Materijos struktūros fiziką pirmasis rimtai ištyrė Josephas J. Thomsonas. Tačiau daugelis klausimų liko neatsakyti. Po kiek laiko E. Rutherfordas sugebėjo suformuluoti atomo sandaros modelį. Straipsnyje apžvelgsime patirtį, kuri paskatino jį atrasti. Kadangi materijos sandara yra viena įdomiausių temų fizikos pamokose, panagrinėsime pagrindinius jos aspektus. Sužinome, iš ko susideda atomas, sužinome, kaip rasti jame elektronų, protonų, neutronų skaičių. Susipažinkime su izotopų ir jonų sąvoka.
Elektrono atradimas
1897 m. anglų mokslininkas Džozefas Džonas Tomsonas (jo portretą galima pamatyti žemiau) tyrė elektros srovę, tai yra kryptingą krūvių judėjimą dujose. Tuo metu fizika jau žinojo apie materijos molekulinę sandarą. Buvo žinoma, kad visi kūnai yra sudaryti iš materijos, kuri susideda iš molekulių, o pastarosios – iš atomų.
Thomsonas atrado, kad tam tikromis sąlygomis dujų atomai išskiria neigiamo krūvio daleles (qel <0). Jie vadinami elektronais. Atomas yra neutralus, o tai reiškia, kad jei iš jo išskrenda elektronai, ten taip pat turi būti teigiamų dalelių. Kokia yra atomo dalis su „+“ženklu? Kaip jis sąveikauja su neigiamai įkrautu elektronu? Kas lemia atomo masę? Į visus šiuos klausimus galėtų atsakyti kitas mokslininkas.
Rutherfordo eksperimentas
1911 m. fizika jau turėjo pirminės informacijos apie materijos struktūrą. Ernestas Rutherfordas atrado tai, ką šiandien vadiname atomo branduoliu.
Yra dalykų, kurie turi keistą savybę: jie spontaniškai išskiria įvairias daleles, tiek teigiamas, tiek neigiamas. Tokios medžiagos vadinamos radioaktyviosiomis. Teigiamo krūvio elementus Rutherfordas pavadino alfa dalelėmis (α-dalelėmis).
Jų „+“krūvis lygus dviem elementariems krūviams (qα=+2e). Elementų masė yra maždaug lygi keturioms vandenilio atomo masėms. Rutherfordas paėmė radioaktyvų preparatą, išskiriantį alfa daleles, ir jų srautu subombardavo ploną aukso plėvelę (foliją).
Jis nustatė, kad dauguma α elementų beveik nepakeičia krypties, kai praeina pro metalo atomus. Tačiau labai mažai yra tokių, kurie nukrypsta atgal. Kodėl tai vyksta? Žinodami materijos sandaros fiziką, galime atsakyti: nes vidujeaukso atomai, kaip ir bet kuris kitas, yra teigiamų elementų, kurie atstumia alfa daleles. Bet kodėl taip nutinka tik naudojant labai nedaug elementų? Kadangi teigiamai įkrautos atomo dalies dydis yra daug mažesnis už ją pačią. Rutherfordas padarė tokią išvadą. Jis pavadino teigiamai įkrautą atomo dalį branduoliu.
Atomo įtaisas
Materijos struktūros fizika: Molekulės sudarytos iš atomų, kuriuose yra mažytė teigiamai įkrauta dalis (branduolys), apsupta elektronų. Atomo neutralumas paaiškinamas tuo, kad bendras neigiamas elektronų krūvis yra lygus teigiamam – branduoliui. qcore + qel=0. Kodėl elektronai nekrenta ant branduolio, nes juos traukia? Norėdami atsakyti į šį klausimą, Rutherfordas pasiūlė, kad jie sukasi taip, kaip planetos juda aplink saulę ir su ja nesusiduria. Būtent judėjimas leidžia šiai sistemai būti stabiliai. Rutherfordo atomo modelis vadinamas planetiniu.
