მატერიის სტრუქტურის ფიზიკა პირველად სერიოზულად შეისწავლა ჯოზეფ ჯ. ტომსონმა. თუმცა ბევრი კითხვა პასუხგაუცემელი დარჩა. რამდენიმე ხნის შემდეგ ე.რეზერფორდმა შეძლო ატომის სტრუქტურის მოდელის ჩამოყალიბება. სტატიაში განვიხილავთ გამოცდილებას, რამაც იგი აღმოჩენამდე მიიყვანა. ვინაიდან მატერიის სტრუქტურა ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო თემაა ფიზიკის გაკვეთილებზე, ჩვენ გავაანალიზებთ მის ძირითად ასპექტებს. ჩვენ ვსწავლობთ რისგან შედგება ატომი, ვისწავლით როგორ ვიპოვოთ მასში ელექტრონების, პროტონების, ნეიტრონების რაოდენობა. მოდით გავეცნოთ იზოტოპების და იონების ცნებას.
ელექტრონის აღმოჩენა
1897 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ჯოზეფ ჯონ ტომსონმა (მისი პორტრეტი შეგიძლიათ იხილოთ ქვემოთ) შეისწავლა ელექტრული დენი, ანუ აირებში მუხტების მიმართული მოძრაობა. იმ დროს ფიზიკამ უკვე იცოდა მატერიის მოლეკულური სტრუქტურის შესახებ. ცნობილი იყო, რომ ყველა სხეული შედგება მატერიისგან, რომელიც შედგება მოლეკულებისგან, ეს უკანასკნელი კი ატომებისგან.
ტომსონმა აღმოაჩინა, რომ გარკვეულ პირობებში, გაზის ატომები ასხივებენ ნაწილაკებს უარყოფითი მუხტით (qel <0). მათ ელექტრონებს უწოდებენ. ატომი ნეიტრალურია, რაც იმას ნიშნავს, რომ თუ მისგან ელექტრონები გაფრინდებიან, მაშინ იქ დადებითი ნაწილაკებიც უნდა იყოს შენახული. რა არის ატომის ნაწილი "+" ნიშნით? როგორ ურთიერთქმედებს ის უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონთან? რა განსაზღვრავს ატომის მასას? სხვა მეცნიერს შეუძლია ყველა ამ კითხვაზე პასუხის გაცემა.
რაზერფორდის ექსპერიმენტი
1911 წელს ფიზიკას უკვე ჰქონდა საწყისი ინფორმაცია მატერიის სტრუქტურის შესახებ. ერნესტ რეზერფორდმა აღმოაჩინა რასაც ჩვენ დღეს ატომის ბირთვს ვუწოდებთ.
არის საკითხებს, რომლებსაც აქვთ უცნაური თვისება: ისინი სპონტანურად გამოყოფენ სხვადასხვა ნაწილაკებს, როგორც დადებითს, ასევე უარყოფითს. ასეთ ნივთიერებებს რადიოაქტიურს უწოდებენ. დადებითად დამუხტულ ელემენტებს რეზერფორდმა უწოდა ალფა ნაწილაკები (α-ნაწილაკები).
მათ აქვთ "+" მუხტი, რომელიც უდრის ორ ელემენტარულ მუხტს (qα=+2e). ელემენტების წონა დაახლოებით უდრის წყალბადის ატომის ოთხ მასას. რეზერფორდმა აიღო რადიოაქტიური პრეპარატი, რომელიც ასხივებს ალფა ნაწილაკებს და დაბომბა ოქროს თხელი ფილმი (ფოლგა) მათი ნაკადით.
მან აღმოაჩინა, რომ α-ელემენტების უმეტესობა ძლივს იცვლის მიმართულებას ლითონის ატომებში გავლისას. მაგრამ ძალიან ცოტაა, ვინც უკან გადაიხრება. Რატომ ხდება ეს? ვიცოდეთ მატერიის სტრუქტურის ფიზიკა, შეგვიძლია ვუპასუხოთ: რადგან შიგნითოქროს ატომები, ისევე როგორც ნებისმიერი სხვა, არის დადებითი ელემენტები, რომლებიც მოგერიებენ ალფა ნაწილაკებს. მაგრამ რატომ ხდება ეს მხოლოდ ძალიან ცოტა ელემენტებთან? იმის გამო, რომ ატომის დადებითად დამუხტული ნაწილის ზომა გაცილებით მცირეა ვიდრე თავად. ამ დასკვნამდე მივიდა რეზერფორდი. მან ატომის დადებითად დამუხტულ ნაწილს ბირთვი უწოდა.
ატომის მოწყობილობა
მატერიის სტრუქტურის ფიზიკა: მოლეკულები შედგება ატომებისგან, რომლებიც შეიცავენ დადებითად დამუხტულ პატარა ნაწილს (ბირთვს), რომელიც გარშემორტყმულია ელექტრონებით. ატომის ნეიტრალიტეტი აიხსნება იმით, რომ ელექტრონების მთლიანი უარყოფითი მუხტი უდრის პოზიტიურს - ბირთვს. qcore + qel=0. რატომ არ ეცემა ელექტრონები ბირთვზე, რადგან ისინი იზიდავენ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად რეზერფორდმა შესთავაზა, რომ ისინი ისე ბრუნავდნენ, როგორც პლანეტები მოძრაობენ მზის გარშემო და არ ეჯახებიან მას. ეს არის მოძრაობა, რომელიც საშუალებას აძლევს ამ სისტემას იყოს სტაბილური. რეზერფორდის ატომის მოდელს პლანეტარული ეწოდება.
