Fizyka struktury materii. Odkrycia. Eksperymenty. Obliczenia

Fizyka struktury materii została po raz pierwszy poważnie zbadana przez Josepha J. Greenberga. Thomson. Jednak wiele jego pytań pozostało bez odpowiedzi. Po chwili E. Rutherford był w stanie sformułować model struktury atomu. W tym artykule rozważamy eksperyment, który doprowadził do jego odkrycia. Т. к. Na zajęciach z fizyki materia jest jednym z najciekawszych tematów i będziemy badać jej kluczowe aspekty. Dowiedz się, z czego zbudowany jest atom, naucz się znajdować liczbę elektronów, protonów, neutronów w nim zawartych. Wprowadzić pojęcie izotopów i jonów.

Odkrycie elektronu

W 1897 r. Angielski naukowiec Joseph John Thomson (jego portret można zobaczyć poniżej) badał prąd elektryczny, t. е. ruch kierunkowy ładunków w gazach. W tym czasie fizyka wiedziała już o molekularnej budowie materii. Wiadomo było, że wszystkie ciała składają się z materii, która składa się z cząsteczek, a te ostatnie z atomów.

Thomson odkrył, że w pewnych warunkach atomy w gazie emitują cząstki o ładunku ujemnym (q_el <0). Są one nazywane elektronami. Atom jest neutralny, więc jeśli uciekają z niego elektrony, to musi zawierać również cząstki dodatnie. Co to jest część atomu ze znakiem "+"? Jak oddziałuje z ujemnie naładowanym elektronem?? Co decyduje o masie atomu? Na wszystkie te pytania potrafił odpowiedzieć inny naukowiec.

Eksperyment Rutherforda

Fizycy w 1911 roku mieli pierwsze pojęcie o strukturze materii. był już w posiadaniu. Ernest Rutherford odkrył to, co dziś nazywamy jądrem atomowym.

Istnieją substancje, które mają dziwną właściwość: spontanicznie emitują różne cząstki, jako pozytywny, jak i negatywnych. Takie substancje nazwano radioaktywnymi. Dodatnio naładowane pierwiastki Rutherford nazwał cząstkami alfa (cząstki α).

Mają zarzut z napisem "+", równe dwóm elementom (q_α = +2e). Masa pierwiastków to w przybliżeniu cztery masy atomu wodoru. Rutherford wziął radioaktywny lek, który emituje cząstki alfa i zbombardował ich strumieniem cienką warstwę złota (folię).

Odkrył, że większość pierwiastków α miała niewielką lub żadną zmianę kierunku, gdy przechodziła przez atomy metalu. Ale jest bardzo niewielu, którzy odbijają się od dna. Dlaczego tak się dzieje? Znając fizykę materii, możemy odpowiedzieć: ponieważ wewnątrz atomów złota, jak każdego innego, znajdują się pierwiastki dodatnie, które odpychają cząstki alfa. Ale dlaczego dzieje się to tylko w przypadku bardzo małej liczby elementów? Ponieważ rozmiar dodatnio naładowanej części atomu jest znacznie mniejszy niż samego atomu. Do takiego wniosku doszedł Rutherford. Jądro nazwał dodatnio naładowaną częścią atomu.

Struktura atomu

Fizyka budowy materii: cząsteczki zbudowane są z atomów, które zawierają maleńką dodatnio naładowaną część (jądro) otoczoną elektronami. Neutralność atomu tłumaczy się tym, że całkowity ujemny ładunek elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi jądra. q_jądra + q_el=0. Dlaczego elektrony nie spadają na jądro, przecież są przyciągane? Odpowiadając na to na to pytanie Rutherford zasugerował, że krążą one tak, jak planety poruszają się wokół słońca i nie zderzają się z nim. To właśnie ruch pozwala temu systemowi być stabilnym. Model atomu Rutherforda został nazwany modelem planetarnym.

