De fysica van de structuur van materie werd voor het eerst serieus bestudeerd door Joseph J. Thomson. Veel vragen bleven echter onbeantwoord. Enige tijd later kon E. Rutherford een model formuleren van de structuur van het atoom. In het artikel zullen we de ervaring beschouwen die hem tot de ontdekking heeft geleid. Aangezien de structuur van materie een van de meest interessante onderwerpen is in natuurkundelessen, zullen we de belangrijkste aspecten ervan analyseren. We leren waaruit een atoom bestaat, leren het aantal elektronen, protonen, neutronen erin te vinden. Laten we kennis maken met het concept van isotopen en ionen.
Ontdekking van het elektron
In 1897 bestudeerde de Engelse wetenschapper Joseph John Thomson (zijn portret is hieronder te zien) elektrische stroom, dat wil zeggen de gerichte beweging van ladingen in gassen. In die tijd wist de natuurkunde al van de moleculaire structuur van materie. Het was bekend dat alle lichamen zijn gemaakt van materie, die is gemaakt van moleculen, en de laatste zijn gemaakt van atomen.
Thomson ontdekte dat gasatomen onder bepaalde omstandigheden deeltjes uitstoten met een negatieve lading (qel <0). Ze worden elektronen genoemd. Het atoom is neutraal, wat betekent dat als er elektronen uitvliegen, daar ook positieve deeltjes moeten zitten. Wat is het deel van het atoom met het "+"-teken? Hoe interageert het met een negatief geladen elektron? Wat bepa alt de massa van een atoom? Een andere wetenschapper zou al deze vragen kunnen beantwoorden.
Rutherfords experiment
In 1911 beschikte de natuurkunde al over de eerste informatie over de structuur van materie. Ernest Rutherford ontdekte wat we tegenwoordig de atoomkern noemen.
Er zijn zaken die een vreemde eigenschap hebben: ze zenden spontaan verschillende deeltjes uit, zowel positieve als negatieve. Dergelijke stoffen worden radioactief genoemd. Positief geladen elementen die Rutherford alfadeeltjes (α-deeltjes) noemt.
Ze hebben een "+" lading gelijk aan twee elementaire ladingen (qα=+2e). Het gewicht van de elementen is ongeveer gelijk aan vier massa's van een waterstofatoom. Rutherford nam een radioactief preparaat dat alfadeeltjes uitzendt en bombardeerde een dunne film van goud (folie) met hun stroom.
Hij ontdekte dat de meeste α-elementen nauwelijks van richting veranderen als ze door metaalatomen gaan. Maar er zijn er maar weinig die achteruit afwijken. Waarom gebeurt dit? Als we de fysica van de structuur van materie kennen, kunnen we antwoorden: omdat binneningoudatomen, net als alle andere, zijn er positieve elementen die alfadeeltjes afstoten. Maar waarom gebeurt dit alleen met heel weinig elementen? Omdat de grootte van het positief geladen deel van het atoom veel kleiner is dan het zelf. Rutherford kwam tot deze conclusie. Hij noemde het positief geladen deel van het atoom de kern.
Het apparaat van het atoom
Fysica van de structuur van materie: Moleculen bestaan uit atomen, die een klein positief geladen deel (kern) bevatten dat wordt omringd door elektronen. De neutraliteit van het atoom wordt verklaard door het feit dat de totale negatieve lading van de elektronen gelijk is aan de positieve - de kern. qcore + qel=0. Waarom vallen elektronen niet op de kern, omdat ze worden aangetrokken? Om deze vraag te beantwoorden, suggereerde Rutherford dat ze roteren zoals de planeten rond de zon bewegen en er niet mee botsen. Het is de beweging die ervoor zorgt dat dit systeem stabiel is. Rutherfords model van het atoom heet planetair.
