Ang pisika ng istruktura ng bagay ay unang seryosong pinag-aralan ni Joseph J. Thomson. Gayunpaman, maraming mga katanungan ang nanatiling hindi nasagot. Makalipas ang ilang panahon, nakagawa si E. Rutherford ng isang modelo ng istruktura ng atom. Sa artikulong isasaalang-alang natin ang karanasang nagbunsod sa kanya sa pagtuklas. Dahil ang istruktura ng bagay ay isa sa mga pinakakawili-wiling paksa sa mga aralin sa pisika, susuriin natin ang mga pangunahing aspeto nito. Nalaman namin kung ano ang binubuo ng isang atom, alamin kung paano hanapin ang bilang ng mga electron, proton, neutron sa loob nito. Kilalanin natin ang konsepto ng isotopes at ions.
Pagtuklas ng electron
Noong 1897, ang Ingles na siyentipiko na si Joseph John Thomson (ang kanyang larawan ay makikita sa ibaba) ay nag-aral ng electric current, iyon ay, ang direktang paggalaw ng mga singil sa mga gas. Noong panahong iyon, alam na ng pisika ang tungkol sa istrukturang molekular ng bagay. Napag-alaman na ang lahat ng katawan ay gawa sa materya, na gawa sa mga molekula, at ang huli ay gawa sa mga atomo.
Natuklasan ni Thomson na, sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon, ang mga atom ng gas ay naglalabas ng mga particle na may negatibong singil (qel <0). Tinatawag silang mga electron. Ang atom ay neutral, na nangangahulugan na kung ang mga electron ay lumipad mula dito, kung gayon ang mga positibong particle ay dapat ding nakapaloob doon. Ano ang bahagi ng atom na may tandang "+"? Paano ito nakikipag-ugnayan sa isang negatibong sisingilin na elektron? Ano ang tumutukoy sa masa ng isang atom? Isa pang siyentipiko ang makakasagot sa lahat ng tanong na ito.
eksperimento ni Rutherford
Noong 1911, ang pisika ay nagtataglay na ng paunang impormasyon tungkol sa istruktura ng bagay. Natuklasan ni Ernest Rutherford ang tinatawag natin ngayon na atomic nucleus.
May mga bagay na may kakaibang katangian: kusang naglalabas ng iba't ibang particle, parehong positibo at negatibo. Ang mga naturang sangkap ay tinatawag na radioactive. Mga elementong may positibong charge na tinatawag na Rutherford na mga alpha particle (α-particles).
Mayroon silang "+" na singil na katumbas ng dalawang elementarya na pagsingil (qα=+2e). Ang bigat ng mga elemento ay humigit-kumulang katumbas ng apat na masa ng isang hydrogen atom. Si Rutherford ay kumuha ng radioactive na paghahanda na naglalabas ng mga alpha particle at binomba ang isang manipis na pelikula ng ginto (foil) gamit ang kanilang stream.
Nalaman niya na halos hindi nagbabago ng direksyon ang karamihan sa mga α-element kapag dumadaan sa mga metal na atom. Ngunit kakaunti ang lumilihis ng paatras. Bakit ito nangyayari? Alam ang pisika ng istraktura ng bagay, maaari nating sagutin: dahil sa loobmga atomo ng ginto, tulad ng iba pa, may mga positibong elemento na nagtataboy sa mga particle ng alpha. Ngunit bakit ito nangyayari sa napakakaunting elemento? Dahil ang laki ng positibong sisingilin na bahagi ng atom ay mas maliit kaysa sa sarili nito. Nakarating si Rutherford sa konklusyong ito. Tinawag niyang nucleus ang positively charged na bahagi ng atom.
Ang aparato ng atom
Physics ng structure ng matter: Ang mga molekula ay binubuo ng mga atom, na naglalaman ng maliit na bahagi na may positibong charge (nucleus) na napapalibutan ng mga electron. Ang neutralidad ng atom ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang kabuuang negatibong singil ng mga electron ay katumbas ng positibo - ang nucleus. qcore + qel=0. Bakit hindi nahuhulog ang mga electron sa nucleus, dahil naaakit sila? Upang masagot ang tanong na ito, iminungkahi ni Rutherford na sila ay umiikot tulad ng mga planeta na gumagalaw sa paligid ng araw at huwag magbanggaan dito. Ang kilusan ang nagpapahintulot sa sistemang ito na maging matatag. Ang modelo ng atom ni Rutherford ay tinatawag na planetary.
