Fyzika štruktúry hmoty. Objav. Experiment. Výpočet

Fyziku štruktúry hmoty prvýkrát vážne študoval Joseph J. Thomson. Mnoho otázok však zostalo nezodpovedaných. Po chvíli, uh. Rutherford bol schopný formulovať model štruktúry atómu. V článku sa pozrieme na skúsenosti, ktoré ho viedli k objavu. z T. k. na hodinách fyziky je štruktúra hmoty jednou z najzaujímavejších tém, budeme analyzovať jej kľúčové aspekty. Poďme zistiť, z čoho pozostáva atóm, Naučme sa, ako v ňom nájsť počet elektrónov, protónov, neutrónov. Zoznámime sa s konceptom izotopov a iónov.

Objav elektrónu

V roku 1897 sa. Anglický vedec Joseph John Thomson (jeho portrét je možné vidieť nižšie) študoval elektrický prúd,. teda. smerový pohyb nábojov v plynoch. V tom čase už fyzika vedela o molekulárnej štruktúre hmoty. Bolo známe, že všetky telá pozostávajú z hmoty, ktorá pozostáva z molekúl a druhá z atómov.

Thomson zistil, že za určitých podmienok atómy plynu emitujú častice so záporným nábojom (q <0). Nazývajú sa elektróny. Atóm je neutrálny, čo znamená, že ak z neho vyletia elektróny, musia tam byť obsiahnuté aj pozitívne častice. Aká je časť atómu so znakom "+"? Ako interaguje so záporne nabitým elektrónom? Čo určuje hmotnosť atómu? Ďalší vedec bol schopný odpovedať na všetky tieto otázky.

Rutherfordova skúsenosť

Prvotné informácie o štruktúre hmoty v roku 1911. už vlastnené. Ernest Rutherford objavil to, čo dnes nazývame atómové jadro.

Existujú látky, ktoré majú zvláštnu vlastnosť: spontánne emitujú rôzne častice, , obe pozitívne, a negatívne. Takéto látky sa nazývali rádioaktívne. Pozitívne nabité prvky Rutherford nazývané alfa častice (α-častice).

Majú poplatok so znakom "+", rovná sa dvom elementárnym (q_α = + 2e). Hmotnosť prvkov sa približne rovná štyrom hmotnostiam atómu vodíka. Rutherford vzal rádioaktívny liek, ktorý emituje alfa častice, a svojím tokom bombardoval tenký film zlata (fólie.

Zistil, že väčšina α-prvkov pri prechode atómami kovov takmer nemení svoj smer. Existuje však veľmi malý počet tých, ktoré sa odchyľujú späť. Prečo sa to deje? Keď poznáme fyziku štruktúry hmoty, môžeme odpovedať: pretože vo vnútri atómov zlata, ako každý iný, existujú pozitívne prvky, ktoré odpudzujú častice alfa. Prečo sa to však deje iba s veľmi malým počtom prvkov? Pretože veľkosť kladne nabitej časti atómu je oveľa menšia ako samotná. Rutherford dospel k tomuto záveru. Pozitívne nabitú časť atómu nazval jadrom.

Štruktúra atómu

Fyzika štruktúry hmoty: molekuly pozostávajú z atómov, ktoré obsahujú malú kladne nabitú časť (jadro) obklopenú elektrónmi. Neutralita atómu sa vysvetľuje skutočnosťou , že celkový záporný náboj elektrónov sa rovná pozitívnemu náboju-jadrám. q_{z jadra} + q_el= 0. Prečo elektróny nespadajú na jadro, pretože sú priťahované? Odpovedať v tejto otázke Rutherford navrhol, aby sa otáčali, keď sa planéty pohybujú okolo Slnka a nezrážajú sa s ním. Je to pohyb, ktorý umožňuje, aby bol tento systém stabilný. Model atómu, ktorý vynašiel Rutherford, sa nazýval planetárny.

