I lang tid forblev mange egenskaber ved stof en hemmelighed for forskere. Hvorfor leder nogle stoffer elektricitet godt, mens andre ikke gør? Hvorfor nedbrydes jern gradvist under påvirkning af atmosfæren, mens ædelmetaller er perfekt bevaret i tusinder af år? Mange af disse spørgsmål blev besvaret, efter at en person blev opmærksom på atomets struktur: dets struktur, antallet af elektroner i hvert elektronlag. Desuden åbnede beherskelse af selv det helt grundlæggende i strukturen af atomkerner en ny æra for verden.
Af hvilke elementer er den elementære mursten af stof bygget, hvordan interagerer de med hinanden, hvad kan vi lære af dette?
Atomets struktur i den moderne videnskabs opfattelse
I øjeblikket har de fleste videnskabsmænd en tendens til at følge den planetariske model for stoffets struktur. Ifølge denne model er der i midten af hvert atom en kerne, lille selv i sammenligning med atomet (det er titusindvis af gange mindre end det heleatom). Men det samme kan ikke siges om massen af kernen. Næsten al massen af et atom er koncentreret i kernen. Kernen er positivt ladet.
Elektroner roterer rundt om kernen i forskellige baner, ikke cirkulære, som det er tilfældet med solsystemets planeter, men tredimensionelle (kugler og volumen ottere). Antallet af elektroner i et atom er numerisk lig med ladningen af kernen. Men det er meget svært at betragte en elektron som en partikel, der bevæger sig langs en eller anden form for bane.
Dens bane er lille, og hastigheden er næsten som en lysstråles, så det er mere korrekt at betragte elektronen sammen med dens bane som en slags negativt ladet kugle.
Medlemmer af kernefamilien
Alle atomer er opbygget af 3 grundstoffer: protoner, elektroner og neutroner.
Proton er kernens vigtigste byggemateriale. Dens vægt er lig med en atomenhed (massen af et brintatom) eller 1,67 ∙ 10-27 kg i SI-systemet. Partiklen er positivt ladet, og dens ladning tages som en enhed i systemet af elementære elektriske ladninger.
Neutronen er protonens massetvilling, men er ikke ladet på nogen måde.
Ovenstående to partikler kaldes nuklider.
En elektron er det modsatte af en ladet proton (den elementære ladning er −1). Men med hensyn til vægt svigtede elektronen os, dens masse er kun 9, 12 ∙ 10-31 kg, hvilket er næsten 2 tusind gange lettere end en proton eller neutron.
Hvordan det blev "set"
Hvordan kunne du se atomets struktur, hvis selv de mest moderne tekniske midler ikke tillader detog på kort sigt ikke vil tillade at få billeder af dets bestanddele partikler. Hvordan vidste forskerne antallet af protoner, neutroner og elektroner i kernen og deres placering?
Antagelsen om atomers planetariske struktur blev lavet på grundlag af resultaterne af bombardementet af en tynd metalfolie med forskellige partikler. Figuren viser tydeligt, hvordan forskellige elementarpartikler interagerer med stof.
Antallet af elektroner, der passerede gennem metallet i eksperimenterne, var lig nul. Dette forklares enkelt: negativt ladede elektroner afstødes fra metallets elektronskaller, som også har en negativ ladning.
Strålen af protoner (ladning +) passerede gennem folien, men med "tab". Nogle blev frastødt af kernerne, der kom i vejen (sandsynligheden for sådanne hits er meget lille), nogle afveg fra den oprindelige bane og fløj for tæt på en af kernerne.
Neutroner blev de mest "effektive" med hensyn til at overvinde metal. En neutr alt ladet partikel gik kun tabt i tilfælde af en direkte kollision med stoffets kerne, mens 99,99% af neutronerne med succes passerede gennem metallets tykkelse. Det var i øvrigt muligt at beregne størrelsen af kernerne i visse kemiske grundstoffer baseret på antallet af neutroner ved input og output.
Baseret på de opnåede data blev den aktuelt dominerende teori om stofstrukturen bygget, som med succes forklarer de fleste af problemerne.
Hvad og hvor meget
Antallet af elektroner i et atom afhænger af atomnummeret. For eksempel har et almindeligt brintatomkun én proton. En enkelt elektron cirkler rundt i en bane. Det næste element i det periodiske system, helium, er lidt mere kompliceret. Dens kerne består af to protoner og to neutroner og har således en atommasse på 4.
Med væksten af serienummeret vokser atomets størrelse og masse. Serienummeret på et kemisk grundstof i det periodiske system svarer til ladningen af kernen (antallet af protoner i den). Antallet af elektroner i et atom er lig med antallet af protoner. For eksempel har et blyatom (atomnummer 82) 82 protoner i sin kerne. Der er 82 elektroner i kredsløb omkring kernen. For at beregne antallet af neutroner i en kerne er det nok at trække antallet af protoner fra atommassen:
207 – 82=125.
Hvorfor er der altid lige tal
Hvert system i vores univers stræber efter stabilitet. Som anvendt på atomet udtrykkes dette i dets neutralitet. Hvis vi for et sekund forestiller os, at alle atomer uden undtagelse i universet har en eller anden ladning af forskellig størrelse med forskellige fortegn, kan man forestille sig, hvilken slags kaos der ville komme i verden.
Men da antallet af protoner og elektroner i et atom er ens, er den samlede ladning af hver "klods" nul.
Antallet af neutroner i et atom er en uafhængig værdi. Desuden kan atomer af det samme kemiske element have et andet antal af disse partikler uden ladning. Eksempel:
- 1 proton + 1 elektron + 0 neutroner=hydrogen (atommasse 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 neutron=deuterium (atommasse 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2neutron=tritium (atommasse 3).
I dette tilfælde ændres antallet af elektroner i atomet ikke, atomet forbliver neutr alt, dets masse ændres. Sådanne variationer af kemiske grundstoffer kaldes isotoper.
Er et atom altid neutr alt
Nej, antallet af elektroner i et atom er ikke altid lig med antallet af protoner. Hvis en elektron eller to ikke kunne "tages væk" fra et atom i et stykke tid, ville der ikke være noget som galvanisering. Et atom kan som ethvert stof påvirkes.
Under påvirkning af et tilstrækkeligt stærkt elektrisk felt fra atomets yderste lag kan en eller flere elektroner "flyve væk". I dette tilfælde ophører stoffets partikel med at være neutral og kaldes en ion. Det kan bevæge sig i en gas eller et flydende medium og overføre en elektrisk ladning fra en elektrode til en anden. På denne måde lagres en elektrisk ladning i batterier, og de tyndeste film af nogle metaller påføres andres overflader (forgyldt, sølvbelægning, forkromning, fornikling osv.).
Antallet af elektroner er også ustabilt i metaller - ledere af elektrisk strøm. Elektronerne i de ydre lag går så at sige fra atom til atom og overfører elektrisk energi gennem lederen.
