Fiziko strukture snovi je prvi resno preučeval Joseph J. Thomson. Vendar pa je veliko vprašanj ostalo neodgovorjenih. Nekaj časa pozneje je E. Rutherfordu uspelo oblikovati model strukture atoma. V članku bomo obravnavali izkušnjo, ki ga je pripeljala do odkritja. Ker je struktura snovi ena najbolj zanimivih tem pri pouku fizike, bomo analizirali njene ključne vidike. Naučimo se, iz česa je sestavljen atom, naučimo se najti število elektronov, protonov, nevtronov v njem. Seznanimo se s pojmom izotopov in ionov.
Odkritje elektrona
Leta 1897 je angleški znanstvenik Joseph John Thomson (njegov portret si lahko ogledate spodaj) preučeval električni tok, torej usmerjeno gibanje nabojev v plinih. Takrat je fizika že poznala molekularno zgradbo snovi. Znano je bilo, da so vsa telesa sestavljena iz snovi, ki je sestavljena iz molekul, slednja pa iz atomov.
Thomson je odkril, da pod določenimi pogoji atomi plina oddajajo delce z negativnim nabojem (qel <0). Imenujejo se elektroni. Atom je nevtralen, kar pomeni, da če iz njega letijo elektroni, morajo biti tam tudi pozitivni delci. Kateri je del atoma z znakom "+"? Kako deluje z negativno nabitim elektronom? Kaj določa maso atoma? Na vsa ta vprašanja bi lahko odgovoril še en znanstvenik.
Rutherfordov eksperiment
Leta 1911 je fizika že imela začetne informacije o strukturi snovi. Ernest Rutherford je odkril tisto, čemur danes pravimo atomsko jedro.
Obstajajo snovi, ki imajo čudno lastnost: spontano oddajajo različne delce, tako pozitivne kot negativne. Takšne snovi imenujemo radioaktivne. Pozitivno nabiti elementi Rutherford imenuje alfa delci (α-delci).
Imajo naboj "+", ki je enak dvema osnovnima nabojoma (qα=+2e). Teža elementov je približno enaka štirim masam vodikovega atoma. Rutherford je vzel radioaktivni pripravek, ki oddaja alfa delce in z njihovim curkom bombardiral tanek film zlata (folijo).
Ugotovil je, da večina α-elementov komaj spremeni svojo smer, ko prehaja skozi kovinske atome. Zelo malo pa je tistih, ki odstopajo nazaj. Zakaj se to dogaja? Če poznamo fiziko strukture snovi, lahko odgovorimo: ker znotrajatomi zlata, tako kot vsi drugi, obstajajo pozitivni elementi, ki odbijajo alfa delce. Toda zakaj se to zgodi le z zelo malo elementov? Ker je velikost pozitivno nabitega dela atoma veliko manjša od njega samega. Rutherford je prišel do tega sklepa. Pozitivno nabit del atoma je imenoval jedro.
Naprava atoma
Fizika strukture snovi: Molekule so sestavljene iz atomov, ki vsebujejo majhen pozitivno nabit del (jedro), obdan z elektroni. Nevtralnost atoma je razložena z dejstvom, da je skupni negativni naboj elektronov enak pozitivnemu - jedru. qcore + qel=0. Zakaj elektroni ne padejo na jedro, ker se privlačijo? Za odgovor na to vprašanje je Rutherford predlagal, da se vrtijo, kot se planeti gibljejo okoli sonca in ne trčijo vanj. Gibanje je tisto, ki omogoča, da je ta sistem stabilen. Rutherfordov model atoma se imenuje planetarni.
Če je atom nevtralen in mora biti število elektronov v njem celo število, je naboj jedra enak tej vrednosti z znakom plus. qjedra=+ze. z je število elektronov v nevtralnem atomu. V tem primeru je skupni naboj enak nič. Kako najti število elektronov v atomu? Uporabiti morate periodni sistem elementov. Dimenzije atoma so reda 10-10 m. In jedra so 100 tisoč krat manjša - 10-15 m.
Predstavljajmo si, da smo velikost jedra povečali na 1 meter. V trdnem telesu je razdalja med atomi približno enaka velikosti njih samih, kar pomeni, da so dimenzijese bo povečala na 105, kar je 100 km. To pomeni, da je atom praktično prazen, zato alfa delci večinoma letijo skozi folijo skoraj brez odklona.
Struktura jedra
Fizika strukture snovi je taka, da je jedro sestavljeno iz dveh vrst delcev. Nekateri od njih so pozitivno nabiti. Če upoštevamo atom, ki ima tri elektrone, potem so znotraj njega trije delci s pozitivnim nabojem. Imenujejo se protoni. Drugi elementi nimajo električnega naboja - nevtroni.
Masi protona in nevtrona sta približno enaki. Oba delca imata veliko večjo težo od elektrona. mproton ≈ 1837mel. Enako velja za maso nevtrona. Iz tega sledi sklep: teža pozitivno in nevtralno nabitih delcev je faktor, ki določa maso atoma. Protoni in nevtroni imajo skupno ime - nukleoni. Teža atoma je določena z njihovim številom, ki se imenuje masno število jedra. Število elektronov v atomu smo označili s črko z, a ker je nevtralen, se mora število pozitivnih in negativnih delcev ujemati. Zato se z imenuje tudi protonska ali nabojna številka.
Če poznamo maso in število naboja, lahko najdemo število nevtronov N. N=A - z. Kako ugotoviti, koliko nukleonov in protonov je v jedru? Izkazalo se je, da je v periodnem sistemu ob vsakem elementu številka, ki jo kemiki imenujejo relativna atomska masa.
Če zaokrožimo, ne dobimo nič več kotmasno število ali število nukleonov v jedru (A). Atomsko število elementa je število protonov (z). Če poznamo A in z, je enostavno najti N - število nevtronov. Če je atom nevtralen, je število elektronov in protonov enako.
Izotopi
Obstajajo različice jedra, v katerih je število protonov enako, število nevtronov pa se lahko razlikuje (kar pomeni isti kemični element). Imenujejo se izotopi. V naravi so atomi različnih vrst mešani, zato kemiki merijo povprečno maso. Zato je v periodnem sistemu relativna teža atoma vedno ulomno število. Ugotovimo, kaj se zgodi z nevtralnim atomom, če iz njega odstranimo elektron ali, nasprotno, postavimo dodatnega.
Ioni
Razmislite o nevtralnem litijevem atomu. Obstaja jedro, dva elektrona se nahajata na eni lupini in trije na drugi. Če enega od njih odvzamemo, dobimo pozitivno nabito jedro. qjedra =3. Elektroni kompenzirajo le dva od treh osnovnih nabojev in dobimo pozitiven ion. Označen je na naslednji način: Li+. Ion je atom, v katerem je število elektronov manjše ali večje od števila protonov v jedru. V prvem primeru gre za pozitivni ion. Če dodamo dodaten elektron, jih bodo štirje in dobili bomo negativni ion (Li-). Takšna je fizika strukture snovi. Torej se nevtralni atom od iona razlikuje po tem, da elektroni v njem popolnoma kompenzirajo naboj jedra.
