فیزیک ساختار ماده اولین بار توسط جوزف جی. تامسون به طور جدی مورد مطالعه قرار گرفت. با این حال، بسیاری از سوالات بی پاسخ ماند. مدتی بعد، ای رادرفورد توانست مدلی از ساختار اتم را فرموله کند. در مقاله تجربه ای را که او را به این کشف سوق داد در نظر خواهیم گرفت. از آنجایی که ساختار ماده یکی از جالب ترین مباحث دروس فیزیک است، به بررسی جنبه های کلیدی آن می پردازیم. ما یاد می گیریم که یک اتم از چه چیزی تشکیل شده است، یاد می گیریم که چگونه تعداد الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها را در آن پیدا کنیم. بیایید با مفهوم ایزوتوپ ها و یون ها آشنا شویم.
کشف الکترون
در سال 1897، دانشمند انگلیسی جوزف جان تامسون (پرتره او را می توان در زیر مشاهده کرد) جریان الکتریکی، یعنی حرکت هدایت شده بارها در گازها را مطالعه کرد. در آن زمان، فیزیک از قبل در مورد ساختار مولکولی ماده می دانست. شناخته شده بود که تمام اجسام از ماده ساخته شده اند که از مولکول ها ساخته شده است و دومی از اتم ساخته شده است.
تامسون کشف کرد که، تحت شرایط خاص، اتم‌های گاز ذراتی با بار منفی ساطع می‌کنند (qel <0). آنها الکترون نامیده می شوند. اتم خنثی است، به این معنی که اگر الکترون ها از آن خارج شوند، ذرات مثبت نیز باید در آن وجود داشته باشند. قسمتی از اتم با علامت "+" چیست؟ چگونه با یک الکترون با بار منفی تعامل می کند؟ چه چیزی جرم یک اتم را تعیین می کند؟ دانشمند دیگری می تواند به همه این سوالات پاسخ دهد.
آزمایش رادرفورد
در سال 1911، فیزیک اطلاعات اولیه در مورد ساختار ماده را در اختیار داشت. ارنست رادرفورد چیزی را کشف کرد که ما امروز آن را هسته اتم می نامیم.
موضوعی وجود دارند که خاصیت عجیبی دارند: آنها به طور خود به خود ذرات مختلفی را منتشر می کنند، اعم از مثبت و منفی. به چنین موادی رادیواکتیو می گویند. عناصر دارای بار مثبت رادرفورد ذرات آلفا (ذرات α) نامید.
آنها یک بار "+" برابر با دو بار اصلی دارند (qα=+2e). وزن عناصر تقریباً برابر با چهار جرم یک اتم هیدروژن است. رادرفورد از مواد رادیواکتیو استفاده کرد که ذرات آلفا را ساطع می‌کرد و یک لایه نازک از طلا (فیل) را با جریان آن بمباران کرد.
او دریافت که بیشتر عناصر α هنگام عبور از اتم های فلزی به سختی جهت خود را تغییر می دهند. اما تعداد بسیار کمی هستند که به عقب منحرف می شوند. چرا این اتفاق می افتد؟ با دانستن فیزیک ساختار ماده می توان پاسخ داد: زیرا در داخلاتم های طلا، مانند هر اتم دیگری، عناصر مثبتی وجود دارند که ذرات آلفا را دفع می کنند. اما چرا این فقط با عناصر بسیار کمی اتفاق می افتد؟ زیرا اندازه قسمت دارای بار مثبت اتم بسیار کوچکتر از خودش است. رادرفورد به این نتیجه رسید. او بخش دارای بار مثبت اتم را هسته نامید.
دستگاه اتم
فیزیک ساختار ماده: مولکول ها از اتم هایی تشکیل شده اند که شامل یک بخش کوچک با بار مثبت (هسته) است که توسط الکترون احاطه شده است. خنثی بودن اتم با این واقعیت توضیح داده می شود که بار منفی کل الکترون ها برابر با مثبت - هسته است. qcore + qel=0. چرا الکترون ها روی هسته نمی افتند، چون جذب می شوند؟ رادرفورد برای پاسخ به این سوال پیشنهاد کرد که آنها مانند سیارات در اطراف خورشید بچرخند و با آن برخورد نکنند. این حرکت است که به این سیستم اجازه می دهد تا پایدار باشد. مدل رادرفورد از اتم سیاره ای نامیده می شود.
