Veel eigenschappen van materie bleven lange tijd geheim voor onderzoekers. Waarom geleiden sommige stoffen elektriciteit goed en andere niet? Waarom breekt ijzer geleidelijk af onder invloed van de atmosfeer, terwijl edele metalen duizenden jaren perfect bewaard blijven? Veel van deze vragen werden beantwoord nadat een persoon zich bewust werd van de structuur van het atoom: zijn structuur, het aantal elektronen in elke elektronenlaag. Bovendien opende het beheersen van zelfs de basisprincipes van de structuur van atoomkernen een nieuw tijdperk voor de wereld.
Uit welke elementen is de elementaire steen van materie opgebouwd, hoe gaan ze met elkaar om, wat kunnen we hiervan leren?
De structuur van het atoom volgens de moderne wetenschap
Momenteel hebben de meeste wetenschappers de neiging zich te houden aan het planetaire model van de structuur van materie. Volgens dit model bevindt zich in het centrum van elk atoom een kern, klein zelfs in vergelijking met het atoom (deze is tienduizenden keren kleiner dan de heleatoom). Maar hetzelfde kan niet gezegd worden over de massa van de kern. Bijna alle massa van een atoom is geconcentreerd in de kern. De kern is positief geladen.
Elektronen roteren rond de kern in verschillende banen, niet cirkelvormig, zoals het geval is met de planeten van het zonnestelsel, maar driedimensionaal (bollen en volume-achten). Het aantal elektronen in een atoom is numeriek gelijk aan de lading van de kern. Maar het is heel moeilijk om een elektron te beschouwen als een deeltje dat langs een of andere baan beweegt.
Zijn baan is klein en de snelheid is bijna als die van een lichtstraal, dus het is juister om het elektron samen met zijn baan als een soort negatief geladen bol te beschouwen.
Leden van het kerngezin
Alle atomen zijn opgebouwd uit 3 samenstellende elementen: protonen, elektronen en neutronen.
Proton is het belangrijkste bouwmateriaal van de kern. Het gewicht is gelijk aan een atomaire eenheid (de massa van een waterstofatoom) of 1,67 ∙ 10-27 kg in het SI-systeem. Het deeltje is positief geladen en zijn lading wordt als een eenheid beschouwd in het systeem van elementaire elektrische ladingen.
Het neutron is de massa-tweeling van het proton, maar is op geen enkele manier geladen.
De bovenstaande twee deeltjes worden nucliden genoemd.
Een elektron is het tegenovergestelde van een geladen proton (de elementaire lading is −1). Maar qua gewicht liet het elektron ons in de steek, zijn massa is slechts 9, 12 ∙ 10-31 kg, wat bijna 2000 keer lichter is dan een proton of neutron.
Hoe het werd "gezien"
Hoe zou je de structuur van het atoom kunnen zien, als zelfs de modernste technische middelen het niet toelatenen op korte termijn zal het niet mogelijk zijn om beelden te verkrijgen van de samenstellende deeltjes. Hoe wisten wetenschappers het aantal protonen, neutronen en elektronen in de kern en hun locatie?
De aanname over de planetaire structuur van atomen werd gedaan op basis van de resultaten van het bombardement van een dunne metaalfolie met verschillende deeltjes. De figuur laat duidelijk zien hoe verschillende elementaire deeltjes interageren met materie.
Het aantal elektronen dat door het metaal ging in de experimenten was gelijk aan nul. Dit wordt eenvoudig uitgelegd: negatief geladen elektronen worden afgestoten van de elektronenschillen van het metaal, die ook een negatieve lading hebben.
De bundel protonen (lading +) ging door de folie, maar met "verliezen". Sommige werden afgestoten door de kernen die in de weg zaten (de kans op dergelijke treffers is erg klein), sommige weken af van het oorspronkelijke traject en vlogen te dicht bij een van de kernen.
Neutronen werden de meest "effectieve" in termen van het overwinnen van metaal. Alleen bij een directe botsing met de kern van de stof ging een neutraal geladen deeltje verloren, terwijl 99,99% van de neutronen met succes door de dikte van het metaal ging. Het was trouwens mogelijk om de grootte van de kernen van bepaalde chemische elementen te berekenen op basis van het aantal neutronen aan de in- en uitgang.
Op basis van de verkregen gegevens werd de momenteel dominante theorie van de structuur van materie gebouwd, die met succes de meeste problemen verklaart.
Wat en hoeveel
Het aantal elektronen in een atoom hangt af van het atoomnummer. Een gewoon waterstofatoom heeft bijvoorbeeld:slechts één proton. Een enkel elektron cirkelt rond in een baan. Het volgende element van het periodiek systeem, helium, is iets gecompliceerder. De kern bestaat uit twee protonen en twee neutronen en heeft dus een atoommassa van 4.
Met de groei van het serienummer, groeien de grootte en massa van het atoom. Het serienummer van een chemisch element in het periodiek systeem komt overeen met de lading van de kern (het aantal protonen erin). Het aantal elektronen in een atoom is gelijk aan het aantal protonen. Een loodatoom (atoomnummer 82) heeft bijvoorbeeld 82 protonen in zijn kern. Rond de kern draaien 82 elektronen. Om het aantal neutronen in een kern te berekenen, volstaat het om het aantal protonen af te trekken van de atoommassa:
207 – 82=125.
Waarom zijn er altijd gelijke aantallen
Elk systeem in ons universum streeft naar stabiliteit. Toegepast op het atoom komt dit tot uiting in zijn neutraliteit. Als we ons even voorstellen dat alle atomen zonder uitzondering in het heelal een of andere lading van verschillende grootten met verschillende tekens hebben, kunnen we ons voorstellen wat voor chaos er in de wereld zou komen.
Maar aangezien het aantal protonen en elektronen in een atoom gelijk is, is de totale lading van elke "steen" nul.
Het aantal neutronen in een atoom is een onafhankelijke waarde. Bovendien kunnen atomen van hetzelfde chemische element een ander aantal van deze deeltjes hebben zonder lading. Voorbeeld:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutronen=waterstof (atoommassa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterium (atoommassa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tritium (atomaire massa 3).
In dit geval verandert het aantal elektronen in het atoom niet, het atoom blijft neutraal, de massa verandert. Dergelijke variaties van chemische elementen worden isotopen genoemd.
Is een atoom altijd neutraal
Nee, het aantal elektronen in een atoom is niet altijd gelijk aan het aantal protonen. Als een of twee elektronen een tijdje niet van een atoom kunnen worden "weggenomen", zou galvanisatie niet bestaan. Een atoom kan, zoals elke materie, worden beïnvloed.
Onder invloed van een voldoende sterk elektrisch veld vanuit de buitenste laag van het atoom kunnen een of meer elektronen "wegvliegen". In dit geval is het deeltje van de stof niet langer neutraal en wordt het een ion genoemd. Het kan in een gasvormig of vloeibaar medium bewegen en een elektrische lading van de ene elektrode naar de andere overbrengen. Op deze manier wordt een elektrische lading opgeslagen in batterijen en worden de dunste films van sommige metalen aangebracht op de oppervlakken van andere (vergulden, verzilveren, verchromen, vernikkelen, enz.).
Het aantal elektronen is ook onstabiel in metalen - geleiders van elektrische stroom. De elektronen van de buitenste lagen lopen als het ware van atoom naar atoom en brengen elektrische energie over door de geleider.