Als het atoom neutraal is, en het aantal elektronen erin moet een geheel getal zijn, dan is de lading van de kern gelijk aan deze waarde met een plusteken. qcores=+ze. z is het aantal elektronen in een neutraal atoom. In dit geval is de totale lading nul. Hoe het aantal elektronen in een atoom te vinden? U moet het periodiek systeem der elementen gebruiken. De afmetingen van een atoom zijn in de orde van 10-10 m. En de kernen zijn 100 duizend keer kleiner - 10-15 m.
Stel je voor dat we de kern hebben vergroot tot 1 meter. In een vaste stof is de afstand tussen atomen ongeveer gelijk aan de grootte van zichzelf, wat betekent dat de afmetingenzal toenemen tot 105, wat 100 km is. Dat wil zeggen, het atoom is praktisch leeg, daarom vliegen de alfadeeltjes meestal bijna zonder afbuiging door de folie.
Structuur van de kern
De fysica van de structuur van materie is zodanig dat de kern uit twee soorten deeltjes bestaat. Sommige zijn positief geladen. Als we een atoom beschouwen dat drie elektronen heeft, dan zijn er binnenin drie deeltjes met een positieve lading. Ze worden protonen genoemd. Andere elementen hebben geen elektrische lading - neutronen.
De massa's van het proton en het neutron zijn ongeveer gelijk. Beide deeltjes hebben een veel groter gewicht dan een elektron. mproton ≈ 1837mel. Hetzelfde geldt voor de massa van het neutron. Hieruit volgt de conclusie: het gewicht van positief en neutraal geladen deeltjes is een factor die de massa van een atoom bepa alt. Protonen en neutronen hebben een gemeenschappelijke naam - nucleonen. Het gewicht van een atoom wordt bepaald door hun aantal, dat het massagetal van de kern wordt genoemd. We hebben het aantal elektronen in een atoom aangegeven met de letter z, maar aangezien het neutraal is, moet het aantal positieve en negatieve deeltjes overeenkomen. Daarom wordt z ook wel het proton- of ladingsgetal genoemd.
Als we de massa en het ladingsgetal kennen, kunnen we het aantal neutronen N vinden. N=A - z. Hoe kom je erachter hoeveel nucleonen en protonen zich in de kern bevinden? Het blijkt dat in het periodiek systeem, naast elk element, een getal staat dat scheikundigen de relatieve atoommassa noemen.
Als we het naar boven afronden, krijgen we niets meer danmassagetal of het aantal nucleonen in de kern (A). Het atoomnummer van een element is het aantal protonen (z). Als je A en z kent, is het gemakkelijk om N te vinden - het aantal neutronen. Als het atoom neutraal is, dan is het aantal elektronen en protonen gelijk.
Isotopen
Er zijn varianten van de kern waarin het aantal protonen hetzelfde is, maar het aantal neutronen kan verschillen (wat hetzelfde chemische element betekent). Ze worden isotopen genoemd. In de natuur worden atomen van verschillende soorten gemengd, dus chemici meten de gemiddelde massa. Daarom is in het periodiek systeem het relatieve gewicht van een atoom altijd een fractioneel getal. Laten we uitzoeken wat er met een neutraal atoom gebeurt als er een elektron uit wordt verwijderd of, omgekeerd, een extra atoom wordt geplaatst.
Ionen
Beschouw een neutraal lithiumatoom. Er is een kern, twee elektronen bevinden zich op de ene schil en drie op de andere. Als we er één weghalen, krijgen we een positief geladen kern. qkernen =3e. Elektronen compenseren slechts twee van de drie elementaire ladingen, en we krijgen een positief ion. Het wordt als volgt aangeduid: Li+. Een ion is een atoom waarin het aantal elektronen kleiner of groter is dan het aantal protonen in de kern. In het eerste geval is het een positief ion. Als we een extra elektron toevoegen, dan zijn het er vier en krijgen we een negatief ion (Li-). Dat is de fysica van de structuur van materie. Een neutraal atoom verschilt dus van een ion doordat de elektronen erin de lading van de kern volledig compenseren.
