Az anyag számos tulajdonsága hosszú ideig titok maradt a kutatók számára. Miért vezetik egyes anyagok jól az elektromosságot, míg mások nem? Miért bomlik le fokozatosan a vas a légkör hatására, miközben a nemesfémek tökéletesen megőrződnek több ezer évig? E kérdések közül sok választ kapott azután, hogy egy személy tudomást szerzett az atom szerkezetéről: annak szerkezetéről, az egyes elektronrétegekben lévő elektronok számáról. Sőt, az atommagok szerkezetének alapjainak elsajátítása új korszakot nyitott a világ előtt.
Milyen elemekből épül fel az anyag elemi tégla, hogyan hatnak egymásra, mit tanulhatunk ebből?
Az atom szerkezete a modern tudomány szemszögéből
Jelenleg a legtöbb tudós hajlamos az anyag szerkezetének planetáris modelljéhez ragaszkodni. E modell szerint minden atom középpontjában van egy mag, még az atomhoz képest is kicsi (tízezerszer kisebb, mint az egészatom). De ugyanez nem mondható el az atommag tömegéről. Az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik. Az atommag pozitív töltésű.
Az elektronok különböző pályákon forognak az atommag körül, nem körkörösen, mint a Naprendszer bolygóinál, hanem háromdimenziósan (gömbök és nyolcas térfogat). Az atomban lévő elektronok száma számszerűen megegyezik az atommag töltésével. De nagyon nehéz egy elektront olyan részecskének tekinteni, amely valamilyen pályán mozog.
A pályája kicsi, a sebessége pedig majdnem olyan, mint egy fénysugáré, ezért helyesebb az elektront a pályájával együtt egyfajta negatív töltésű gömbnek tekinteni.
A nukleáris család tagjai
Minden atom három alkotóelemből áll: protonokból, elektronokból és neutronokból.
A proton az atommag fő építőanyaga. Súlya megegyezik egy atomegységgel (a hidrogénatom tömegével), vagy 1,67 ∙ 10-27 kg az SI rendszerben. A részecske pozitív töltésű, töltését egységnek tekintjük az elemi elektromos töltések rendszerében.
A neutron a proton tömegikerpárja, de semmilyen módon nem töltődik.
A fenti két részecskét nuklidoknak nevezzük.
Az elektron a töltéssel rendelkező proton ellentéte (az elemi töltés -1). De tömegét tekintve az elektron cserbenhagyott, tömege mindössze 9, 12 ∙ 10-31 kg, ami majdnem 2 ezerszer könnyebb, mint egy proton vagy neutron.
Hogyan "látták"
Hogyan láthatnád az atom szerkezetét, ha a legmodernebb technikai eszközök sem teszik lehetővéés rövid távon nem teszi lehetővé, hogy képeket készítsenek az alkotó részecskéiről. Honnan tudták a tudósok az atommagban lévő protonok, neutronok és elektronok számát és elhelyezkedését?
Az atomok bolygószerkezetére vonatkozó feltevés egy vékony fémfólia különféle részecskékkel történő bombázásának eredményei alapján történt. Az ábra jól mutatja, hogyan lépnek kölcsönhatásba a különféle elemi részecskék az anyaggal.
A kísérletekben a fémen áthaladó elektronok száma nullával egyenlő. Ezt egyszerűen magyarázzák: a negatív töltésű elektronok taszítják a fém elektronhéjait, amelyek szintén negatív töltéssel rendelkeznek.
A protonnyaláb (töltés +) áthaladt a fólián, de "veszteségekkel". Volt, akit az útba került magok taszítottak (az ilyen találatok valószínűsége nagyon kicsi), volt, amelyik eltért az eredeti pályától, túl közel repült az egyik maghoz.
A neutronok lettek a leghatékonyabbak a fém legyőzésében. Semleges töltésű részecske csak az anyag magjával való közvetlen ütközés esetén veszett el, miközben a neutronok 99,99%-a sikeresen átjutott a fém vastagságán. Egyébként a bemeneti és kimeneti neutronok száma alapján ki lehetett számítani bizonyos kémiai elemek magjának méretét.
A kapott adatok alapján felépítették az anyag szerkezetének jelenleg domináns elméletét, amely a legtöbb kérdést sikeresen megmagyarázza.
Mit és mennyit
Az atomban lévő elektronok száma az atomszámtól függ. Például egy közönséges hidrogénatom rendelkezikcsak egy protont. Egyetlen elektron kering egy pályán. A periódusos rendszer következő eleme, a hélium egy kicsit bonyolultabb. A magja két protonból és két neutronból áll, így atomtömege 4.
A sorozatszám növekedésével az atom mérete és tömege nő. Egy kémiai elem sorszáma a periódusos rendszerben megfelel az atommag töltésének (a benne lévő protonok számának). Az elektronok száma egy atomban megegyezik a protonok számával. Például egy ólomatom (atomszáma 82) 82 protont tartalmaz a magjában. Az atommag körül 82 elektron kering. Az atommagban lévő neutronok számának kiszámításához elegendő kivonni a protonok számát az atomtömegből:
207 – 82=125.
Miért vannak mindig egyenlő számok
Univerzumunkban minden rendszer a stabilitásra törekszik. Az atomra vonatkoztatva ez semlegességében fejeződik ki. Ha egy pillanatra elképzeljük, hogy az Univerzumban kivétel nélkül minden atomnak van egy-egy különböző nagyságú, különböző előjelű töltése, akkor elképzelhető, hogy milyen káosz támadna a világban.
De mivel az atomban lévő protonok és elektronok száma egyenlő, az egyes "téglák" teljes töltése nulla.
Az atomban lévő neutronok száma független érték. Ezenkívül ugyanazon kémiai elem atomjai különböző számú, nulla töltésű részecskét tartalmazhatnak. Példa:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutron=hidrogén (atomtömeg 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deutérium (atomtömeg 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=trícium (atomtömeg 3).
Ebben az esetben az atomban lévő elektronok száma nem változik, az atom semleges marad, tömege változik. A kémiai elemek ilyen változatait izotópoknak nevezzük.
Egy atom mindig semleges
Nem, az atomban lévő elektronok száma nem mindig egyenlő a protonok számával. Ha egy-két elektront egy ideig nem lehetne „elvenni” egy atomtól, akkor nem létezne galvanizálás. Az atom, mint minden anyag, befolyásolható.
Az atom külső rétegéből származó, kellően erős elektromos tér hatására egy vagy több elektron "elrepülhet". Ebben az esetben az anyag részecskéje megszűnik semleges lenni, és ionnak nevezik. Gázban vagy folyékony közegben mozoghat, elektromos töltést átadva egyik elektródáról a másikra. Ily módon az elektromos töltés az akkumulátorokban tárolódik, és egyes fémek legvékonyabb filmjeit más fémek felületére viszi fel (aranyozás, ezüstözés, krómozás, nikkelezés stb.).
Az elektronok száma szintén instabil a fémekben - elektromos áram vezetőiben. A külső rétegek elektronjai atomról atomra járnak, és elektromos energiát adnak át a vezetőn keresztül.
