Fizika strukture materije. Otkrića. Eksperimenti. Izračuni

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 17:48

Fiziku strukture materije prvi je ozbiljno proučavao Joseph J. Thomson. Međutim, mnoga pitanja ostala su bez odgovora. Nešto kasnije, E. Rutherford je uspio formulirati 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, analizirat ćemo njezine ključne aspekte. Učimo od čega se atom sastoji, učimo kako pronaći broj elektrona, protona, neutrona u njemu. Upoznajmo se s pojmom izotopa i iona.

Otkriće elektrona

Godine 1897. engleski znanstvenik Joseph John Thomson (njegov portret se može vidjeti dolje) proučavao je električnu struju, odnosno usmjereno kretanje naboja u plinovima. 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 potonje od atoma.

Thomson je otkrio da, pod određenim uvjetima, atomi plina emitiraju čestice s negativnim nabojem (q_{el <0). Zovu se elektroni. Atom je neutralan, što znači da ako iz njega izlete elektroni, onda se u njemu moraju nalaziti i pozitivne čestice. Koji je dio atoma sa znakom "+"? Kako djeluje s negativno nabijenim elektronom? Što određuje masu atoma? Još jedan znanstvenik mogao bi odgovoriti na sva ova pitanja.}

Rutherfordov eksperiment

1911. godine fizika je već posjedovala početne informacije o strukturi materije. Ernest Rutherford otkrio je ono što danas nazivamo atomskom jezgrom.

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

Imaju naboj "+" jednak dvama elementarnim nabojima (q_{α=+2e). Težina elemenata približno je jednaka četirima masama atoma vodika. Rutherford je uzeo radioaktivni pripravak koji emitira alfa čestice i bombardirao tanak film zlata (foliju) njihovom strujom.}

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

Naprava atoma

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

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

Zamislimo da smo povećali veličinu jezgre na 1 metar. U krutom tijelu udaljenost između atoma je približno jednaka njihovoj veličini, što znači da su dimenzijepovećat će se na 105, što je 100 km. Odnosno, atom je praktički prazan, zbog čega alfa čestice uglavnom lete kroz foliju gotovo bez otklona.

Struktura jezgre

Fizika strukture materije je takva da se jezgra 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 vrijedi i za masu neutrona. Iz ovoga slijedi zaključak: težina pozitivno i neutralno nabijenih čestica faktor je koji određuje masu atoma. Protoni i neutroni imaju zajednički naziv - nukleoni. Težina atoma određena je njihovim brojem, koji se naziva masenim brojem jezgre. Broj elektrona u atomu označili smo slovom z, ali budući da je neutralan, broj pozitivnih i negativnih čestica se mora podudarati. Stoga se z također naziva proton ili broj naboja.}

Ako znamo masu i broj naboja, tada možemo pronaći broj neutrona N. N=A - z. Kako saznati koliko nukleona i protona ima u jezgri? Ispada da u periodnom sustavu, pored svakog elementa, postoji broj koji kemičari nazivaju relativnom atomskom masom.

Ako to zaokružimo, nećemo dobiti ništa više odmaseni broj ili broj nukleona u jezgri (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 jezgre u kojima je broj protona isti, ali se broj neutrona može razlikovati (što znači isti kemijski element). Zovu se izotopi. U prirodi se miješaju atomi različitih vrsta, pa kemičari mjere prosječnu masu. Zato je u periodnom sustavu relativna težina atoma uvijek razlomak. Hajdemo shvatiti što se događa s neutralnim atomom ako se iz njega ukloni elektron ili, obrnuto, stavi se dodatni.

Ioni

Razmislite o neutralnom atomu litija. Postoji jezgra, na jednoj ljusci nalaze se dva elektrona, a na drugoj tri. Oduzmemo li jednu od njih, dobivamo pozitivno nabijenu jezgru. q_jezgre =3. Elektroni kompenziraju samo dva od tri elementarna naboja, a mi dobivamo pozitivan ion. Označava se na sljedeći način: Li⁺. Ion je atom u kojem je broj elektrona manji ili veći od broja protona u jezgri. U prvom slučaju to je pozitivan ion. Ako dodamo dodatni elektron, bit će ih četiri, a dobit ćemo negativni ion (Li^{-). Takva je fizika strukture materije. Dakle, neutralni atom razlikuje se od iona po tome što elektroni u njemu potpuno kompenziraju naboj jezgre.}