برای مدت طولانی بسیاری از خواص ماده برای محققان راز باقی مانده بود. چرا برخی از مواد الکتریسیته را به خوبی هدایت می کنند، در حالی که برخی دیگر اینطور نیستند؟ چرا آهن به تدریج تحت تأثیر جو تجزیه می شود، در حالی که فلزات نجیب برای هزاران سال کاملاً حفظ می شوند؟ بسیاری از این سؤالات پس از آگاهی از ساختار اتم: ساختار آن، تعداد الکترونها در هر لایه الکترونی، پاسخ داده شد. علاوه بر این، تسلط بر اصول اولیه ساختار هسته اتم، عصر جدیدی را برای جهان گشود.
آجر ابتدایی ماده از چه عناصری ساخته شده است، چگونه آنها با یکدیگر تعامل دارند، چه چیزی می توانیم از این بیاموزیم؟
ساختار اتم از دیدگاه علم مدرن
در حال حاضر، بیشتر دانشمندان تمایل دارند به مدل سیاره ای ساختار ماده پایبند باشند. بر اساس این مدل، در مرکز هر اتم یک هسته وجود دارد که حتی در مقایسه با اتم بسیار کوچک است (دهها هزار بار کوچکتر از کل اتم است.اتم). اما در مورد جرم هسته نمی توان همین را گفت. تقریباً تمام جرم یک اتم در هسته متمرکز است. هسته بار مثبت دارد.
الکترونها در مدارهای مختلف به دور هسته می چرخند، نه مانند سیارات منظومه شمسی، بلکه به صورت سه بعدی (کره و حجم هشت) می چرخند. تعداد الکترون های یک اتم از نظر عددی برابر با بار هسته است. اما بسیار دشوار است که الکترون را ذره‌ای در نظر بگیریم که در امتداد نوعی مسیر حرکت می‌کند.
مدار آن کوچک است و سرعت آن تقریباً مانند یک پرتو نور است، بنابراین صحیح تر است که الکترون را همراه با مدارش به عنوان نوعی کره با بار منفی در نظر بگیریم.
اعضای خانواده هسته ای
همه اتم ها از 3 عنصر تشکیل شده اند: پروتون، الکترون و نوترون.
پروتون ماده اصلی سازنده هسته است. وزن آن برابر با یک واحد اتمی (جرم یک اتم هیدروژن) یا 1.67 ∙ 10-27 کیلوگرم در سیستم SI است. ذره دارای بار مثبت است و بار آن به عنوان یک واحد در سیستم بارهای الکتریکی اولیه در نظر گرفته می شود.
نوترون جرم دوقلوی پروتون است، اما به هیچ وجه باردار نمی شود.
دو ذره فوق را نوکلید می نامند.
یک الکترون مخالف پروتون باردار است (بار اولیه -1 است). اما از نظر وزن، الکترون ما را ناامید کرد، جرم آن فقط 9، 12 ∙ 10-31کیلوگرم است، که تقریباً 2000 برابر سبکتر از یک پروتون یا نوترون است.
چگونه "دیده شد"
چگونه می توانید ساختار اتم را ببینید، اگر حتی مدرن ترین ابزارهای فنی اجازه نمی دهند؟و در کوتاه مدت اجازه به دست آوردن تصاویری از ذرات تشکیل دهنده آن را نخواهد داد. دانشمندان چگونه تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترونها در هسته و مکان آنها را می‌دانستند؟
فرض در مورد ساختار سیاره ای اتم ها بر اساس نتایج بمباران یک ورقه فلزی نازک با ذرات مختلف ساخته شد. شکل به وضوح نشان می دهد که چگونه ذرات بنیادی مختلف با ماده تعامل دارند.
تعداد الکترون هایی که از فلز عبور کردند در آزمایش ها برابر با صفر بود. این به سادگی توضیح داده می‌شود: الکترون‌های با بار منفی از لایه‌های الکترونی فلز دفع می‌شوند که دارای بار منفی هستند.
پرتوهای پروتون (شارژ +) از فویل عبور کرد، اما با "تلفات". برخی توسط هسته هایی که مانع شدند دفع شدند (احتمال چنین برخوردهایی بسیار اندک است)، برخی از مسیر اصلی منحرف شدند و خیلی نزدیک به یکی از هسته ها پرواز کردند.
