Die Physik der Struktur der Materie wurde erstmals ernsthaft von Joseph J. Thomson untersucht. Viele Fragen blieben jedoch unbeantwortet. Einige Zeit später gelang es E. Rutherford, ein Modell der Struktur des Atoms zu formulieren. In dem Artikel werden wir die Erfahrung betrachten, die ihn zu der Entdeckung geführt hat. Da der Aufbau der Materie eines der interessantesten Themen im Physikunterricht ist, werden wir seine wichtigsten Aspekte analysieren. Wir lernen, woraus ein Atom besteht, lernen, wie man die Anzahl der Elektronen, Protonen und Neutronen darin findet. Machen wir uns mit dem Konzept der Isotope und Ionen vertraut.
Entdeckung des Elektrons
Der englische Wissenschaftler Joseph John Thomson (sein Porträt ist unten zu sehen) untersuchte 1897 den elektrischen Strom, also die gerichtete Bewegung von Ladungen in Gasen. Die Physik wusste damals schon um den molekularen Aufbau der Materie. Es war bekannt, dass alle Körper aus Materie bestehen, die aus Molekülen besteht, und letztere aus Atomen.
Thomson entdeckte, dass Gasatome unter bestimmten Bedingungen Teilchen mit negativer Ladung abgeben (qel <0). Sie werden Elektronen genannt. Das Atom ist neutral, das heißt, wenn Elektronen aus ihm herausfliegen, dann müssen dort auch positive Teilchen enth alten sein. Was ist der Teil des Atoms mit dem "+"-Zeichen? Wie interagiert es mit einem negativ geladenen Elektron? Was bestimmt die Masse eines Atoms? Ein anderer Wissenschaftler könnte all diese Fragen beantworten.
Rutherfords Experiment
1911 verfügte die Physik bereits über erste Erkenntnisse über den Aufbau der Materie. Ernest Rutherford entdeckte, was wir heute Atomkern nennen.
Es gibt Materien, die eine seltsame Eigenschaft haben: Sie geben spontan verschiedene Teilchen ab, sowohl positive als auch negative. Solche Stoffe nennt man radioaktiv. Positiv geladene Elemente werden von Rutherford Alpha-Teilchen (α-Teilchen) genannt.
Sie haben eine "+"-Ladung gleich zwei Elementarladungen (qα=+2e). Das Gewicht der Elemente entspricht ungefähr vier Massen eines Wasserstoffatoms. Rutherford nahm ein radioaktives Präparat, das Alphateilchen aussendet, und beschoss einen dünnen Goldfilm (Folie) mit ihrem Strahl.
Er fand heraus, dass die meisten α-Elemente ihre Richtung kaum ändern, wenn sie Metallatome passieren. Aber es gibt sehr wenige, die rückwärts abweichen. Warum passiert dies? Wenn wir die Physik der Struktur der Materie kennen, können wir antworten: weil innenGoldatome, wie alle anderen, gibt es positive Elemente, die Alphateilchen abstoßen. Aber warum passiert das nur bei ganz wenigen Elementen? Denn die Größe des positiv geladenen Teils des Atoms ist viel kleiner als er selbst. Rutherford kam zu diesem Schluss. Er nannte den positiv geladenen Teil des Atoms den Kern.
Das Gerät des Atoms
Physik des Aufbaus der Materie: Moleküle bestehen aus Atomen, die einen winzigen positiv geladenen Teil (Kern) enth alten, der von Elektronen umgeben ist. Die Neutralität des Atoms erklärt sich aus der Tatsache, dass die gesamte negative Ladung der Elektronen gleich der positiven ist - des Kerns. qcore + qel=0. Warum fallen Elektronen nicht auf den Kern, weil sie angezogen werden? Um diese Frage zu beantworten, schlug Rutherford vor, dass sie sich wie die Planeten um die Sonne drehen und nicht mit ihr kollidieren. Es ist die Bewegung, die es diesem System ermöglicht, stabil zu sein. Rutherfords Atommodell heißt planetarisch.
Wenn das Atom neutral ist und die Anzahl der darin enth altenen Elektronen ganzzahlig sein muss, dann ist die Ladung des Kerns gleich diesem Wert mit einem Pluszeichen. qcores=+ze. z ist die Anzahl der Elektronen in einem neutralen Atom. In diesem Fall ist die Gesamtladung Null. Wie findet man die Anzahl der Elektronen in einem Atom? Sie müssen das Periodensystem der Elemente verwenden. Die Abmessungen eines Atoms liegen in der Größenordnung von 10-10 m. Und die Atomkerne sind hunderttausendmal kleiner - 10-15 m.