اگر اتم خنثی است و تعداد الکترونهای آن باید صحیح باشد، بار هسته با علامت مثبت برابر با این مقدار است. qcores=+ze. z تعداد الکترون های یک اتم خنثی است. در این حالت کل شارژ صفر است. چگونه تعداد الکترون های یک اتم را پیدا کنیم؟ شما باید از جدول تناوبی عناصر استفاده کنید. ابعاد یک اتم به ترتیب 10-10 متر است و هسته ها 100 هزار بار کوچکتر هستند - 10-15 متر.
بیایید تصور کنیم که اندازه هسته را به 1 متر افزایش دادیم. در یک جامد، فاصله بین اتم ها تقریباً برابر با اندازه خود است، به این معنی که ابعادبه 105 افزایش می یابد که 100 کیلومتر است. یعنی اتم عملاً خالی است، به همین دلیل است که ذرات آلفا عمدتاً بدون انحراف از فویل عبور می کنند.
ساختار هسته
فیزیک ساختار ماده به گونه ای است که هسته از دو نوع ذره تشکیل شده است. برخی از آنها بار مثبت دارند. اگر اتمی را در نظر بگیریم که دارای سه الکترون است، در داخل آن سه ذره با بار مثبت وجود دارد. به آنها پروتون می گویند. عناصر دیگر بار الکتریکی ندارند - نوترون ها.
جرم پروتون و نوترون تقریباً برابر است. وزن هر دو ذره بسیار بیشتر از یک الکترون است. mپروتون ≈ 1837mel. همین امر در مورد جرم نوترون نیز صدق می کند. نتیجه از این به دست می آید: وزن ذرات باردار مثبت و خنثی عاملی است که جرم یک اتم را تعیین می کند. پروتون ها و نوترون ها یک نام مشترک دارند - نوکلئون. وزن یک اتم با تعداد آنها تعیین می شود که به آن عدد جرمی هسته می گویند. ما تعداد الکترون های یک اتم را با حرف z نشان دادیم، اما از آنجایی که خنثی است، تعداد ذرات مثبت و منفی باید مطابقت داشته باشند. بنابراین، z را پروتون یا عدد بار نیز می نامند.
اگر جرم و عدد بار را بدانیم، می توانیم تعداد نوترون های N را پیدا کنیم. N=A - z. چگونه می توان فهمید که در هسته چند نوکلئون و پروتون وجود دارد؟ معلوم شد که در جدول تناوبی، در کنار هر عنصر، عددی وجود دارد که شیمیدانان آن را جرم اتمی نسبی می نامند.
اگر آن را گرد کنیم، چیزی بیشتر از آن به دست نمی آیدعدد جرمی یا تعداد نوکلئون های هسته (A). عدد اتمی یک عنصر تعداد پروتون ها (z) است. با دانستن A و z، یافتن N - تعداد نوترون ها آسان است. اگر اتم خنثی باشد، تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها برابر است.
ایزوتوپ
انواع هسته ای وجود دارد که تعداد پروتون ها در آنها یکسان است، اما تعداد نوترون ها ممکن است متفاوت باشد (به معنای همان عنصر شیمیایی). به آنها ایزوتوپ می گویند. در طبیعت، اتم‌های مختلف با هم مخلوط می‌شوند، بنابراین شیمیدان‌ها جرم متوسط را اندازه‌گیری می‌کنند. به همین دلیل است که در جدول تناوبی وزن نسبی یک اتم همیشه یک عدد کسری است. بیایید بفهمیم اگر یک اتم خنثی از آن جدا شود یا برعکس، یک الکترون اضافی قرار گیرد چه اتفاقی برای یک اتم خنثی می‌افتد.
یون
یک اتم لیتیوم خنثی را در نظر بگیرید. یک هسته وجود دارد، دو الکترون در یک پوسته و سه الکترون در پوسته دیگر قرار دارند. اگر یکی از آنها را برداریم، هسته ای با بار مثبت به دست می آوریم. qهسته =سومین. الکترون ها فقط دو بار از سه بار اولیه را جبران می کنند و ما یک یون مثبت دریافت می کنیم. به صورت زیر تعیین می شود: Li+. یون اتمی است که تعداد الکترون های آن کمتر یا بیشتر از تعداد پروتون های هسته است. در حالت اول یک یون مثبت است. اگر یک الکترون اضافی اضافه کنیم، چهار عدد از آنها وجود خواهد داشت و یک یون منفی خواهیم داشت (Li-). فیزیک ساختار ماده چنین است. بنابراین، تفاوت یک اتم خنثی با یک یون در این است که الکترون های موجود در آن کاملاً بار هسته را جبران می کنند.