თუ ატომი ნეიტრალურია და მასში ელექტრონების რაოდენობა უნდა იყოს მთელი რიცხვი, მაშინ ბირთვის მუხტი ტოლია ამ მნიშვნელობის პლუს ნიშნით. qcores=+ze. z არის ელექტრონების რაოდენობა ნეიტრალურ ატომში. ამ შემთხვევაში მთლიანი გადასახადი ნულის ტოლია. როგორ მოვძებნოთ ელექტრონების რაოდენობა ატომში? თქვენ უნდა გამოიყენოთ ელემენტების პერიოდული ცხრილი. ატომის ზომები არის 10-10 მ რიგის და ბირთვები 100 ათასი ჯერ პატარა - 10-15 მ.
წარმოვიდგინოთ, რომ ბირთვის ზომა გავზარდეთ 1 მეტრამდე. მყარ სხეულში ატომებს შორის მანძილი დაახლოებით ტოლია მათი ზომისა, რაც ნიშნავს, რომ ზომებიგაიზრდება 105-მდე, რაც არის 100 კმ. ანუ, ატომი პრაქტიკულად ცარიელია, რის გამოც ალფა ნაწილაკები ძირითადად ფოლგაში დაფრინავენ თითქმის გადახრის გარეშე.
ბირთვის სტრუქტურა
მატერიის სტრუქტურის ფიზიკა ისეთია, რომ ბირთვი შედგება ორი სახის ნაწილაკებისგან. ზოგიერთი მათგანი დადებითად არის დამუხტული. თუ გავითვალისწინებთ ატომს, რომელსაც აქვს სამი ელექტრონი, მაშინ მის შიგნით არის სამი ნაწილაკი დადებითი მუხტით. მათ პროტონებს უწოდებენ. სხვა ელემენტებს არ აქვთ ელექტრული მუხტი - ნეიტრონები.
პროტონისა და ნეიტრონის მასები დაახლოებით ტოლია. ორივე ნაწილაკს აქვს ელექტრონს ბევრად მეტი წონა. mპროტონი ≈ 1837mel. იგივე ეხება ნეიტრონის მასას. აქედან გამომდინარეობს დასკვნა: დადებითად და ნეიტრალურად დამუხტული ნაწილაკების წონა არის ფაქტორი, რომელიც განსაზღვრავს ატომის მასას. პროტონებსა და ნეიტრონებს აქვთ საერთო სახელი - ნუკლეონები. ატომის წონა განისაზღვრება მათი რიცხვით, რომელსაც ბირთვის მასური რიცხვი ეწოდება. ჩვენ ატომში ელექტრონების რაოდენობა აღვნიშნეთ z ასოთი, მაგრამ რადგან ის ნეიტრალურია, დადებითი და უარყოფითი ნაწილაკების რაოდენობა უნდა ემთხვეოდეს. ამიტომ, z-ს ასევე უწოდებენ პროტონს ან მუხტის რიცხვს.
თუ ვიცით მასა და მუხტის რიცხვი, მაშინ შეგვიძლია ვიპოვოთ ნეიტრონების რაოდენობა N. N=A - z. როგორ გავარკვიოთ რამდენი ნუკლეონი და პროტონია ბირთვში? გამოდის, რომ პერიოდულ სისტემაში, თითოეული ელემენტის გვერდით არის რიცხვი, რომელსაც ქიმიკოსები უწოდებენ ფარდობით ატომურ მასას.
თუ დავამრგვალებთ, მეტს არაფერს მივიღებთმასის რიცხვი ან ნუკლეონების რაოდენობა ბირთვში (A). ელემენტის ატომური ნომერი არის პროტონების რაოდენობა (z). იცის A და z, ადვილია იპოვოთ N - ნეიტრონების რაოდენობა. თუ ატომი ნეიტრალურია, მაშინ ელექტრონებისა და პროტონების რაოდენობა ტოლია.
იზოტოპები
არსებობს ბირთვის ჯიშები, რომლებშიც პროტონების რაოდენობა იგივეა, მაგრამ ნეიტრონების რაოდენობა შეიძლება განსხვავდებოდეს (იგულისხმება იგივე ქიმიური ელემენტი). მათ იზოტოპებს უწოდებენ. ბუნებაში, სხვადასხვა სახის ატომები შერეულია, ამიტომ ქიმიკოსები ზომავენ საშუალო მასას. ამიტომ პერიოდულ სისტემაში ატომის ფარდობითი წონა ყოველთვის წილადი რიცხვია. მოდით გავარკვიოთ, რა ბედი ეწევა ნეიტრალურ ატომს, თუ მისგან ელექტრონი მოიხსნება ან, პირიქით, დამატებით მოთავსდება.
იონები
განვიხილოთ ლითიუმის ნეიტრალური ატომი. არის ბირთვი, ორი ელექტრონი განლაგებულია ერთ გარსზე, ხოლო სამი მეორეზე. თუ რომელიმე მათგანს წავართმევთ, მივიღებთ დადებითად დამუხტულ ბირთვს. qბირთვები =მე-3. ელექტრონები აკომპენსირებენ სამი ელემენტარული მუხტიდან მხოლოდ ორს და ვიღებთ დადებით იონს. იგი მითითებულია შემდეგნაირად: Li+. იონი არის ატომი, რომელშიც ელექტრონების რაოდენობა ნაკლებია ან მეტია, ვიდრე პროტონების რაოდენობა ბირთვში. პირველ შემთხვევაში ეს არის დადებითი იონი. თუ დამატებით ელექტრონს დავამატებთ, მაშინ იქნება ოთხი მათგანი და მივიღებთ უარყოფით იონს (Li-). ასეთია მატერიის აგებულების ფიზიკა. ასე რომ, ნეიტრალური ატომი იონისგან იმით განსხვავდება, რომ მასში არსებული ელექტრონები მთლიანად ანაზღაურებენ ბირთვის მუხტს.
