Številne lastnosti snovi so bile dolgo časa skrivnost za raziskovalce. Zakaj nekatere snovi dobro prevajajo elektriko, druge pa ne? Zakaj se železo pod vplivom atmosfere postopoma razgrajuje, medtem ko so plemenite kovine popolnoma ohranjene tisoče let? Na mnoga od teh vprašanj so odgovorili, ko se je človek zavedal strukture atoma: njegove strukture, števila elektronov v vsaki elektronski plasti. Poleg tega je obvladovanje samih osnov strukture atomskih jeder odprlo novo obdobje za svet.
Iz katerih elementov je zgrajena osnovna opeka materije, kako medsebojno delujejo, kaj se lahko iz tega naučimo?
Struktura atoma v pogledu sodobne znanosti
Trenutno se večina znanstvenikov nagiba k planetarnemu modelu strukture snovi. Po tem modelu je v središču vsakega atoma jedro, drobno celo v primerjavi z atomom (deset tisočkrat manjše od celoteatom). Vendar tega ne moremo reči o masi jedra. Skoraj vsa masa atoma je koncentrirana v jedru. Jedro je pozitivno nabito.
Elektroni se vrtijo okoli jedra v različnih orbitah, ne krožno, kot je to pri planetih sončnega sistema, ampak tridimenzionalno (krogle in osmice volumna). Število elektronov v atomu je številčno enako naboju jedra. Toda zelo težko je obravnavati elektron kot delec, ki se giblje po nekakšni poti.
Njegova orbita je majhna, hitrost pa je skoraj podobna svetlobnemu žarku, zato je pravilneje obravnavati elektron skupaj z njegovo orbito kot nekakšno negativno nabito kroglo.
Člani nuklearne družine
Vsi atomi so sestavljeni iz 3 sestavnih elementov: protonov, elektronov in nevtronov.
Proton je glavni gradbeni material jedra. Njegova teža je enaka atomski enoti (masi atoma vodika) ali 1,67 ∙ 10-27 kg v sistemu SI. Delec je pozitivno nabit, njegov naboj pa je vzet kot enota v sistemu elementarnih električnih nabojev.
Nevtron je masni dvojček protona, vendar ni na noben način nabit.
Zgornja dva delca se imenujeta nuklidi.
Elektron je nasprotje nabitega protona (osnovni naboj je −1). Toda glede na težo nas je elektron pustil na cedilu, njegova masa je le 9, 12 ∙ 10-31 kg, kar je skoraj 2 tisočkrat lažje od protona ali nevtrona.
Kako je bilo "videno"
Kako bi lahko videli zgradbo atoma, če niti najsodobnejša tehnična sredstva ne omogočajoin kratkoročno ne bo omogočila pridobitve slik njegovih sestavnih delcev. Kako so znanstveniki vedeli število protonov, nevtronov in elektronov v jedru in njihovo lokacijo?
Predpostavka o planetarni zgradbi atomov je nastala na podlagi rezultatov bombardiranja tanke kovinske folije z različnimi delci. Slika jasno prikazuje, kako različni elementarni delci delujejo s snovjo.
Število elektronov, ki so šli skozi kovino v poskusih, je bilo enako nič. To je preprosto razloženo: negativno nabiti elektroni se odbijajo od elektronskih lupin kovine, ki imajo tudi negativen naboj.
Žarek protonov (naboj +) je šel skozi folijo, vendar z "izgubami". Nekatera so odvrnila jedra, ki so se postavila na pot (verjetnost takih zadetkov je zelo majhna), nekateri so se odmaknili od prvotne poti in so leteli preblizu enemu od jeder.
Nevtroni so postali najbolj »učinkoviti« v smislu premagovanja kovine. Nevtralno nabit delec je bil izgubljen le v primeru neposrednega trka z jedrom snovi, medtem ko je 99,99 % nevtronov uspešno prešlo skozi debelino kovine. Mimogrede, na podlagi števila nevtronov na vhodu in izhodu je bilo mogoče izračunati velikost jeder določenih kemičnih elementov.
Na podlagi pridobljenih podatkov je bila zgrajena trenutno prevladujoča teorija strukture snovi, ki uspešno pojasnjuje večino vprašanj.
Kaj in koliko
Število elektronov v atomu je odvisno od atomske številke. Na primer, navaden atom vodika imasamo en proton. En sam elektron kroži po orbiti. Naslednji element periodnega sistema, helij, je nekoliko bolj zapleten. Njegovo jedro je sestavljeno iz dveh protonov in dveh nevtronov in ima tako atomsko maso 4.
Z rastjo serijske številke rasteta velikost in masa atoma. Zaporedna številka kemičnega elementa v periodnem sistemu ustreza naboju jedra (številu protonov v njem). Število elektronov v atomu je enako številu protonov. Na primer, svinčev atom (atomsko število 82) ima v jedru 82 protonov. V orbiti okoli jedra je 82 elektronov. Za izračun števila nevtronov v jedru je dovolj, da od atomske mase odštejemo število protonov:
207 – 82=125.
Zakaj so vedno enaka števila
Vsak sistem v našem vesolju si prizadeva za stabilnost. Kar zadeva atom, se to izraža v njegovi nevtralnosti. Če si za sekundo zamislimo, da imajo vsi atomi brez izjeme v vesolju takšen ali drugačen naboj različnih velikosti z različnimi predznaki, si lahko predstavljamo, kakšen kaos bi nastal na svetu.
Toda ker je število protonov in elektronov v atomu enako, je skupni naboj vsake "opeke" enak nič.
Število nevtronov v atomu je neodvisna vrednost. Poleg tega imajo atomi istega kemičnega elementa lahko različno število teh delcev z ničelnim nabojem. Primer:
- 1 proton + 1 elektron + 0 nevtronov=vodik (atomska masa 1);
- 1 proton + 1 elektron + 1 nevtron=devterij (atomska masa 2);
- 1 proton + 1 elektron + 2nevtron=tritij (atomska masa 3).
V tem primeru se število elektronov v atomu ne spremeni, atom ostane nevtralen, njegova masa se spremeni. Takšne variacije kemičnih elementov se imenujejo izotopi.
Je atom vedno nevtralen
Ne, število elektronov v atomu ni vedno enako številu protonov. Če atomu za nekaj časa ne bi mogli "odvzeti" elektrona ali dveh, ne bi prišlo do galvanizacije. Na atom, tako kot na vsako snov, je mogoče vplivati.
Pod vplivom dovolj močnega električnega polja iz zunanje plasti atoma lahko en ali več elektronov "odleti". V tem primeru delec snovi preneha biti nevtralen in se imenuje ion. Lahko se premika v plinastem ali tekočem mediju in prenaša električni naboj z ene elektrode na drugo. Na ta način se električni naboj shrani v baterijah, najtanjši filmi nekaterih kovin pa se nanesejo na površine drugih (pozlačenje, posrebrenje, kromiranje, ponikljanje itd.).
Število elektronov je nestabilno tudi v kovinah - vodnikih električnega toka. Elektroni zunanjih plasti tako rekoč hodijo od atoma do atoma in prenašajo električno energijo skozi prevodnik.
