Фізика будови речовини. Відкриття. Експеримент. Розрахунок

Фізику будови речовини вперше серйозно почав вивчати Джозеф Дж. Томсон. Однак багато питань залишалися у нього без відповіді. Через деякий час Е. Резерфорд зміг сформулювати модель будови атома. У статті ми розглянемо досвід, який привів його до відкриття. Ґатунок. до. на уроках фізики будова речовини-це одна з найцікавіших тим, ми розберемо її ключові аспекти. Дізнаємося, з чого складається атом, навчимося знаходити кількість електронів, протонів, нейтронів в ньому. Познайомимося з поняттям ізотопів та іонів.

Відкриття електрона

У 1897 р. англійський учений Джозеф Джон Томсон (його портрет можна побачити нижче) вивчав електричний струм, т. е. спрямований рух зарядів в газах. У той час про молекулярну будову речовини Фізика вже знала. Відомо, що всі тіла складаються з речовини, яка складається з молекул, а останні-з атомів.

Томсон виявив, що за певних умов атоми газу випромінюють частинки з негативним зарядом (q_ел <0). Вони отримали назву електронів. Атом нейтральний, значить, якщо електрони вилітають з нього, то там повинні міститися і позитивні частинки. Що ж собою являє частина атома зі знаком "+"? Як вона взаємодіє з негативно зарядженим електроном? Що визначає масу атома? Відповісти на всі ці питання зміг інший вчений.

Досвід Резерфорда

Початковими відомостями про будову речовини Фізика в 1911 р. вже володіла. Ернест Резерфорд виявив те, що ми сьогодні називаємо атомним ядром.

Існують матерії, що володіють дивним властивістю: вони мимовільно випускають різні частинки, як позитивні, так і негативні. Такі речовини отримали назву радіоактивних. Позитивно заряджені елементи Резерфорд назвав альфа-частинками (α-частинками).

Вони мають заряд зі знаком "+", дорівнює двом елементарним (q_α = +2e). Вага елементів приблизно дорівнює чотирьом масам атома водню. Резерфорд взяв радіоактивний препарат, який випускає альфа-частинки, і їх потоком бомбардував тонку плівку золота (фольгу).

Він виявив, що більшість α-елементів майже не змінюють свого напрямку, проходячи через атоми металу. Але існує дуже невелика кількість тих, які відхиляються назад. Чому так відбувається? Знаючи фізику будови речовини, можна відповісти: тому що всередині атомів золота, як і будь-яких інших, існують позитивні елементи, які відштовхують альфа-частинки. Але чому це відбувається лише з дуже малою кількістю елементів? Тому що розміри позитивно зарядженої частини атома набагато менше його самого. До цього висновку і прийшов Резерфорд. Позитивно заряджену частину атома він назвав ядром.

Пристрій атома

Фізика будови речовини: молекули складаються з атомів, які містять крихітну позитивно заряджену частину (ядро), оточену електронами. Нейтральність атома пояснюється тим, що сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному-ядра. q_ядро + q_ел=0. Чому ж електрони не падають на ядро, адже вони ж притягуються? Щоб відповісти на це питання, Резерфорд припустив, що вони обертаються, як планети рухаються навколо Сонця і не стикаються з ним. Саме рух дозволяє цій системі бути стабільною. Модель атома, придумана Резерфордом, отримала назву планетарної.

Якщо атом нейтральний, а число електронів в ньому обов`язково має бути цілим, то заряд ядра дорівнює цій величині зі знаком плюс. q_ядро= +z * e. z-це кількість електронів у нейтральному атомі. В такому випадку сумарний заряд дорівнює нулю. Як дізнатися число електронів в атомі? Потрібно скористатися періодичною системою елементів. Розміри атома мають порядок 10^-10 м. А ядра в 100 тисяч разів менше-10^-15 м.

Уявімо, що ми збільшили розміри ядра до 1 метра. У твердому тілі відстань між атомами приблизно дорівнює величині їх самих, значить, розміри збільшаться до 10⁵, а це 100 км. Тобто атом практично складається з порожнечі, ось чому альфа-частинки в основному пролітають крізь фольгу, майже не відхиляючись.

Будова ядра

Фізика будови речовини така, що ядро складається з частинок двох сортів. Деякі з них мають позитивним зарядом. Якщо ми розглядаємо атом, у якого три електрони, то всередині нього-три частинки з позитивним зарядом. Вони називаються протони. Інші елементи не володіють електричним зарядом-нейтрони.

Маси протона і нейтрона приблизно рівні. І та, і інша частинки мають вагу, набагато більшу, ніж електрон. m_протон ≈ 1837m_ел. Те ж стосується і маси нейтрона. З цього випливає висновок: вага позитивно і нейтрально заряджена частинка - фактор, що визначає масу атома. У протонів і нейтронів є загальна назва-нуклони. Вага атома визначається їх кількістю, яка називається масовим числом ядра. Число електронів в атомі ми позначили буквою z, але т. до. він нейтральний, то кількість позитивних і негативних частинок має збігатися. Тому z ще називають протонним або зарядовим числом.

Якщо відомі масове і зарядове число, то ми можемо знайти і кількість нейтронів N. N = A - z. Як дізнатися, скільки нуклонів і протонів знаходиться в ядрі? Виявляється, в таблиці Менделєєва біля кожного елемента вказано число, яке хіміки називають відносною атомною масою.

Якщо його округлити, отримаємо не що інше, як масове число або кількість нуклонів в ядрі (А). Порядковий номер елемента являє собою кількість протонів (z). Знаючи А і z, легко знайти n-число нейтронів. Якщо атом нейтральний, то кількість електронів і протонів дорівнює.

Ізотоп

Існують різновиди ядра, в якому число протонів збігається, а кількість нейтронів може відрізнятися (мається на увазі один і той же хімічний елемент). Їх називають ізотопами. У природі атоми різних сортів перемішалися, тому хіміки вимірюють усереднену масу. Саме тому в таблиці Менделєєва відносна вага атома-це завжди дробове число. Розберемося, що станеться з нейтральним атомом, якщо прибрати з нього електрон або, навпаки, помістити зайвий.

Іон

Розглянемо нейтральний атом літію. Є ядро, два електрони розташовані на одній оболонці і три-на іншій. Якщо ми заберемо один з них, вийде позитивно заряджене ядро. q_ядро = 3е. Електрони компенсують лише два з трьох елементарних зарядів, і ми отримуємо позитивний іон. Він позначається так: Li⁺. Іон-це атом, у якого кількість електронів менше або більше числа протонів в ядрі. У першому випадку-це позитивний іон. Якщо ми додамо зайвий електрон, то їх буде вже чотири, і ми отримаємо негативний іон (Li^-). Така Фізика будови речовини. Отже, нейтральний атом від іона відрізняється тим, що в ньому електрони повністю компенсують заряд ядра.