Jei atomas yra neutralus, o elektronų skaičius jame turi būti sveikasis skaičius, tai branduolio krūvis yra lygus šiai reikšmei su pliuso ženklu. qšerdys=+ze. z yra elektronų skaičius neutraliame atome. Šiuo atveju bendras mokestis yra lygus nuliui. Kaip sužinoti elektronų skaičių atome? Turite naudoti periodinę elementų lentelę. Atomo matmenys yra 10-10 m. O branduoliai 100 tūkstančių kartų mažesni - 10-15 m.
Įsivaizduokime, kad padidinome šerdies dydį iki 1 metro. Kietajame kūne atstumas tarp atomų yra maždaug lygus jų pačių dydžiui, o tai reiškia, kad matmenyspadidės iki 105, tai yra 100 km. Tai reiškia, kad atomas praktiškai tuščias, todėl alfa dalelės dažniausiai skrenda per foliją beveik nesikreipdamos.
Branduolių struktūra
Medžiagos struktūros fizika yra tokia, kad branduolį sudaro dviejų rūšių dalelės. Kai kurie iš jų yra teigiamai įkrauti. Jei laikysime atomą, turintį tris elektronus, tai jo viduje yra trys dalelės, turinčios teigiamą krūvį. Jie vadinami protonais. Kiti elementai neturi elektros krūvio – neutronai.
Protono ir neutrono masės yra maždaug vienodos. Abi dalelės turi daug didesnį svorį nei elektrono. mprotonas ≈ 1837mel. Tas pats pasakytina ir apie neutrono masę. Iš to išplaukia išvada: teigiamai ir neutraliai įkrautų dalelių svoris yra veiksnys, lemiantis atomo masę. Protonai ir neutronai turi bendrą pavadinimą – nukleonai. Atomų masė nustatoma pagal jų skaičių, kuris vadinamas branduolio masės skaičiumi. Elektronų skaičių atome pažymėjome raide z, bet kadangi jis yra neutralus, teigiamų ir neigiamų dalelių skaičius turi sutapti. Todėl z taip pat vadinamas protono arba krūvio skaičiumi.
Jei žinome masės ir krūvio skaičių, galime rasti neutronų skaičių N. N=A - z. Kaip sužinoti, kiek nukleonų ir protonų yra branduolyje? Pasirodo, periodinėje lentelėje prie kiekvieno elemento yra skaičius, kurį chemikai vadina santykine atomine mase.
Jei suapvalinsime, negausime nieko daugiau neimasės skaičius arba nukleonų skaičius branduolyje (A). Elemento atominis skaičius yra protonų skaičius (z). Žinant A ir z, nesunku rasti N – neutronų skaičių. Jei atomas yra neutralus, tada elektronų ir protonų skaičius yra lygus.
Izotopai
Yra branduolio atmainų, kuriose protonų skaičius yra vienodas, tačiau neutronų skaičius gali skirtis (tai reiškia tą patį cheminį elementą). Jie vadinami izotopais. Gamtoje įvairių rūšių atomai yra susimaišę, todėl chemikai matuoja vidutinę masę. Štai kodėl periodinėje lentelėje santykinis atomo svoris visada yra trupmeninis skaičius. Išsiaiškinkime, kas nutinka neutraliam atomui, jei iš jo pašalinamas elektronas arba, atvirkščiai, įdedamas papildomas.
Jonai
Apsvarstykite neutralų ličio atomą. Yra branduolys, du elektronai yra viename apvalkale, o trys - kitame. Jei vieną iš jų atimsime, gautume teigiamai įkrautą branduolį. qbranduoliai =3. Elektronai kompensuoja tik du iš trijų elementarių krūvių, ir gauname teigiamą joną. Jis žymimas taip: Li+. Jonas yra atomas, kuriame elektronų skaičius yra mažesnis arba didesnis už protonų skaičių branduolyje. Pirmuoju atveju tai yra teigiamas jonas. Jei pridėsime papildomą elektroną, tada jų bus keturi, ir gausime neigiamą joną (Li-). Tokia yra materijos sandaros fizika. Taigi neutralus atomas nuo jono skiriasi tuo, kad jame esantys elektronai visiškai kompensuoja branduolio krūvį.
