Fyzika struktury hmoty. Objev. Experiment. Výpočet

Fyziku struktury hmoty poprvé začal vážně studovat Joseph J. Thomson. Mnoho otázek mu však zůstalo nezodpovězeno. Po nějaké době e. Rutherford byl schopen formulovat model struktury atomu. V článku se podíváme na zkušenosti, které ho vedly k objevu. T. k. ve třídách fyziky je struktura hmoty jedním z nejzajímavějších témat, budeme analyzovat její klíčové aspekty. Naučíme se, z čeho se atom skládá, naučíme se najít počet elektronů, protonů, neutronů v něm. Seznámíme se s pojmem izotopů a iontů.

Objev elektronu

V roce 1897. anglický vědec Joseph John Thomson (jeho portrét lze vidět níže) studoval elektrický proud, t. e. směrový pohyb nábojů v plynech. V té době fyzika již věděla o molekulární struktuře hmoty. Bylo známo, že všechna těla jsou tvořena hmotou, která je tvořena molekulami, a ta jsou tvořena atomy.

Thomson zjistil, že za určitých podmínek atomy plynu emitují částice se záporným nábojem (q_al <0). Dostali jméno elektrony. Atom je neutrální, což znamená, že pokud z něj elektrony odlétají, měly by tam být také kladné částice. Co představuje část atomu se znaménkem "+"? Jak interaguje se záporně nabitým elektronem? Co určuje hmotnost atomu? Na všechny tyto otázky mohl odpovědět jiný vědec.

Rutherfordova Zkušenost

Počáteční informace o struktuře hmoty fyzika v roce 1911. již vlastnil. Ernest Rutherford objevil to, čemu dnes říkáme atomové jádro.

Existují hmoty, které mají zvláštní vlastnost: spontánně emitují různé částice, jako pozitivní, takže negativní. Tyto látky se nazývají radioaktivní. Kladně nabité prvky Rutherford nazval alfa částice (α-částice).

Mají poplatek se znaménkem "+", rovná se dvěma elementárním (q_α = +2e). Hmotnost prvků se přibližně rovná čtyřem hmotnostem atomu vodíku. Rutherford vzal radioaktivní lék, který emituje alfa částice, a byl bombardován tenkým filmem zlata (fólie)jejich proudem.

Zjistil, že většina prvků α téměř nemění svůj směr procházením atomy kovů. Existuje však velmi malý počet těch, které se odchylují dozadu. Proč se tak děje? Znalost fyziky struktury hmoty může být zodpovězena: protože uvnitř atomů zlata, stejně jako u jiných, existují pozitivní prvky, které odpuzují alfa částice. Ale proč se to děje jen s velmi malým počtem prvků? Protože rozměry kladně nabité části atomu jsou mnohem menší než jeho vlastní. K tomuto závěru dospěl Rutherford. Kladně nabitou část atomu nazval jádro.

Atomové zařízení

Fyzika struktury hmoty: molekuly se skládají z atomů, které obsahují malou kladně nabitou část (jádro) obklopenou elektrony. Neutralita atomu je vysvětlena skutečností, že celkový záporný náboj elektronů se rovná kladnému-jádru. q_jádra + q_al=0. Proč elektrony nespadají na jádro, protože jsou přitahovány? Odpovědět na tuto otázku Rutherford navrhl, že obíhají, jak se planety pohybují kolem Slunce a nekolidují s ním. Je to pohyb, který umožňuje tomuto systému být stabilní. Model atomu vytvořený Rutherfordem se nazývá planetární.

Pokud je atom neutrální a počet elektronů v něm musí být celý, pak se náboj jádra rovná této hodnotě se znaménkem plus. q_jádra= +z * e. z je počet elektronů v neutrálním atomu. V tomto případě je celkový náboj nulový. Jak zjistit číslo elektronů v atomu? Musíte použít periodický systém prvků. Velikost atomu je 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 rozměry se zvýší na 10⁵, a to je 100 km. To znamená, že atom se prakticky skládá z prázdnoty, proto alfa částice v podstatě létají fólií, téměř bez vychýlení.

Struktura jádra

Fyzika struktury hmoty je taková, že jádro je tvořeno částicemi dvou odrůd. Některé mají kladný náboj. Pokud uvažujeme atom, který má tři elektrony, pak uvnitř jsou tři částice s kladným nábojem. Nazývají se protony. Ostatní prvky nemají elektrický náboj-neutrony.

Hmotnosti protonu a neutronu jsou přibližně stejné. Obě částice mají mnohem větší hmotnost než elektron. m_proton ≈ 1837m_al. Totéž platí pro hmotnost neutronu. Z toho vyplývá závěr: hmotnost je pozitivní a neutrální nabitá částice - faktor určující hmotnost atomu. Protony a neutrony mají společný název-nukleony. Hmotnost atomu je určena jejich množstvím, které se nazývá hmotnostní číslo jádra. Počet elektronů v atomu jsme označili písmenem Z, ale T. k. je neutrální, pak množství pozitivní a negativní částice se musí shodovat. Proto se z také nazývá protonové nebo nabíjecí číslo.

Pokud je známo hmotnostní a nabíjecí číslo, můžeme také najít počet neutronů N. N = A - z. Jak zjistit, kolik nukleonů a protonů je v jádru? Ukazuje se, že periodická tabulka poblíž každého prvku uvádí číslo, které chemici nazývají relativní atomovou hmotností.

Pokud jej zaokrouhlíte, nedostaneme nic jiného než hmotnostní číslo nebo počet nukleonů v jádru (a). Pořadové číslo prvku představuje počet protonů (z). Znát a A z, je snadné najít n — počet neutronů. Pokud je atom neutrální, pak se počet elektronů a protonů rovná.

Izotop

Existují odrůdy jádra, ve kterých se počet protonů shoduje a počet neutronů se může lišit (což znamená stejný chemický prvek). Nazývají se izotopy. V přírodě byly atomy různých odrůd smíchány, takže chemici měří průměrnou hmotnost. Proto je v periodické tabulce relativní hmotnost atomu vždy zlomkové číslo. Zjistíme, co se stane s neutrálním atomem, pokud z něj odstraníte elektron nebo naopak umístíte přebytek.

Ionty

Zvažte neutrální atom lithia. K dispozici je jádro, dva elektrony jsou umístěny na jedné skořápce a tři na druhé. Pokud jeden z nich vyzvedneme, získá se kladně nabité jádro. q_jádra = 3e. Elektrony kompenzují pouze dva ze tří elementárních nábojů a získáme kladný iont. Je označen takto: Li⁺. Ion je atom, který má počet elektronů menší nebo větší než počet protonů v jádru. V prvním případě je to pozitivní ion. Pokud přidáme přebytečný elektron, budou již čtyři a dostaneme záporný iont (Li^-). Taková je fyzika struktury hmoty. Neutrální atom od iontu se tedy liší, protože v něm elektrony zcela kompenzují jaderný náboj.