Stellen wir uns vor, wir hätten die Größe des Kerns auf 1 Meter erhöht. In einem Festkörper ist der Abstand zwischen Atomen ungefähr gleich ihrer eigenen Größe, was bedeutet, dass die Abmessungenerhöht sich auf 105, was 100 km entspricht. Das heißt, das Atom ist praktisch leer, weshalb die Alpha-Teilchen fast ohne Ablenkung durch die Folie fliegen.
Struktur des Zellkerns
Die Physik der Struktur der Materie ist so, dass der Kern aus zwei Arten von Teilchen besteht. Einige von ihnen sind positiv geladen. Wenn wir ein Atom mit drei Elektronen betrachten, dann befinden sich darin drei positiv geladene Teilchen. Sie werden Protonen genannt. Andere Elemente haben keine elektrische Ladung - Neutronen.
Die Massen von Proton und Neutron sind ungefähr gleich. Beide Teilchen haben ein viel größeres Gewicht als ein Elektron. mProton ≈ 1837mel. Dasselbe gilt für die Masse des Neutrons. Daraus folgt der Schluss: Das Gewicht positiv und neutral geladener Teilchen ist ein Faktor, der die Masse eines Atoms bestimmt. Protonen und Neutronen haben einen gemeinsamen Namen - Nukleonen. Das Gewicht eines Atoms wird durch seine Anzahl bestimmt, die als Massenzahl des Kerns bezeichnet wird. Wir haben die Anzahl der Elektronen in einem Atom mit dem Buchstaben z bezeichnet, aber da es neutral ist, muss die Anzahl der positiven und negativen Teilchen übereinstimmen. Daher wird z auch als Protonen- oder Ladungszahl bezeichnet.
Wenn wir Masse und Ladungszahl kennen, können wir die Anzahl der Neutronen N finden. N=A - z. Wie kann man herausfinden, wie viele Nukleonen und Protonen im Kern sind? Es stellt sich heraus, dass im Periodensystem neben jedem Element eine Zahl steht, die Chemiker die relative Atommasse nennen.
Wenn wir aufrunden, bekommen wir nicht mehr alsMassenzahl oder die Anzahl der Nukleonen im Kern (A). Die Ordnungszahl eines Elements ist die Anzahl der Protonen (z). Wenn man A und z kennt, ist es einfach, N zu finden - die Anzahl der Neutronen. Wenn das Atom neutral ist, dann ist die Anzahl der Elektronen und Protonen gleich.
Isotope
Es gibt Varianten des Kerns, in denen die Anzahl der Protonen gleich ist, aber die Anzahl der Neutronen unterschiedlich sein kann (was dasselbe chemische Element bedeutet). Sie werden Isotope genannt. Da in der Natur Atome unterschiedlicher Art vermischt sind, messen Chemiker die durchschnittliche Masse. Deshalb ist im Periodensystem das relative Gewicht eines Atoms immer eine Bruchzahl. Lassen Sie uns herausfinden, was mit einem neutralen Atom passiert, wenn ein Elektron von ihm entfernt oder umgekehrt ein zusätzliches platziert wird.
Ionen
Stellen Sie sich ein neutrales Lithiumatom vor. Es gibt einen Kern, auf einer Schale sitzen zwei Elektronen, auf der anderen drei. Wenn wir einen davon wegnehmen, erh alten wir einen positiv geladenen Kern. qKerne =3. Elektronen kompensieren nur zwei der drei Elementarladungen, und wir erh alten ein positives Ion. Es wird wie folgt bezeichnet: Li+. Ein Ion ist ein Atom, in dem die Anzahl der Elektronen kleiner oder größer als die Anzahl der Protonen im Kern ist. Im ersten Fall ist es ein positives Ion. Wenn wir ein zusätzliches Elektron hinzufügen, gibt es vier davon, und wir erh alten ein negatives Ion (Li-). Das ist die Physik der Struktur der Materie. Ein neutrales Atom unterscheidet sich also von einem Ion dadurch, dass die darin enth altenen Elektronen die Kernladung vollständig kompensieren.