Ak je atóm neutrálny a počet elektrónov v ňom musí byť nevyhnutne celé číslo, potom sa náboj jadra rovná tejto hodnote so znamienkom plus. q_{z jadra}= + z * e. z je počet elektrónov v neutrálnom atóme. V tomto prípade je celkový poplatok nulový. Ako zistiť číslo elektrónov v atóme? Musíte použiť periodický systém prvkov. Rozmery atómu sú rádovo 10^-10 m. A jadrá sú 100 tisíc krát menšie-10^-15 m.

Predstavte si, že sme zväčšili veľkosť jadra na 1 meter. V pevnej látke je vzdialenosť medzi atómami približne rovnaká ako ich veľkosť, čo znamená, že veľkosť sa zvýši na 10⁵, a to je 100 km. To znamená, že atóm prakticky pozostáva z prázdnoty, a preto častice alfa väčšinou lietajú cez fóliu, takmer bez odchýlenia sa.

Štruktúra jadra

Fyzika štruktúry hmoty je taká, že jadro pozostáva z dvoch druhov častíc. Niektoré z nich majú kladný náboj. Ak vezmeme do úvahy atóm s tromi elektrónmi, potom sú v ňom tri častice s kladným nábojom. Nazývajú sa protóny. Ostatné prvky nemajú elektrický náboj-neutróny.

Hmotnosti protónu a neutrónu sú približne rovnaké. Obe častice majú hmotnosť oveľa väčšiu ako elektrón. m_{z protónu} 1837m_el. To isté platí pre hmotnosť neutrónu. Z toho vyplýva záver: hmotnosť pozitívne a neutrálne nabité častice - faktor určujúci hmotnosť atómu. Protóny a neutróny majú spoločný názov-nukleóny. Hmotnosť atómu je určená ich počtom, ktorý sa nazýva hmotnostné číslo jadra. Počet elektrónov v atóme sme určili písmenom z, ale. . ak je neutrálny, potom číslo pozitívnych a negatívnych častice sa musia zhodovať. Preto sa z nazýva aj protónové alebo nabíjacie číslo.

Ak sú známe čísla hmotnosti a náboja, potom môžeme nájsť aj počet neutrónov N. N = A-z. Ako zistiť, koľko nukleónov a protónov je v jadre? Ukazuje sa, že v periodickej tabuľke je vedľa každého prvku uvedené číslo, ktoré chemici nazývajú relatívna atómová hmotnosť.

Ak to zaokrúhlime nahor, nedostaneme nič viac ako hmotnostné číslo alebo počet nukleónov v jadre (A). Poradové číslo prvku je počet protónov (z). Keď poznáte A A z, je ľahké nájsť N-počet neutrónov. Ak je atóm neutrálny, potom je počet elektrónov a protónov rovnaký.

Izotopy

Existujú odrody jadra, v ktorých sa počet protónov zhoduje a počet neutrónov sa môže líšiť (čo znamená ten istý chemický prvok). Nazývajú sa izotopy. V prírode sú atómy rôznych odrôd zmiešané, takže chemici merajú priemernú hmotnosť. Preto je v periodickej tabuľke relatívna hmotnosť atómu vždy zlomkové číslo. Poďme zistiť, čo sa stane s neutrálnym atómom, ak z neho odstránite elektrón alebo naopak vložíte ďalší.

Ión

Zvážte neutrálny atóm lítia. Existuje jadro, dva elektróny sú umiestnené na jednom obale a tri na druhom. Ak vezmeme jeden z nich, dostaneme kladne nabité jadro. z Q_jadro = 3e. Elektróny kompenzujú iba dva z troch elementárnych nábojov a dostaneme kladný ión. Označuje sa ako: Li⁺. Ión je atóm, ktorého počet elektrónov je menší alebo väčší ako počet protónov v jadre. V prvom prípade ide o pozitívny ión. Ak pridáme ďalší elektrón, už ich budú štyri a dostaneme negatívny ión (Li^-). Taká je fyzika štruktúry hmoty. Neutrálny atóm sa teda líši od iónu tým, že elektróny v ňom úplne kompenzujú náboj jadra.