I lang tid forble mange egenskaper ved materie hemmelige for forskere. Hvorfor leder noen stoffer strøm godt, mens andre ikke gjør det? Hvorfor brytes jern gradvis ned under påvirkning av atmosfæren, mens edelmetaller er perfekt bevart i tusenvis av år? Mange av disse spørsmålene ble besvart etter at en person ble klar over strukturen til atomet: dets struktur, antall elektroner i hvert elektronlag. Dessuten åpnet det å mestre selv det grunnleggende om strukturen til atomkjerner en ny æra for verden.
Fra hvilke elementer er den elementære mursteinen av materie bygget, hvordan samhandler de med hverandre, hva kan vi lære av dette?
Strukturen til atomet i synet på moderne vitenskap
For tiden har de fleste forskere en tendens til å følge den planetariske modellen for materiens struktur. I følge denne modellen er det i sentrum av hvert atom en kjerne, liten selv i sammenligning med atomet (den er titusenvis av ganger mindre enn heleatom). Men det samme kan ikke sies om massen til kjernen. Nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen. Kjernen er positivt ladet.
Elektroner roterer rundt kjernen i forskjellige baner, ikke sirkulære, slik tilfellet er med planetene i solsystemet, men tredimensjonale (kuler og volum åtte). Antall elektroner i et atom er numerisk lik ladningen til kjernen. Men det er veldig vanskelig å betrakte et elektron som en partikkel som beveger seg langs en eller annen form for bane.
Banen er liten, og hastigheten er nesten som en lysstråle, så det er mer riktig å betrakte elektronet sammen med dets bane som en slags negativt ladet kule.
Medlemmer av kjernefamilien
Alle atomer er bygd opp av 3 bestanddeler: protoner, elektroner og nøytroner.
Proton er hovedbyggematerialet til kjernen. Vekten er lik en atomenhet (massen til et hydrogenatom) eller 1,67 ∙ 10-27 kg i SI-systemet. Partikkelen er positivt ladet, og dens ladning tas som en enhet i systemet av elementære elektriske ladninger.
Nøytronet er massetvillingen til protonet, men er ikke ladet på noen måte.
De to ovennevnte partiklene kalles nuklider.
Et elektron er det motsatte av et proton i ladning (den elementære ladningen er −1). Men når det gjelder vekt, sviktet elektronet oss, massen er bare 9, 12 ∙ 10-31 kg, som er nesten 2 tusen ganger lettere enn et proton eller nøytron.
Hvordan det ble "sett"
Hvordan kunne du se strukturen til atomet, hvis selv de mest moderne tekniske midler ikke tillater detog på kort sikt vil ikke tillate å få bilder av dets bestanddeler. Hvordan visste forskerne antall protoner, nøytroner og elektroner i kjernen og deres plassering?
Antakelsen om atomenes planetariske struktur ble gjort på grunnlag av resultatene av bombardementet av en tynn metallfolie med forskjellige partikler. Figuren viser tydelig hvordan ulike elementarpartikler samhandler med materie.
Antall elektroner som passerte gjennom metallet i forsøkene var lik null. Dette forklares enkelt: negativt ladede elektroner blir frastøtt fra elektronskallene til metallet, som også har negativ ladning.
Strålen av protoner (ladning +) gikk gjennom folien, men med "tap". Noen ble frastøtt av kjernene som kom i veien (sannsynligheten for slike treff er svært liten), noen avvek fra den opprinnelige banen og fløy for nær en av kjernene.
Nøytroner ble de mest "effektive" når det gjaldt å overvinne metall. En nøytr alt ladet partikkel gikk tapt bare i tilfelle av en direkte kollisjon med kjernen av stoffet, mens 99,99% av nøytronene passerte gjennom tykkelsen på metallet. Det var forresten mulig å beregne størrelsen på kjernene til visse kjemiske grunnstoffer basert på antall nøytroner ved inngangen og utgangen.
Basert på dataene som ble innhentet, ble den for tiden dominerende teorien om materiens struktur bygget, som med hell forklarer de fleste problemene.
Hva og hvor mye
Antallet elektroner i et atom avhenger av atomnummeret. For eksempel har et vanlig hydrogenatombare ett proton. Et enkelt elektron sirkler rundt i en bane. Det neste elementet i det periodiske systemet, helium, er litt mer komplisert. Kjernen består av to protoner og to nøytroner og har dermed en atommasse på 4.
Med veksten av serienummeret vokser størrelsen og massen til atomet. Serienummeret til et kjemisk grunnstoff i det periodiske systemet tilsvarer ladningen til kjernen (antall protoner i den). Antall elektroner i et atom er lik antall protoner. For eksempel har et blyatom (atomnummer 82) 82 protoner i kjernen. Det er 82 elektroner i bane rundt kjernen. For å beregne antall nøytroner i en kjerne er det nok å trekke antall protoner fra atommassen:
207 – 82=125.
Hvorfor er det alltid like tall
Hvert system i universet vårt streber etter stabilitet. Slik det brukes på atomet, uttrykkes dette i dets nøytralitet. Hvis vi for et sekund forestiller oss at alle atomer uten unntak i universet har en eller annen ladning av ulik størrelse med forskjellige fortegn, kan man forestille seg hva slags kaos som ville komme i verden.
Men siden antallet protoner og elektroner i et atom er likt, er den totale ladningen til hver "kloss" null.
Antall nøytroner i et atom er en uavhengig verdi. Dessuten kan atomer av samme kjemiske element ha et annet antall av disse partiklene med null ladning. Eksempel:
- 1 proton + 1 elektron + 0 nøytroner=hydrogen (atommasse 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 nøytron=deuterium (atommasse 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2nøytron=tritium (atommasse 3).
I dette tilfellet endres ikke antall elektroner i atomet, atomet forblir nøytr alt, massen endres. Slike variasjoner av kjemiske grunnstoffer kalles isotoper.
Er et atom alltid nøytr alt
Nei, antall elektroner i et atom er ikke alltid lik antallet protoner. Hvis et elektron eller to ikke kunne "tas bort" fra et atom på en stund, ville det ikke vært noe slikt som galvanisering. Et atom, som enhver materie, kan påvirkes.
Under påvirkning av et tilstrekkelig sterkt elektrisk felt fra det ytre laget av atomet, kan ett eller flere elektroner "fly bort". I dette tilfellet slutter partikkelen til stoffet å være nøytral og kalles et ion. Den kan bevege seg i et gass eller flytende medium, og overføre en elektrisk ladning fra en elektrode til en annen. På denne måten lagres en elektrisk ladning i batterier, og de tynneste filmene av noen metaller påføres overflatene til andre (gullbelegg, sølvplettering, forkromning, fornikling osv.).
Antall elektroner er også ustabilt i metaller - ledere av elektrisk strøm. Elektronene i de ytre lagene går så å si fra atom til atom og overfører elektrisk energi gjennom lederen.
