Dugo su mnoga svojstva materije ostala tajna za istraživače. Zašto neke supstance dobro provode električnu energiju, a druge ne? Zašto se gvožđe postepeno razgrađuje pod uticajem atmosfere, dok su plemeniti metali savršeno očuvani hiljadama godina? Na mnoga od ovih pitanja odgovoreno je nakon što je osoba postala svjesna strukture atoma: njegove strukture, broja elektrona u svakom sloju elektrona. Štaviše, ovladavanje čak i samim osnovama strukture atomskih jezgara otvorilo je novu eru za svijet.
Od kojih elemenata je izgrađena elementarna cigla materije, kako oni međusobno djeluju, šta možemo naučiti iz ovoga?
Struktura atoma u pogledu moderne nauke
Trenutno, većina naučnika teži da se pridržava planetarnog modela strukture materije. Prema ovom modelu, u centru svakog atoma nalazi se jezgro, sićušno čak i u poređenju sa atomom (desetine hiljada puta manje od celineatom). Ali isto se ne može reći za masu jezgra. Gotovo sva masa atoma koncentrisana je u jezgru. Jezgro je pozitivno nabijeno.
Elektroni rotiraju oko jezgra u različitim orbitama, ne kružnim, kao što je slučaj sa planetama Sunčevog sistema, već trodimenzionalnim (sfere i osmice zapremine). Broj elektrona u atomu je numerički jednak naboju jezgra. Ali, veoma je teško posmatrati elektron kao česticu koja se kreće duž neke putanje.
Njegova orbita je sićušna, a brzina je skoro kao svjetlosnog snopa, pa je ispravnije posmatrati elektron zajedno sa njegovom orbitom kao neku vrstu negativno nabijene sfere.
Članovi nuklearne porodice
Svi atomi se sastoje od 3 sastavna elementa: protona, elektrona i neutrona.
Proton je glavni građevinski materijal jezgra. Njegova težina je jednaka atomskoj jedinici (masi atoma vodonika) ili 1,67 ∙ 10-27 kg u SI sistemu. Čestica je pozitivno naelektrisana, a njen naboj se uzima kao jedinica u sistemu elementarnih električnih naboja.
Neutron je maseni blizanac protona, ali nije nabijen ni na koji način.
Gore dvije čestice se zovu nuklidi.
Elektron je suprotnost naelektrisanom protonu (elementarni naboj je −1). Ali što se tiče težine, elektron nas je iznevjerio, njegova masa je samo 9, 12 ∙ 10-31 kg, što je skoro 2 hiljade puta lakše od protona ili neutrona.
Kako je "viđeno"
Kako biste mogli vidjeti strukturu atoma, ako ni najmodernija tehnička sredstva ne dozvoljavajui kratkoročno neće dozvoliti da se dobiju slike njegovih sastavnih čestica. Kako su naučnici znali broj protona, neutrona i elektrona u jezgru i njihovu lokaciju?
Pretpostavka o planetarnoj strukturi atoma napravljena je na osnovu rezultata bombardovanja tanke metalne folije raznim česticama. Slika jasno pokazuje kako različite elementarne čestice komuniciraju sa materijom.
Broj elektrona koji su prošli kroz metal u eksperimentima bio je jednak nuli. Ovo se jednostavno objašnjava: negativno nabijeni elektroni se odbijaju od elektronskih omotača metala, koji također imaju negativan naboj.
Snop protona (naelektrisanje +) prošao je kroz foliju, ali sa "gubicima". Neke su odbile jezgre koje su im se ispriječile (vjerovatnost takvih pogodaka je vrlo mala), neke su odstupile od prvobitne putanje, leteći preblizu jednom od jezgara.
Neutroni su postali najefikasniji u smislu savladavanja metala. Neutralno nabijena čestica je izgubljena samo u slučaju direktnog sudara sa jezgrom supstance, dok je 99,99% neutrona uspješno prošlo kroz debljinu metala. Inače, bilo je moguće izračunati veličinu jezgra određenih hemijskih elemenata na osnovu broja neutrona na ulazu i izlazu.
Na osnovu dobijenih podataka izgrađena je trenutno dominantna teorija strukture materije, koja uspešno objašnjava većinu problema.
Šta i koliko
Broj elektrona u atomu zavisi od atomskog broja. Na primjer, običan atom vodika imasamo jedan proton. Jedan elektron kruži okolo u orbiti. Sledeći element periodnog sistema, helijum, je malo komplikovaniji. Njegovo jezgro se sastoji od dva protona i dva neutrona i stoga ima atomsku masu od 4.
S porastom serijskog broja, veličina i masa atoma rastu. Serijski broj hemijskog elementa u periodnom sistemu odgovara naboju jezgra (broj protona u njemu). Broj elektrona u atomu jednak je broju protona. Na primjer, atom olova (atomski broj 82) ima 82 protona u svom jezgru. Postoje 82 elektrona u orbiti oko jezgra. Za izračunavanje broja neutrona u jezgru, dovoljno je oduzeti broj protona od atomske mase:
207 – 82=125.
Zašto uvijek postoje jednaki brojevi
Svaki sistem u našem univerzumu teži stabilnosti. U odnosu na atom, to se izražava u njegovoj neutralnosti. Ako na sekundu zamislimo da svi atomi bez izuzetka u Univerzumu imaju jedan ili drugi naboj različitih veličina sa različitim predznacima, može se zamisliti kakav bi haos nastao u svijetu.
Ali pošto je broj protona i elektrona u atomu jednak, ukupni naboj svake "cigle" je nula.
Broj neutrona u atomu je nezavisna vrijednost. Štaviše, atomi istog hemijskog elementa mogu imati različit broj ovih čestica sa nultim nabojem. Primjer:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutrona=vodonik (atomska masa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterijum (atomska masa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tricijum (atomska masa 3).
U ovom slučaju, broj elektrona u atomu se ne mijenja, atom ostaje neutralan, njegova masa se mijenja. Takve varijacije hemijskih elemenata nazivaju se izotopi.
Da li je atom uvijek neutralan
Ne, broj elektrona u atomu nije uvijek jednak broju protona. Ako se elektron ili dva ne bi mogli „oduzeti“atomu na neko vrijeme, ne bi bilo takve stvari kao što je galvanizacija. Na atom, kao i na svaku materiju, može se uticati.
Pod uticajem dovoljno jakog električnog polja iz spoljašnjeg sloja atoma, jedan ili više elektrona mogu da "odlete". U tom slučaju, čestica tvari prestaje biti neutralna i naziva se ion. Može se kretati u plinovitom ili tekućem mediju, prenoseći električni naboj s jedne elektrode na drugu. Na taj način se električni naboj pohranjuje u baterijama, a najtanji filmovi nekih metala se nanose na površine drugih (pozlata, posrebrenje, hromiranje, niklovanje, itd.).
Broj elektrona je takođe nestabilan u metalima - provodnicima električne struje. Elektroni vanjskih slojeva, takoreći, hodaju od atoma do atoma, prenoseći električnu energiju kroz provodnik.
