Fyziku struktury hmoty poprvé vážně studoval Joseph J. Thomson. Mnoho otázek však zůstalo nezodpovězeno. O nějaký čas později byl E. Rutherford schopen formulovat model struktury atomu. V článku se budeme zabývat zkušenostmi, které ho vedly k objevu. Vzhledem k tomu, že struktura hmoty je jedním z nejzajímavějších témat v hodinách fyziky, rozebereme její klíčové aspekty. Učíme se, z čeho se atom skládá, učíme se, jak v něm zjistit počet elektronů, protonů, neutronů. Pojďme se seznámit s pojmem izotopy a ionty.
Objev elektronu
V roce 1897 anglický vědec Joseph John Thomson (jeho portrét je vidět níže) studoval elektrický proud, tedy řízený pohyb nábojů v plynech. V té době už fyzika věděla o molekulární struktuře hmoty. Bylo známo, že všechna těla jsou vyrobena z hmoty, která se skládá z molekul, a ty jsou vyrobeny z atomů.
Thomson objevil, že za určitých podmínek atomy plynu emitují částice se záporným nábojem (qel <0). Říká se jim elektrony. Atom je neutrální, to znamená, že pokud z něj vylétají elektrony, musí tam být obsaženy i kladné částice. Jaká je část atomu se znaménkem „+“? Jak interaguje se záporně nabitým elektronem? Co určuje hmotnost atomu? Na všechny tyto otázky by mohl odpovědět jiný vědec.
Rutherfordův experiment
V roce 1911 již fyzika disponovala prvotními informacemi o struktuře hmoty. Ernest Rutherford objevil to, čemu dnes říkáme atomové jádro.
Jsou látky, které mají zvláštní vlastnost: spontánně vyzařují různé částice, pozitivní i negativní. Takové látky se nazývají radioaktivní. Kladně nabité prvky, které Rutherford nazývá částice alfa (α-částice).
Mají „+“náboj rovný dvěma elementárním nábojům (qα=+2e). Hmotnost prvků je přibližně rovna čtyřem hmotnostem atomu vodíku. Rutherford vzal radioaktivní přípravek, který emituje částice alfa, a jejich proudem bombardoval tenký film zlata (fólii).
Zjistil, že většina α-prvků při průchodu atomy kovů téměř nemění svůj směr. Ale těch, kteří se odchylují dozadu, je velmi málo. Proč se tohle děje? Při znalosti fyziky struktury hmoty můžeme odpovědět: protože uvnitřatomy zlata, jako každé jiné, existují pozitivní prvky, které odpuzují částice alfa. Ale proč se to děje jen s velmi malým počtem prvků? Protože velikost kladně nabité části atomu je mnohem menší než on sám. Rutherford došel k tomuto závěru. Kladně nabitou část atomu nazval jádro.
Zařízení atomu
Fyzika struktury hmoty: Molekuly se skládají z atomů, které obsahují malou kladně nabitou část (jádro) obklopenou elektrony. Neutralita atomu se vysvětluje tím, že celkový záporný náboj elektronů se rovná kladnému - jádru. qcore + qel=0. Proč elektrony nedopadají na jádro, protože jsou přitahovány? Aby odpověděl na tuto otázku, Rutherford navrhl, aby se otáčely, jako když se planety pohybují kolem Slunce, a nesrážejí se s ním. Právě pohyb umožňuje, aby byl tento systém stabilní. Rutherfordův model atomu se nazývá planetární.
Pokud je atom neutrální a počet elektronů v něm musí být celé číslo, pak se náboj jádra rovná této hodnotě se znaménkem plus. qcores=+ze. z je počet elektronů v neutrálním atomu. V tomto případě je celkový poplatek nulový. Jak zjistit počet elektronů v atomu? Musíte použít periodickou tabulku prvků. Rozměry atomu jsou řádově 10-10 m. A jádra jsou 100 tisíckrát menší - 10-15 m.
Představme si, že jsme zvětšili velikost jádra na 1 metr. V pevné látce je vzdálenost mezi atomy přibližně stejná jako jejich velikost, což znamená, že rozměryse zvýší na 105, což je 100 km. To znamená, že atom je prakticky prázdný, a proto částice alfa většinou prolétají fólií téměř bez vychýlení.
Struktura jádra
Fyzika struktury hmoty je taková, že jádro se skládá ze dvou druhů částic. Některé z nich jsou kladně nabité. Pokud vezmeme v úvahu atom, který má tři elektrony, pak uvnitř něj jsou tři částice s kladným nábojem. Říká se jim protony. Ostatní prvky nemají elektrický náboj – neutrony.
Hmotnosti protonu a neutronu jsou přibližně stejné. Obě částice mají hmotnost mnohem větší než elektron. mproton ≈ 1837 mel. Totéž platí pro hmotnost neutronu. Z toho vyplývá závěr: hmotnost kladně a neutrálně nabitých částic je faktor, který určuje hmotnost atomu. Protony a neutrony mají společný název – nukleony. Hmotnost atomu je určena jejich počtem, který se nazývá hmotnostní číslo jádra. Počet elektronů v atomu jsme označili písmenem z, ale protože je neutrální, musí se počet kladných a záporných částic shodovat. Proto se z také nazývá protonové nebo nábojové číslo.
Pokud známe hmotnost a číslo náboje, pak můžeme najít počet neutronů N. N=A - z. Jak zjistit, kolik nukleonů a protonů je v jádře? Ukazuje se, že v periodické tabulce je vedle každého prvku číslo, kterému chemici říkají relativní atomová hmotnost.
Pokud to zaokrouhlíme, nedostaneme nic víc nežhmotnostní číslo nebo počet nukleonů v jádře (A). Atomové číslo prvku je počet protonů (z). Když známe A a z, je snadné najít N - počet neutronů. Pokud je atom neutrální, pak je počet elektronů a protonů stejný.
Izotopy
Existují odrůdy jádra, ve kterých je počet protonů stejný, ale počet neutronů se může lišit (což znamená stejný chemický prvek). Říká se jim izotopy. V přírodě se atomy různých druhů mísí, takže chemici měří průměrnou hmotnost. To je důvod, proč v periodické tabulce je relativní hmotnost atomu vždy zlomkové číslo. Pojďme zjistit, co se stane s neutrálním atomem, pokud je z něj odstraněn elektron nebo naopak umístěn jeden navíc.
Iony
Uvažujme neutrální atom lithia. Existuje jádro, dva elektrony jsou umístěny na jednom obalu a tři na druhém. Pokud jeden z nich odebereme, získáme kladně nabité jádro. qjádra =3. Elektrony kompenzují pouze dva ze tří elementárních nábojů a dostáváme kladný iont. Označuje se následovně: Li+. Iont je atom, ve kterém je počet elektronů menší nebo větší než počet protonů v jádře. V prvním případě se jedná o kladný iont. Pokud přidáme elektron navíc, budou čtyři a dostaneme záporný iont (Li-). Taková je fyzika struktury hmoty. Takže neutrální atom se liší od iontu tím, že elektrony v něm zcela kompenzují náboj jádra.
