Po dlouhou dobu zůstávalo mnoho vlastností hmoty pro výzkumníky tajemstvím. Proč některé látky vedou elektřinu dobře, zatímco jiné ne? Proč se železo vlivem atmosféry postupně rozkládá, zatímco ušlechtilé kovy jsou dokonale zachovány po tisíce let? Mnoho z těchto otázek bylo zodpovězeno poté, co si člověk uvědomil strukturu atomu: jeho strukturu, počet elektronů v každé elektronové vrstvě. Navíc zvládnutí i samotných základů struktury atomových jader otevřelo světu novou éru.
Z jakých prvků je základní kostka hmoty postavena, jak na sebe vzájemně působí, co se z toho můžeme naučit?
Struktura atomu z pohledu moderní vědy
V současné době má většina vědců tendenci držet se planetárního modelu struktury hmoty. Podle tohoto modelu je ve středu každého atomu jádro, maličké i ve srovnání s atomem (je desetitisíckrát menší než celý atomatom). Totéž se ale nedá říci o hmotnosti jádra. Téměř veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jádře. Jádro je kladně nabité.
Elektrony rotují kolem jádra po různých drahách, nikoli kruhových, jak je tomu u planet sluneční soustavy, ale trojrozměrně (koule a objemové osmičky). Počet elektronů v atomu se číselně rovná náboji jádra. Ale je velmi obtížné považovat elektron za částici, která se pohybuje po nějaké trajektorii.
Jeho dráha je malá a rychlost je téměř jako světelný paprsek, takže je správnější považovat elektron spolu s jeho dráhou za jakousi záporně nabitou kouli.
Členové nukleární rodiny
Všechny atomy se skládají ze 3 základních prvků: protonů, elektronů a neutronů.
Proton je hlavním stavebním materiálem jádra. Jeho hmotnost se rovná atomové jednotce (hmotnosti atomu vodíku) nebo 1,67 ∙ 10-27 kg v soustavě SI. Částice je kladně nabitá a její náboj je brán jako jednotka v systému elementárních elektrických nábojů.
Neutron je hmotnostní dvojče protonu, ale není žádným způsobem nabitý.
Výše uvedené dvě částice se nazývají nuklidy.
Elektron je opakem náboje protonu (elementární náboj je −1). Ale co se hmotnosti týče, elektron nás zklamal, jeho hmotnost je pouze 9, 12 ∙ 10-31 kg, což je téměř 2000krát lehčí než proton nebo neutron.
Jak to bylo "viděno"
Jak byste mohli vidět strukturu atomu, když ani nejmodernější technické prostředky neumožňujía v krátkodobém horizontu neumožní získat snímky jeho základních částic. Jak vědci znali počet protonů, neutronů a elektronů v jádře a jejich umístění?
Předpoklad o planetární struktuře atomů byl učiněn na základě výsledků bombardování tenké kovové fólie různými částicemi. Obrázek jasně ukazuje, jak různé elementární částice interagují s hmotou.
Počet elektronů, které prošly kovem v experimentech, se rovnal nule. To je vysvětleno jednoduše: záporně nabité elektrony jsou odpuzovány od elektronových obalů kovu, které mají také záporný náboj.
Svazek protonů (náboj +) prošel fólií, ale se "ztrátami". Některá byla odražena jádry, která se připletla do cesty (pravděpodobnost takových zásahů je velmi malá), některá se odchýlila od původní trajektorie a letěla příliš blízko k jednomu z jader.
Neutrony se staly nejúčinnějšími z hlediska překonávání kovu. Neutrálně nabitá částice se ztratila pouze v případě přímé srážky s jádrem látky, přičemž 99,99 % neutronů úspěšně prošlo tloušťkou kovu. Mimochodem, bylo možné vypočítat velikost jader určitých chemických prvků na základě počtu neutronů na vstupu a výstupu.
Na základě získaných dat byla vybudována v současnosti dominantní teorie struktury hmoty, která úspěšně vysvětluje většinu problémů.
Co a kolik
Počet elektronů v atomu závisí na atomovém čísle. Například běžný atom vodíku májen jeden proton. Jediný elektron obíhá po oběžné dráze. Další prvek periodické tabulky, helium, je trochu složitější. Jeho jádro se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů a má tedy atomovou hmotnost 4.
S růstem sériového čísla roste velikost a hmotnost atomu. Pořadové číslo chemického prvku v periodické tabulce odpovídá náboji jádra (počtu protonů v něm). Počet elektronů v atomu se rovná počtu protonů. Například atom olova (atomové číslo 82) má ve svém jádru 82 protonů. Na oběžné dráze kolem jádra je 82 elektronů. Pro výpočet počtu neutronů v jádře stačí odečíst počet protonů od atomové hmotnosti:
207 – 82=125.
Proč jsou vždy stejná čísla
Každý systém v našem vesmíru usiluje o stabilitu. Jak je aplikováno na atom, je to vyjádřeno v jeho neutralitě. Pokud si na vteřinu představíme, že všechny atomy bez výjimky ve vesmíru mají ten či onen náboj různé velikosti s různými znaménky, lze si představit, jaký chaos by na světě nastal.
Ale protože počet protonů a elektronů v atomu je stejný, celkový náboj každé "cihly" je nula.
Počet neutronů v atomu je nezávislá hodnota. Navíc atomy stejného chemického prvku mohou mít různý počet těchto částic s nulovým nábojem. Příklad:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutronů=vodík (atomová hmotnost 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterium (atomová hmotnost 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tritium (atomová hmotnost 3).
V tomto případě se počet elektronů v atomu nemění, atom zůstává neutrální, mění se jeho hmotnost. Takové variace chemických prvků se nazývají izotopy.
Je atom vždy neutrální
Ne, počet elektronů v atomu není vždy stejný jako počet protonů. Pokud by nebylo možné atomu na chvíli „vzít“jeden nebo dva elektrony, neexistovalo by nic takového jako galvanizace. Atom, jako každá hmota, může být ovlivněn.
Vlivem dostatečně silného elektrického pole z vnější vrstvy atomu může jeden nebo více elektronů „odletět“. V tomto případě částice látky přestává být neutrální a nazývá se iont. Může se pohybovat v plynném nebo kapalném médiu a přenášet elektrický náboj z jedné elektrody na druhou. Tímto způsobem se v bateriích ukládá elektrický náboj a na povrch jiných kovů se nanášejí nejtenčí vrstvy některých kovů (zlacení, stříbření, chromování, niklování atd.).
Počet elektronů je také nestabilní v kovech - vodičích elektrického proudu. Elektrony vnějších vrstev jakoby procházejí od atomu k atomu a přenášejí elektrickou energii přes vodič.