Kung ang atom ay neutral, at ang bilang ng mga electron sa loob nito ay dapat na integer, kung gayon ang singil ng nucleus ay katumbas ng halagang ito na may plus sign. qcores=+ze. z ay ang bilang ng mga electron sa isang neutral na atom. Sa kasong ito, ang kabuuang singil ay zero. Paano mahahanap ang bilang ng mga electron sa isang atom? Kailangan mong gamitin ang periodic table ng mga elemento. Ang mga sukat ng isang atom ay nasa ayos na 10-10 m. At ang nuclei ay 100 libong beses na mas maliit - 10-15 m.
Isipin natin na dinagdagan natin ang laki ng core sa 1 metro. Sa isang solid, ang distansya sa pagitan ng mga atom ay humigit-kumulang katumbas ng laki ng kanilang mga sarili, na nangangahulugan na ang mga sukattataas sa 105, na 100 km. Iyon ay, halos walang laman ang atom, kaya naman ang mga alpha particle ay kadalasang lumilipad sa foil na halos walang pagpapalihis.
Istruktura ng nucleus
Ang physics ng istraktura ng bagay ay tulad na ang nucleus ay binubuo ng dalawang uri ng mga particle. Ang ilan sa kanila ay may positibong singil. Kung isasaalang-alang natin ang isang atom na may tatlong electron, kung gayon sa loob nito ay mayroong tatlong mga particle na may positibong singil. Tinatawag silang mga proton. Ang ibang elemento ay walang electric charge - mga neutron.
Ang masa ng proton at neutron ay humigit-kumulang pantay. Ang parehong mga particle ay may timbang na mas malaki kaysa sa isang elektron. mproton ≈ 1837mel. Ang parehong naaangkop sa masa ng neutron. Ang konklusyon ay sumusunod mula dito: ang bigat ng positibo at neutral na sisingilin na mga particle ay isang kadahilanan na tumutukoy sa masa ng isang atom. Ang mga proton at neutron ay may karaniwang pangalan - mga nucleon. Ang bigat ng isang atom ay tinutukoy ng kanilang numero, na tinatawag na mass number ng nucleus. Tinukoy namin ang bilang ng mga electron sa isang atom sa pamamagitan ng letrang z, ngunit dahil neutral ito, dapat tumugma ang bilang ng mga positibo at negatibong particle. Samakatuwid, ang z ay tinatawag ding proton o numero ng pagsingil.
Kung alam natin ang masa at numero ng singil, makikita natin ang bilang ng mga neutron N. N=A - z. Paano malalaman kung gaano karaming mga nucleon at proton ang nasa nucleus? Lumalabas na sa periodic table, sa tabi ng bawat elemento, mayroong isang numero na tinatawag ng mga chemist na relative atomic mass.
Kung bubuuin natin ito, wala tayong makukuha kundimass number o ang bilang ng mga nucleon sa nucleus (A). Ang atomic number ng isang elemento ay ang bilang ng mga proton (z). Alam ang A at z, madaling mahanap ang N - ang bilang ng mga neutron. Kung neutral ang atom, pantay ang bilang ng mga electron at proton.
Isotopes
May mga uri ng nucleus kung saan ang bilang ng mga proton ay pareho, ngunit ang bilang ng mga neutron ay maaaring magkaiba (ibig sabihin ang parehong elemento ng kemikal). Ang mga ito ay tinatawag na isotopes. Sa kalikasan, ang mga atomo ng iba't ibang uri ay halo-halong, kaya ang mga chemist ay sumusukat sa average na masa. Kaya naman sa periodic table ang relatibong bigat ng isang atom ay palaging isang fractional number. Alamin natin kung ano ang mangyayari sa isang neutral na atom kung ang isang electron ay aalisin dito o, sa kabaligtaran, ang isang dagdag na atom ay inilagay.
Ion
Isaalang-alang ang isang neutral na lithium atom. Mayroong isang nucleus, dalawang electron ang matatagpuan sa isang shell at tatlo sa isa pa. Kung aalisin natin ang isa sa mga ito, makakakuha tayo ng positively charged nucleus. qcores =ika-3. Ang mga electron ay nagbabayad lamang ng dalawa sa tatlong elementarya na singil, at nakakakuha tayo ng positibong ion. Ito ay itinalaga bilang sumusunod: Li+. Ang ion ay isang atom kung saan ang bilang ng mga electron ay mas mababa o mas malaki kaysa sa bilang ng mga proton sa nucleus. Sa unang kaso, ito ay isang positibong ion. Kung magdaragdag tayo ng karagdagang electron, magkakaroon ng apat sa kanila, at makakakuha tayo ng negatibong ion (Li-). Ganyan ang pisika ng istruktura ng bagay. Kaya, ang isang neutral na atom ay naiiba sa isang ion dahil ang mga electron sa loob nito ay ganap na nagbabayad para sa singil ng nucleus.