نوترون ها از نظر غلبه بر فلز "موثرترین" شدند. یک ذره با بار خنثی تنها در صورت برخورد مستقیم با هسته ماده از بین می رود، در حالی که 99.99٪ از نوترون ها با موفقیت از ضخامت فلز عبور می کنند. به هر حال، محاسبه اندازه هسته برخی از عناصر شیمیایی بر اساس تعداد نوترون ها در ورودی و خروجی ممکن بود.
بر اساس داده های به دست آمده، نظریه غالب فعلی ساختار ماده ساخته شد که اکثر مسائل را با موفقیت توضیح می دهد.
چی و چقدر
تعداد الکترون های یک اتم به عدد اتمی بستگی دارد. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن معمولی داردفقط یک پروتون یک الکترون منفرد در مداری در حال چرخش است. عنصر بعدی جدول تناوبی، هلیوم، کمی پیچیده تر است. هسته آن از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است و بنابراین جرم اتمی آن 4 است.
با رشد شماره سریال، اندازه و جرم اتم رشد می کند. شماره سریال یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با بار هسته (تعداد پروتون های موجود در آن) مطابقت دارد. تعداد الکترون های یک اتم برابر است با تعداد پروتون ها. به عنوان مثال، یک اتم سرب (عدد اتمی 82) دارای 82 پروتون در هسته خود است. 82 الکترون در مدار دور هسته قرار دارند. برای محاسبه تعداد نوترون های یک هسته، کافی است تعداد پروتون ها را از جرم اتمی کم کنیم:
207 - 82=125.
چرا همیشه اعداد مساوی هستند
هر سیستم در جهان ما برای ثبات تلاش می کند. همانطور که در مورد اتم اعمال می شود، این در خنثی بودن آن بیان می شود. اگر برای لحظه‌ای تصور کنیم که همه اتم‌ها بدون استثنا در کیهان دارای باری با قدرهای متفاوت با نشانه‌های متفاوت هستند، می‌توان تصور کرد که چه نوع آشوبی در جهان رخ خواهد داد.
اما از آنجایی که تعداد پروتون ها و الکترون ها در یک اتم برابر است، بار کل هر "آجر" صفر است.
تعداد نوترون های یک اتم یک مقدار مستقل است. علاوه بر این، اتم های یک عنصر شیمیایی می توانند تعداد متفاوتی از این ذرات با بار صفر داشته باشند. مثال:
- 1 پروتون + 1 الکترون + 0 نوترون=هیدروژن (جرم اتمی 1)؛
- 1 پروتون + 1 الکترون + 1 نوترون=دوتریوم (جرم اتمی 2)؛
- 1 پروتون + 1 الکترون + 2نوترون=تریتیوم (جرم اتمی 3).
در این حالت، تعداد الکترون های اتم تغییر نمی کند، اتم خنثی می ماند، جرم آن تغییر می کند. چنین تغییراتی از عناصر شیمیایی ایزوتوپ نامیده می شود.
آیا یک اتم همیشه خنثی است
خیر، تعداد الکترون های یک اتم همیشه با تعداد پروتون ها برابر نیست. اگر نتوان یک یا دو الکترون را برای مدتی از یک اتم «برداشت» کرد، چیزی به نام گالوانیزه شدن وجود نخواهد داشت. یک اتم، مانند هر ماده ای، می تواند تحت تأثیر قرار گیرد.
تحت تأثیر یک میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی از لایه بیرونی اتم، یک یا چند الکترون می توانند "فرار کنند". در این حالت ذره ماده خنثی از بین می رود و یون نامیده می شود. می تواند در یک محیط گاز یا مایع حرکت کند و بار الکتریکی را از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل کند. به این ترتیب بار الکتریکی در باتری‌ها ذخیره می‌شود و نازک‌ترین لایه‌های برخی از فلزات روی سطوح برخی دیگر (آبکاری طلا، آبکاری نقره، آبکاری کروم، آبکاری نیکل و غیره) اعمال می‌شود.
تعداد الکترون ها نیز در فلزات - رسانای جریان الکتریکی ناپایدار است. الکترون‌های لایه‌های بیرونی، همانطور که بود، از اتمی به اتم دیگر راه می‌روند و انرژی الکتریکی را از طریق رسانا منتقل می‌کنند.
