Dugo su vremena mnoga svojstva materije ostala tajna za istraživače. Zašto neke tvari dobro provode struju, a druge ne? Zašto se željezo postupno razgrađuje pod utjecajem atmosfere, dok su plemeniti metali savršeno očuvani tisućama godina? Na mnoga od ovih pitanja odgovoreno je nakon što je osoba postala svjesna strukture atoma: njegove strukture, broja elektrona u svakom sloju elektrona. Štoviše, svladavanje čak i samih osnova strukture atomskih jezgri otvorilo je novu eru za svijet.
Od kojih je elemenata izgrađena elementarna cigla materije, kako oni međusobno djeluju, što možemo naučiti iz ovoga?
Struktura atoma u pogledu moderne znanosti
Trenutno se većina znanstvenika nastoji pridržavati planetarnog modela strukture materije. Prema ovom modelu, u središtu svakog atoma nalazi se jezgra, sićušna čak i u usporedbi s atomom (desetke tisuća puta manja od cjelineatom). Ali isto se ne može reći za masu jezgre. Gotovo sva masa atoma koncentrirana je u jezgri. Jezgra je pozitivno nabijena.
Elektroni rotiraju oko jezgre u različitim orbitama, ne kružnim, kao što je slučaj s planetima Sunčevog sustava, već trodimenzionalnim (sfere i osmice volumena). Broj elektrona u atomu brojčano je jednak naboju jezgre. Ali vrlo je teško smatrati elektron česticom koja se kreće nekakvom putanjom.
Njegova orbita je sićušna, a brzina je gotovo poput svjetlosnog snopa, pa je ispravnije smatrati elektron zajedno s njegovom orbitom nekom vrstom negativno nabijene sfere.
Članovi nuklearne obitelji
Svi atomi se sastoje od 3 sastavna elementa: protona, elektrona i neutrona.
Proton je glavni građevinski materijal jezgre. Njegova težina jednaka je atomskoj jedinici (masi atoma vodika) ili 1,67 ∙ 10-27 kg u SI sustavu. Čestica je pozitivno nabijena, a njezin se naboj uzima kao jedinica u sustavu elementarnih električnih naboja.
Neutron je maseni blizanac protona, ali nije nabijen ni na koji način.
Gore dvije čestice nazivaju se nuklidi.
Elektron je suprotan od nabijenog protona (elementarni naboj je −1). Ali što se tiče težine, elektron nas je iznevjerio, njegova masa je samo 9, 12 ∙ 10-31 kg, što je gotovo 2 tisuće puta lakše od protona ili neutrona.
Kako je "viđeno"
Kako biste mogli vidjeti strukturu atoma, ako ni najmodernija tehnička sredstva ne dopuštajui kratkoročno neće dopustiti dobivanje slika njegovih sastavnih čestica. Kako su znanstvenici znali broj protona, neutrona i elektrona u jezgri i njihov položaj?
Pretpostavka o planetarnoj strukturi atoma nastala je na temelju rezultata bombardiranja tanke metalne folije raznim česticama. Slika jasno pokazuje kako različite elementarne čestice komuniciraju s materijom.
Broj elektrona koji su prošli kroz metal u eksperimentima bio je jednak nuli. To se jednostavno objašnjava: negativno nabijeni elektroni odbijaju se od elektronskih ljuski metala, koje također imaju negativan naboj.
Snop protona (naboj +) prošao je kroz foliju, ali s "gubicima". Neke su odbile jezgre koje su im se našle na putu (vjerojatnost takvih pogodaka je vrlo mala), neke su odstupile od izvorne putanje, leteći preblizu jednoj od jezgri.
Neutroni su postali "najučinkovitiji" u smislu prevladavanja metala. Neutralno nabijena čestica izgubljena je samo u slučaju izravnog sudara s jezgrom tvari, dok je 99,99% neutrona uspješno prošlo kroz debljinu metala. Usput, bilo je moguće izračunati veličinu jezgri određenih kemijskih elemenata na temelju broja neutrona na ulazu i izlazu.
Na temelju dobivenih podataka izgrađena je trenutno dominantna teorija strukture materije, koja uspješno objašnjava većinu problema.
Što i koliko
Broj elektrona u atomu ovisi o atomskom broju. Na primjer, običan atom vodika imasamo jedan proton. Jedan elektron kruži okolo u orbiti. Sljedeći element periodnog sustava, helij, malo je kompliciraniji. Njegova jezgra se sastoji od dva protona i dva neutrona i stoga ima atomsku masu od 4.
S porastom serijskog broja, raste i veličina i masa atoma. Serijski broj kemijskog elementa u periodnom sustavu odgovara naboju jezgre (broj protona u njoj). Broj elektrona u atomu jednak je broju protona. Na primjer, atom olova (atomski broj 82) ima 82 protona u svojoj jezgri. U orbiti oko jezgre ima 82 elektrona. Za izračunavanje broja neutrona u jezgri dovoljno je oduzeti broj protona od atomske mase:
207 – 82=125.
Zašto uvijek postoje jednaki brojevi
Svaki sustav u našem svemiru teži stabilnosti. U odnosu na atom, to se izražava u njegovoj neutralnosti. Ako na sekundu zamislimo da svi atomi bez iznimke u Svemiru imaju jedan ili drugi naboj različitih veličina s različitim predznacima, može se zamisliti kakav bi kaos došao u svijetu.
Ali budući da je broj protona i elektrona u atomu jednak, ukupni naboj svake "cigle" je nula.
Broj neutrona u atomu je nezavisna vrijednost. Štoviše, atomi istog kemijskog elementa mogu imati različit broj tih čestica s nultim nabojem. Primjer:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutrona=vodik (atomska masa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterij (atomska masa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tricij (atomska masa 3).
U ovom slučaju, broj elektrona u atomu se ne mijenja, atom ostaje neutralan, njegova se masa mijenja. Takve varijacije kemijskih elemenata nazivaju se izotopi.
Je li 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 utjecati.
Pod utjecajem dovoljno jakog električnog polja iz vanjskog sloja atoma, jedan ili više elektrona mogu "odletjeti". 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 se način u baterijama pohranjuje električni naboj, a najtanji filmovi nekih metala nanose se na površine drugih (pozlata, posrebrenje, kromiranje, niklanje itd.).
Broj elektrona je također nestabilan u metalima - vodičima električne struje. Elektroni vanjskih slojeva, takoreći, hodaju od atoma do atoma, prenoseći električnu energiju kroz vodič.