Jeśli atom jest obojętny, a liczba elektronów w nim musi być całkowita, to ładunek jądrowy jest równy tej wartości ze znakiem plusa. q_Jądro= +z * e. z jest liczbą elektronów w atomie obojętnym. W tym przypadku ładunek całkowity wynosi zero. Jak znajdziemy liczbę elektrony w atomie? Musimy skorzystać z układu okresowego pierwiastków. Rozmiar atomu jest rzędu 10^-10 м. A jądra są 100 000 razy mniejsze, 10^-15 м.

Załóżmy, że zwiększymy rozmiar jądra do 1 m. W ciele stałym odległość między atomami jest mniej więcej równa rozmiarowi samych atomów, więc rozmiar wzrośnie do 10⁵, i to jest 100 tysięcznych kilometra. Więc atom praktycznie nie składa się z niczego, dlatego cząstki alfa w większości przelatują przez folię, prawie się nie odchylając.

Struktura jądra

Fizyka struktury materii jest taka, że jądro składa się z cząstek dwóch odmian. Niektóre z nich mają ładunek dodatni. Jeśli rozważymy atom, który ma trzy elektrony, to w jego wnętrzu znajdują się trzy cząstki o dodatnim ładunku. Nazywane są one protonami. Inne pierwiastki nie posiadają ładunku elektrycznego - neutrony.

Masy protonu i neutronu są w przybliżeniu równe. Obie cząstki mają masę znacznie większą od masy elektronu. m_proton ≈ 1837m_el. To samo dotyczy masy neutronu. Z tego wynika, że wagi pozytywnych i neutralnych naładowane cząstki - czynnik określający masę atomu. Protony i neutrony mają wspólną nazwę - nukleony. O masie atomu decyduje ich liczba, którą nazywamy liczbą masową jądra. Liczbę elektronów w atomie oznaczamy przez z, natomiast t. к. jest neutralny, liczba pozytywny i negatywny cząsteczki muszą być takie same. Dlatego z nazywane jest również liczbą protonową lub liczbą ładunkową.

Jeśli znana jest masa i liczba ładunkowa, możemy również znaleźć liczbę neutronów N. N = A - z. Skąd wiemy ile nukleonów i protonów jest w jądrze?? Okazuje się, że w tablicy Mendelejewa każdy pierwiastek ma obok siebie liczbę, którą chemicy nazywają względną masą atomową.

Jeśli zaokrąglimy ją w górę, to otrzymamy nic innego jak liczbę masową lub liczbę nukleonów w jądrze (A). Numer porządkowy pierwiastka oznacza liczbę protonów (z). Znając A i z, łatwo znaleźć N, czyli liczbę neutronów. Jeśli atom jest obojętny, to liczba elektronów i protonów jest równa.

Izotopy

Istnieją odmiany jąder, w których liczba protonów jest taka sama, ale liczba neutronów może być różna (co oznacza ten sam pierwiastek chemiczny). Nazywane są one izotopami. W przyrodzie atomy różnych odmian są wymieszane, dlatego chemicy mierzą średnią masę. To dlatego w tablicy Mendelejewa względna masa atomu jest zawsze liczbą ułamkową. Sprawdźmy, co się stanie z neutralnym atomem, jeśli usuniemy z niego elektron lub przeciwnie - umieścimy w jądrze dodatkowy.

Jony

Rozważmy neutralny atom litu. Jest jądro, dwa elektrony na jednej powłoce i trzy na drugiej. Jeśli zabierzemy jeden z nich, otrzymamy dodatnio naładowane jądro. q_jądra = 3е. Elektrony kompensują tylko dwa z trzech ładunków elementarnych, więc otrzymujemy jon dodatni. Jest on oznaczany jako Li⁺. Jon to atom posiadający mniej lub więcej elektronów niż liczba protonów w jądrze. W pierwszym przypadku jest to jon dodatni. Jeśli dodamy dodatkowy elektron, to jest ich już cztery i otrzymamy jon ujemny (Li^-). To jest fizyka materii. Atom obojętny różni się więc od jonu tym, że jego elektrony całkowicie kompensują ładunek jądra.