Физика на структурата на материята. Открития. Експерименти. Оценки

Физиката на структурата на материята е сериозно изследвана за първи път от Джоузеф Дж. Thomson. Много от въпросите му обаче остават без отговор. След известно време E. Ръдърфорд успява да формулира модел на атома. В тази статия разглеждаме опита, довел до неговото откритие. Т. к. В часовете по физика структурата на материята е една от най-интересните теми и ние ще разгледаме основните ѝ аспекти. Ще научим от какво е съставен атомът и как да определим броя на електроните, протоните и неутроните в него. Въвеждане на понятието изотопи и йони.

Откриване на електрона

През 1897 г. Английският учен Джоузеф Джон Томсън (неговият портрет може да се види по-долу) изследва електрическия ток, t. е. насоченото движение на зарядите в газове. По онова време физиката вече е знаела за молекулярната структура на материята. Знаеше се, че всички тела се състоят от материя, която е изградена от молекули, а последните са изградени от атоми.

Томсън открива, че при определени условия газовите атоми излъчват частици с отрицателен заряд (q_e <0). Те се наричаха електрони. Атомът е неутрален, така че ако от него се отделят електрони, той трябва да съдържа и положителни частици. Коя е частта от атома със знака "+"? Как взаимодейства с отрицателно зареден електрон? Какво определя масата на един атом? Друг учен е успял да отговори на всички тези въпроси.

Експериментът на Ръдърфорд

Първоначалната информация за структурата на материята е предоставена от физик през 1911 г. ...вече е обладан... Ърнест Ръдърфорд открива това, което днес наричаме атомно ядро.

Съществува материя със странно свойство: тя спонтанно излъчва различни частици, като положителни частици, и отрицателни. Такива вещества се наричат радиоактивни. Положително заредените елементи, които Ръдърфорд нарича алфа-частици (α-частици).

Те имат такса със знака "+", равна на две елементарни (q_α = +2e). Теглото на елементите е приблизително четири маси на водороден атом. Ръдърфорд взема радиоактивно лекарство, което излъчва алфа частици, и бомбардира с тях тънък слой злато (фолио).

Той открива, че повечето α-елементи почти не променят посоката си при преминаване през метални атоми. Но са много малко тези, които се навеждат назад. Защо се случва това?? Познавайки физиката на материята, отговорът е: защото в атомите на златото, както и във всички останали, има положителни елементи, които отблъскват алфа частиците. Но защо това се случва само с много малък брой елементи?? Тъй като положително заредената част на атома е много по-малка от самия атом. Това е заключението, до което стига Ръдърфорд. Той нарича ядрото положително заредената част на атома.

Структурата на атома

Структура на физиката на материята: молекулите се състоят от атоми, които съдържат малка положително заредена част (ядро), заобиколена от електрони. Неутралността на атома се обяснява с факта, че общият отрицателен заряд на електроните е равен на положителния заряд на ядрото. q_ядро + q_el=0. Защо електроните не падат върху ядрото, след като са привлечени? За да отговорите на този въпрос Ръдърфорд приема, че те се въртят, както планетите се движат около Слънцето, и не се сблъскват с него. Движението е това, което позволява на системата да бъде стабилна. Моделът на атома, изобретен от Ръдърфорд, се нарича планетарен.

Ако атомът е неутрален и броят на електроните в него трябва да е цяло число, тогава зарядът на ядрото е равен на тази стойност със знак плюс. q_ядро= +z * e. z е броят на електроните в неутрален атом. В този случай общият заряд е нула. Как да разберете броя на електроните в един атом? Трябва да използваме периодичната система на елементите. Размерът на атома е от порядъка на 10^-10 м. А ядрото е 100 000 пъти по-малко - 10^-15 м.

Нека си представим, че увеличаваме размера на ядрото на 1 m. В твърдо тяло разстоянието между атомите е равно на собствения им размер, така че размерите се увеличават с до 10⁵, и това са 100 километра. Това означава, че атомът на практика се състои от празнота, поради което алфа частиците преминават през фолиото почти без отклонение.

структура на ядрото

Физическата структура на материята е такава, че ядрото се състои от частици от две разновидности. някои от тях имат положителен заряд. Ако разгледаме атом, който има три електрона, в него има три частици с положителен заряд. Те се наричат протони. Други елементи нямат електрически заряд - неутрони.

Масите на протона и неутрона са приблизително равни. И двете частици имат тегло, много по-голямо от това на електрона. m_Proton ≈ 1837m_el. Същото важи и за масата на неутроните. От това следва, че теглото е положително и неутрално заредени частици - фактор, който определя масата на даден атом. Протоните и неутроните имат общо име - нуклеони. Теглото на атома се определя от техния брой, който се нарича масово число на ядрото. Броят на електроните в един атом се обозначава с буквата z, но t. к. е неутрален, броят на положителни и отрицателни на частиците трябва да са еднакви. Затова z се нарича още протонно число или зарядно число.

Ако знаем масата и зарядното число, можем да намерим броя на неутроните N. N = A - z. Откъде знаем колко нуклеона и протона има в ядрото?? Оказва се, че в таблицата на Менделеев всеки елемент има число, което химиците наричат относителна атомна маса.

Ако го закръглим нагоре, ще получим само масовото число или броя на нуклоните в ядрото (A). Редният номер на елемента е броят на протоните (z). Знаейки A и z, е лесно да се намери броят на неутроните N. Ако атомът е неутрален, тогава броят на електроните и протоните е равен.

Изотопи

Съществуват разновидности на ядрото, при които броят на протоните е един и същ, а броят на неутроните може да се различава (което означава един и същ химичен елемент). Те се наричат изотопи. В природата атомите от различни разновидности са смесени, затова химиците измерват средната маса. Ето защо в таблицата на Менделеев относителното тегло на атома винаги е дробно число. Нека видим какво ще се случи с неутрален атом, ако премахнем един електрон от него или пък поставим допълнителен.

Йони

Да разгледаме неутрален литиев атом. Има ядро, два електрона в едната обвивка и три в другата. Ако отнемем един от тях, ще получим положително заредено ядро. q_ядра = 3е. Електроните компенсират само два от трите елементарни заряда, така че се получава положителен йон. Тя се обозначава по следния начин: Li⁺. Йонът е атом, който има по-малко или повече електрони от броя на протоните в ядрото. В първия случай това е положителен йон. Ако добавим допълнителен електрон, те ще са четири и ще получим отрицателен йон (Li^-). Такава е физиката на материята. Неутралният атом се различава от йона по това, че неговите електрони напълно компенсират заряда на ядрото.