Fizika strukture materije. Otkrića. Eksperimenti. Izračuni

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 17:42

Fiziku strukture materije prvi je ozbiljno proučavao Joseph J. Thomson. Međutim, mnoga pitanja su ostala bez odgovora. Nešto kasnije, E. Rutherford je uspio da formuliše model strukture atoma. U članku ćemo razmotriti iskustvo koje ga je dovelo do otkrića. Budući da je struktura materije jedna od najzanimljivijih tema u nastavi fizike, analiziraćemo njene ključne aspekte. Učimo od čega se atom sastoji, učimo kako pronaći broj elektrona, protona, neutrona u njemu. Hajde da se upoznamo sa pojmom izotopa i jona.

Otkriće elektrona

Godine 1897. engleski naučnik Joseph John Thomson (njegov portret se može vidjeti ispod) proučavao je električnu struju, odnosno usmjereno kretanje naelektrisanja u gasovima. U to vrijeme fizika je već znala za molekularnu strukturu materije. Bilo je poznato da su sva tijela napravljena od materije, koja je napravljena od molekula, a ova druga od atoma.

Thomson je otkrio da, pod određenim uslovima, atomi gasa emituju čestice sa negativnim nabojem (q_{el <0). Zovu se elektroni. Atom je neutralan, što znači da ako iz njega izlete elektroni, onda se tu moraju nalaziti i pozitivne čestice. Koji je dio atoma sa znakom "+"? Kako djeluje s negativno nabijenim elektronom? Šta određuje masu atoma? Drugi naučnik bi mogao odgovoriti na sva ova pitanja.}

Rutherfordov eksperiment

1911. godine fizika je već posjedovala početne informacije o strukturi materije. Ernest Rutherford je otkrio ono što danas zovemo atomsko jezgro.

Postoje materije koje imaju čudno svojstvo: spontano emituju različite čestice, pozitivne i negativne. Takve tvari se nazivaju radioaktivnim. Pozitivno nabijene elemente Rutherford je nazvao alfa česticama (α-čestice).

Imaju "+" punjenje jednako dva elementarna naboja (q_{α=+2e). Težina elemenata je približno jednaka četiri mase atoma vodika. Rutherford je uzeo radioaktivni preparat koji emituje alfa čestice i bombardovao tanak film zlata (foliju) njihovom strujom.}

Otkrio je da većina α-elemenata jedva mijenja svoj smjer kada prolaze kroz atome metala. Ali vrlo je malo onih koji odstupaju unazad. Zašto se ovo dešava? Poznavajući fiziku strukture materije, možemo odgovoriti: jer unutraatomi zlata, kao i svaki drugi, postoje pozitivni elementi koji odbijaju alfa čestice. Ali zašto se to dešava samo sa vrlo malo elemenata? Zato što je veličina pozitivno nabijenog dijela atoma mnogo manja od njega samog. Rutherford je došao do ovog zaključka. Pozitivno nabijeni dio atoma nazvao je jezgrom.

Uređaj atoma

Fizika strukture materije: Molekule se sastoje od atoma, koji sadrže sićušni pozitivno nabijeni dio (jezgro) okružen elektronima. Neutralnost atoma se objašnjava činjenicom da je ukupni negativni naboj elektrona jednak pozitivnom - jezgri. q_core + q_{el=0. Zašto elektroni ne padaju na jezgro, jer se privlače? Da bi odgovorio na ovo pitanje, Rutherford je predložio da se rotiraju kao što se planete kreću oko Sunca i da se ne sudaraju s njim. Pokret je ono što omogućava da ovaj sistem bude stabilan. Rutherfordov model atoma naziva se planetarnim.}

Ako je atom neutralan, a broj elektrona u njemu mora biti cijeli broj, tada je naboj jezgra jednak ovoj vrijednosti sa znakom plus. q_cores=+ze. z je broj elektrona u neutralnom atomu. U ovom slučaju, ukupni naboj je nula. Kako pronaći broj elektrona u atomu? Morate koristiti periodni sistem elemenata. Dimenzije atoma su reda veličine 10^-10 m. A jezgra su 100 hiljada puta manja - 10^{-15 m.}

Zamislimo da smo povećali veličinu jezgra na 1 metar. U čvrstom tijelu razmak između atoma je približno jednak njihovoj veličini, što znači da su dimenzijeće se povećati na 105, što je 100 km. Odnosno, atom je praktično prazan, zbog čega alfa čestice uglavnom lete kroz foliju bez skoro nikakvog otklona.

Struktura jezgra

Fizika strukture materije je takva da se jezgro sastoji od dvije vrste čestica. Neki od njih su pozitivno nabijeni. Ako uzmemo u obzir atom koji ima tri elektrona, onda se unutar njega nalaze tri čestice s pozitivnim nabojem. Zovu se protoni. Ostali elementi nemaju električni naboj - neutroni.

Mase protona i neutrona su približno jednake. Obje čestice imaju težinu mnogo veću od težine elektrona. m_proton ≈ 1837m_{el. Isto važi i za masu neutrona. Iz ovoga slijedi zaključak: težina pozitivno i neutralno nabijenih čestica je faktor koji određuje masu atoma. Protoni i neutroni imaju zajednički naziv - nukleoni. Težina atoma određena je njihovim brojem, koji se naziva masenim brojem jezgra. Broj elektrona u atomu označili smo slovom z, ali pošto je neutralan, broj pozitivnih i negativnih čestica se mora podudarati. Stoga se z naziva i protonskim ili brojem naelektrisanja.}

Ako znamo broj mase i naboja, tada možemo pronaći broj neutrona N. N=A - z. Kako saznati koliko nukleona i protona ima u jezgru? Ispostavilo se da u periodnom sistemu, pored svakog elementa, postoji broj koji hemičari nazivaju relativnom atomskom masom.

Ako to zaokružimo, ne dobijamo ništa više odmaseni broj ili broj nukleona u jezgru (A). Atomski broj elementa je broj protona (z). Poznavajući A i z, lako je pronaći N - broj neutrona. Ako je atom neutralan, tada je broj elektrona i protona jednak.

Izotopi

Postoje varijante jezgra u kojima je broj protona isti, ali broj neutrona može da se razlikuje (što znači isti hemijski element). Zovu se izotopi. U prirodi se miješaju atomi različitih vrsta, pa hemičari mjere prosječnu masu. Zato je u periodnom sistemu relativna težina atoma uvijek razlomak. Hajde da shvatimo šta se dešava sa neutralnim atomom ako se iz njega ukloni elektron ili, obrnuto, stavi još jedan.

joni

Razmislite o neutralnom atomu litijuma. Postoji jezgro, dva elektrona se nalaze na jednoj ljusci, a tri na drugoj. Ako oduzmemo jednu od njih, dobićemo pozitivno nabijeno jezgro. q_cores =3. Elektroni kompenzuju samo dva od tri elementarna naboja, a mi dobijamo pozitivan ion. Označava se na sljedeći način: Li⁺. Jon je atom u kojem je broj elektrona manji ili veći od broja protona u jezgru. U prvom slučaju radi se o pozitivnom jonu. Ako dodamo dodatni elektron, onda će ih biti četiri, i dobićemo negativni ion (Li^{-). Takva je fizika strukture materije. Dakle, neutralni atom se razlikuje od jona po tome što elektroni u njemu potpuno kompenzuju naboj jezgra.}