Ilgą laiką daugelis materijos savybių tyrinėtojams liko paslaptyje. Kodėl vienos medžiagos gerai praleidžia elektrą, o kitos ne? Kodėl geležis palaipsniui skyla veikiama atmosferos, o taurieji metalai puikiai išsilaiko tūkstančius metų? Į daugelį šių klausimų buvo atsakyta po to, kai žmogus sužinojo apie atomo sandarą: jo sandarą, elektronų skaičių kiekviename elektronų sluoksnyje. Be to, net pačių atominių branduolių sandaros pagrindų įvaldymas atvėrė pasauliui naują erą.
Iš kokių elementų yra sudaryta elementari materijos plyta, kaip jie sąveikauja tarpusavyje, ko iš to galime pasimokyti?
Atomo sandara šiuolaikinio mokslo požiūriu
Šiuo metu dauguma mokslininkų linkę laikytis planetinio materijos struktūros modelio. Pagal šį modelį kiekvieno atomo centre yra branduolys, mažas net lyginant su atomu (jis yra dešimtis tūkstančių kartų mažesnis už visąatomas). Tačiau to negalima pasakyti apie branduolio masę. Beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje. Branduolys yra teigiamai įkrautas.
Elektronai sukasi aplink branduolį skirtingomis orbitomis, o ne apskritomis, kaip Saulės sistemos planetų atveju, o trimatėmis (sferomis ir tūrio aštuntomis). Elektronų skaičius atome skaitine prasme lygus branduolio krūviui. Tačiau labai sunku elektroną laikyti dalele, kuri juda tam tikra trajektorija.
Jo orbita yra maža, o greitis beveik kaip šviesos pluošto, todėl teisingiau elektroną kartu su jo orbita laikyti tam tikra neigiamo krūvio sfera.
Branduolinės šeimos nariai
Visi atomai sudaryti iš 3 sudedamųjų elementų: protonų, elektronų ir neutronų.
Protonas yra pagrindinė branduolio statybinė medžiaga. Jo svoris yra lygus atominiam vienetui (vandenilio atomo masei) arba 1,67 ∙ 10-27 kg SI sistemoje. Dalelė yra teigiamai įkrauta, o jos krūvis imamas elementariųjų elektros krūvių sistemos vienetu.
Neutronas yra protono masės dvynys, bet jokiu būdu nėra įkrautas.
Aukščiau pateiktos dvi dalelės vadinamos nuklidais.
Elektronas yra protono priešingybė (elementarinis krūvis yra –1). Tačiau kalbant apie svorį, elektronas mus nuvylė, jo masė yra tik 9, 12 ∙ 10-31 kg, tai yra beveik 2 tūkstančius kartų lengvesnė už protoną ar neutroną.
Kaip tai buvo „matyta“
Kaip matai atomo sandarą, jei net moderniausios techninės priemonės neleidžiair per trumpą laiką neleis gauti jį sudarančių dalelių vaizdų. Kaip mokslininkai žinojo protonų, neutronų ir elektronų skaičių branduolyje ir jų vietą?
Prielaida apie planetinę atomų struktūrą buvo padaryta remiantis plonos metalinės folijos bombardavimo įvairiomis dalelėmis rezultatais. Paveiksle aiškiai parodyta, kaip įvairios elementarios dalelės sąveikauja su medžiaga.
Elektronų, kurie eksperimentuose praėjo per metalą, skaičius buvo lygus nuliui. Tai paaiškinama paprastai: neigiamo krūvio elektronai yra atstumiami nuo metalo elektronų apvalkalų, kurie taip pat turi neigiamą krūvį.
Protonų spindulys (įkrovimas +) praėjo per foliją, bet su „nuostoliais“. Kai kuriuos atstūmė užkliuvę branduoliai (tokių pataikymų tikimybė labai maža), kai kurie nukrypo nuo pradinės trajektorijos, nuskriedami per arti vieno iš branduolių.
