината на метала. Между другото, беше възможно да се изчисли размерът на ядрата на определени химични елементи въз основа на броя на неутроните на входа и изхода.
Въз основа на получените данни е изградена доминиращата в момента теория за структурата на материята, която успешно обяснява повечето от проблемите.
Какво и колко
Броят на електроните в атома зависи от атомния номер. Например, обикновен водороден атом имасамо един протон. Един електрон се върти в орбита. Следващият елемент от периодичната таблица, хелият, е малко по-сложен. Неговото ядро се състои от два протона и два неутрона и следователно има атомна маса 4.
С нарастването на серийния номер, размерът и масата на атома растат. Серийният номер на химичен елемент в периодичната таблица съответства на заряда на ядрото (броя на протоните в него). Броят на електроните в атома е равен на броя на протоните. Например, оловен атом (атомен номер 82) има 82 протона в ядрото си. Има 82 електрона в орбита около ядрото. За да изчислите броя на неутроните в ядрото, достатъчно е да извадите броя на протоните от атомната маса:
207 – 82=125.
Защо винаги има равни числа
Всяка система в нашата вселена се стреми към стабилност. Що се отнася до атома, това се изразява в неговата неутралност. Ако за секунда си представим, че всички атоми без изключение във Вселената имат един или друг заряд с различни величини с различни знаци, може да си представим какъв хаос би настъпил в света.
Но тъй като броят на протоните и електроните в един атом е равен, общият заряд на всяка "тухла" е нула.
Броят на неутроните в един атом е независима стойност. Освен това атомите на един и същ химичен елемент могат да имат различен брой от тези частици с нулев заряд. Пример:
- 1 протон + 1 електрон + 0 неутрона=водород (атомна маса 1);
- 1 протон + 1 електрон + 1 неутрон=деутерий (атомна маса 2);
- 1 протон + 1 електрон + 2неутрон=тритий (атомна маса 3).
В този случай броят на електроните в атома не се променя, атомът остава неутрален, неговата маса се променя. Такива вариации на химични елементи се наричат изотопи.
Атомът винаги ли е неутрален
Не, броят на електроните в един атом не винаги е равен на броя на протоните. Ако един или два електрона не можеха да бъдат „отнети“от атома за известно време, нямаше да има такова нещо като галванизация. Атомът, като всяка материя, може да бъде повлиян.
Под въздействието на достатъчно силно електрическо поле от външния слой на атома, един или повече електрони могат да "отлетят". В този случай частицата на веществото престава да бъде неутрална и се нарича йон. Може да се движи в газова или течна среда, пренасяйки електрически заряд от един електрод на друг. По този начин електрическият заряд се съхранява в батериите и най-тънките филми на някои метали се нанасят върху повърхностите на други (позлатяване, сребърно покритие, хромиране, никелиране и др.).
Броят на електроните също е нестабилен в металите - проводници на електрически ток. Електроните на външните слоеве сякаш вървят от атом към атом, пренасяйки електрическа енергия през проводника.
