Az anyag szerkezetének fizikáját először Joseph J. Thomson tanulmányozta komolyan. Sok kérdés azonban megválaszolatlan maradt. Valamivel később E. Rutherford képes volt az atom szerkezetének modelljét megfogalmazni. A cikkben megvizsgáljuk azokat a tapasztalatokat, amelyek a felfedezéshez vezették. Mivel az anyag szerkezete a fizikaórák egyik legérdekesebb témája, ennek kulcsfontosságú aspektusait elemezzük. Megtanuljuk, miből áll egy atom, megtanuljuk, hogyan találjuk meg a benne lévő elektronok, protonok, neutronok számát. Ismerkedjünk meg az izotópok és ionok fogalmával.
Az elektron felfedezése
1897-ben Joseph John Thomson angol tudós (portréja lentebb látható) az elektromos áramot, vagyis a gázok töltéseinek irányított mozgását tanulmányozta. A fizika akkoriban már tudott az anyag molekuláris szerkezetéről. Tudták, hogy minden test anyagból áll, ami molekulákból, az utóbbiak pedig atomokból.
Thomson felfedezte, hogy bizonyos körülmények között a gázatomok negatív töltésű részecskéket bocsátanak ki (qel <0). Ezeket elektronoknak nevezik. Az atom semleges, ami azt jelenti, hogy ha elektronok repülnek ki belőle, akkor pozitív részecskéknek is ott kell lenniük. Melyik része az atomnak a „+” jellel? Hogyan lép kölcsönhatásba egy negatív töltésű elektronnal? Mi határozza meg az atom tömegét? Egy másik tudós válaszolhatna ezekre a kérdésekre.
Rutherford kísérlete
1911-ben a fizika már rendelkezett a kezdeti információkkal az anyag szerkezetéről. Ernest Rutherford felfedezte azt, amit ma atommagnak hívunk.
Vannak dolgok, amelyeknek van egy furcsa tulajdonságuk: spontán módon bocsátanak ki különféle részecskéket, pozitív és negatív részecskéket egyaránt. Az ilyen anyagokat radioaktívnak nevezik. A pozitív töltésű elemeket Rutherford alfa-részecskéknek (α-részecskéknek) nevezte.
Két elemi töltéssel egyenlő "+" töltésük van (qα=+2e). Az elemek tömege megközelítőleg négy tömegű hidrogénatomnak felel meg. Rutherford bevett egy alfa-részecskéket kibocsátó radioaktív készítményt, és vékony aranyréteget (fóliát) bombázott a patakjával.
Úgy találta, hogy a legtöbb α-elem alig változtatja meg irányát, amikor áthalad fématomokon. De nagyon kevesen vannak, akik visszafelé térnek el. Miért történik ez? Az anyag szerkezetének fizikáját ismerve azt válaszolhatjuk: mert belülAz aranyatomoknak, mint minden másnak, vannak pozitív elemek, amelyek taszítják az alfa-részecskéket. De miért csak nagyon kevés elem esetén történik ez? Mivel az atom pozitív töltésű részének mérete jóval kisebb, mint önmaga. Rutherford erre a következtetésre jutott. Az atom pozitív töltésű részét atommagnak nevezte.
Az atom eszköze
Az anyag szerkezetének fizikája: A molekulák atomokból állnak, amelyek egy apró pozitív töltésű részt (magot) tartalmaznak, amelyet elektronok vesznek körül. Az atom semlegessége azzal magyarázható, hogy az elektronok teljes negatív töltése megegyezik a pozitív - az atommaggal. qcore + qel=0. Miért nem esnek az elektronok az atommagra, mert vonzzák őket? A kérdés megválaszolásához Rutherford azt javasolta, hogy úgy forogjanak, mint a bolygók a Nap körül, és ne ütközzenek vele. Ez a mozgás teszi lehetővé, hogy ez a rendszer stabil legyen. Rutherford atommodelljét planetárisnak nevezik.