Neutronai tapo „veiksmingiausiais“įveikiant metalą. Neutraliai įkrauta dalelė buvo prarasta tik tiesioginio susidūrimo su medžiagos šerdimi atveju, o 99,99% neutronų sėkmingai praėjo per metalo storį. Beje, pagal neutronų skaičių įėjime ir išėjime buvo galima apskaičiuoti tam tikrų cheminių elementų branduolių dydį.
Remiantis gautais duomenimis, buvo sukurta šiuo metu dominuojanti materijos sandaros teorija, kuri sėkmingai paaiškina daugumą problemų.
Kas ir kiek
Elektronų skaičius atome priklauso nuo atominio skaičiaus. Pavyzdžiui, paprastas vandenilio atomas turitik vienas protonas. Orbitoje sukasi vienas elektronas. Kitas periodinės lentelės elementas, helis, yra šiek tiek sudėtingesnis. Jo branduolį sudaro du protonai ir du neutronai, todėl jo atominė masė yra 4.
Didėjus serijos numeriui, auga atomo dydis ir masė. Cheminio elemento eilės numeris periodinėje lentelėje atitinka branduolio krūvį (protonų skaičių jame). Elektronų skaičius atome yra lygus protonų skaičiui. Pavyzdžiui, švino atomo (atominis numeris 82) branduolyje yra 82 protonai. Orbitoje aplink branduolį yra 82 elektronai. Norint apskaičiuoti neutronų skaičių branduolyje, pakanka iš atominės masės atimti protonų skaičių:
207 – 82=125.
Kodėl visada yra vienodi skaičiai
Kiekviena mūsų visatos sistema siekia stabilumo. Kalbant apie atomą, tai išreiškiama jo neutralumu. Jei sekundę įsivaizduotume, kad visi be išimties atomai Visatoje turi vienokį ar kitokį skirtingo dydžio krūvį su skirtingais ženklais, galima įsivaizduoti, koks chaosas ateitų pasaulyje.
Tačiau kadangi protonų ir elektronų skaičius atome yra lygus, bendras kiekvienos „plytos“krūvis yra lygus nuliui.
Neutronų skaičius atome yra nepriklausoma reikšmė. Be to, to paties cheminio elemento atomai gali turėti skirtingą šių dalelių skaičių su nuliniu krūviu. Pavyzdys:
- 1 protonas + 1 elektronas + 0 neutronų=vandenilis (atominė masė 1);
- 1 protonas + 1 elektronas + 1 neutronas=deuteris (atominė masė 2);
- 1 protonas + 1 elektronas + 2neutronas=tritis (atominė masė 3).
Šiuo atveju elektronų skaičius atome nekinta, atomas išlieka neutralus, keičiasi jo masė. Tokios cheminių elementų variacijos vadinamos izotopais.
Ar atomas visada neutralus
Ne, elektronų skaičius atome ne visada lygus protonų skaičiui. Jei kurį laiką nepavyktų „atimti“iš atomo vieno ar dviejų elektronų, nebūtų tokio dalyko kaip galvanizavimas. Atomas, kaip ir bet kuri medžiaga, gali būti paveiktas.
Pakankamai stipriam elektriniam laukui iš išorinio atomo sluoksnio veikiamas vienas ar keli elektronai gali „išskristi“. Šiuo atveju medžiagos dalelė nustoja būti neutrali ir vadinama jonu. Jis gali judėti dujinėje arba skystoje terpėje, perkeldamas elektros krūvį iš vieno elektrodo į kitą. Tokiu būdu akumuliatoriuose kaupiamas elektros krūvis, o ant kitų paviršių padengiamos ploniausios kai kurių metalų plėvelės (auksavimas, sidabravimas, chromavimas, nikeliavimas ir kt.).
Elektronų skaičius nestabilus ir metaluose – elektros srovės laidininkus. Išorinių sluoksnių elektronai tarsi vaikšto nuo atomo prie atomo, perduodami elektros energiją per laidininką.