Ha az atom semleges, és a benne lévő elektronok számának egésznek kell lennie, akkor az atommag töltése ezzel az értékkel egyenlő plusz előjellel. qmagok=+ze. z a semleges atomban lévő elektronok száma. Ebben az esetben a teljes díj nulla. Hogyan lehet megtudni az elektronok számát egy atomban? Használnia kell az elemek periódusos rendszerét. Egy atom mérete 10-10 m. Az atommagok pedig 100 ezerszer kisebbek - 10-15 m.
Képzeljük el, hogy a mag méretét 1 méterrel növeltük. Szilárd testben az atomok közötti távolság megközelítőleg megegyezik saját maguk méretével, ami azt jelenti, hogy a méretek105-ra fog növekedni, ami 100 km. Azaz az atom gyakorlatilag üres, ezért az alfa részecskék többnyire szinte elhajlás nélkül repülnek át a fólián.
A mag felépítése
Az anyag szerkezetének fizikája olyan, hogy az atommag kétféle részecskéből áll. Némelyikük pozitív töltésű. Ha egy atomot tekintünk, amelynek három elektronja van, akkor benne három pozitív töltésű részecske van. Ezeket protonoknak nevezik. Más elemeknek nincs elektromos töltésük – a neutronoknak.
A proton és a neutron tömege megközelítőleg egyenlő. Mindkét részecske tömege sokkal nagyobb, mint egy elektroné. mproton ≈ 1837mel. Ugyanez vonatkozik a neutron tömegére is. Ebből következik a következtetés: a pozitív és a semleges töltésű részecskék tömege az atom tömegét meghatározó tényező. A protonoknak és a neutronoknak közös neve van - nukleonok. Az atomok tömegét a számuk határozza meg, amelyet az atommag tömegszámának nevezünk. Az atomban lévő elektronok számát z betűvel jelöltük, de mivel semleges, ezért a pozitív és negatív részecskék számának meg kell egyeznie. Ezért z-t proton- vagy töltésszámnak is nevezik.
Ha ismerjük a tömeg- és töltésszámot, akkor megtaláljuk az N neutronok számát. N=A - z. Hogyan lehet megtudni, hogy hány nukleon és proton van az atommagban? Kiderült, hogy a periódusos rendszerben minden elem mellett van egy szám, amelyet a kémikusok relatív atomtömegnek neveznek.
Ha felkerekítjük, nem kapunk többet, minttömegszám vagy a nukleonok száma az atommagban (A). Egy elem rendszáma a protonok száma (z). A és z ismeretében könnyű megtalálni N - a neutronok számát. Ha az atom semleges, akkor az elektronok és a protonok száma egyenlő.
Izotópok
Az atommagnak vannak olyan változatai, amelyekben a protonok száma azonos, de a neutronok száma eltérő lehet (értsd: ugyanaz a kémiai elem). Izotópoknak nevezik őket. A természetben a különböző típusú atomok keverednek, ezért a vegyészek az átlagos tömeget mérik. Éppen ezért a periódusos rendszerben egy atom relatív tömege mindig törtszám. Nézzük meg, mi történik egy semleges atommal, ha eltávolítanak róla egy elektront, vagy fordítva, egy pluszt helyeznek el.
Ionok
Vegyünk egy semleges lítium atomot. Van egy atommag, az egyik héjon két, a másikon három elektron található. Ha valamelyiket elvesszük, pozitív töltésű atommagot kapunk. qmagok =3. Az elektronok a három elemi töltés közül csak kettőt kompenzálnak, és pozitív iont kapunk. Jelölése a következő: Li+. Az ion olyan atom, amelyben az elektronok száma kisebb vagy nagyobb, mint a magban lévő protonok száma. Az első esetben ez egy pozitív ion. Ha hozzáadunk egy extra elektront, akkor négy lesz belőle, és egy negatív iont kapunk (Li-). Ilyen az anyag szerkezetének fizikája. Tehát a semleges atom abban különbözik az iontól, hogy a benne lévő elektronok teljesen kompenzálják az atommag töltését.
