დიდი ხნის განმავლობაში მატერიის მრავალი თვისება საიდუმლოდ რჩებოდა მკვლევარებისთვის. რატომ ატარებს ზოგიერთი ნივთიერება კარგად ელექტროენერგიას, ზოგი კი არა? რატომ იშლება რკინა თანდათანობით ატმოსფეროს გავლენით, მაშინ როცა კეთილშობილი ლითონები შესანიშნავად არის დაცული ათასობით წლის განმავლობაში? ბევრ ამ კითხვაზე პასუხი მას შემდეგ მიიღო, რაც ადამიანმა გაიგო ატომის სტრუქტურა: მისი სტრუქტურა, ელექტრონების რაოდენობა თითოეულ ელექტრონულ შრეში. უფრო მეტიც, ატომური ბირთვების სტრუქტურის საფუძვლების დაუფლებამ მსოფლიოსთვის ახალი ერა გახსნა.
რა ელემენტებიდან არის აგებული მატერიის ელემენტარული აგური, როგორ ურთიერთობენ ისინი ერთმანეთთან, რა შეგვიძლია ვისწავლოთ აქედან?
ატომის სტრუქტურა თანამედროვე მეცნიერების თვალსაზრისით
ამჟამად, მეცნიერთა უმეტესობა მიდრეკილია იცავდეს მატერიის სტრუქტურის პლანეტარული მოდელს. ამ მოდელის მიხედვით, თითოეული ატომის ცენტრში არის ბირთვი, ატომთან შედარებით პატარაც კი (ის ათობით ათასი ჯერ პატარაა მთელზე.ატომი). მაგრამ იგივეს ვერ ვიტყვით ბირთვის მასაზე. ატომის თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია ბირთვში. ბირთვი დადებითად არის დამუხტული.
ელექტრონები ბრუნავენ ბირთვის გარშემო სხვადასხვა ორბიტაზე, არა წრიულად, როგორც ეს მზის სისტემის პლანეტების შემთხვევაშია, არამედ სამგანზომილებიანად (სფეროები და მოცულობითი რვა). ატომში ელექტრონების რაოდენობა რიცხობრივად უდრის ბირთვის მუხტს. მაგრამ ძალიან რთულია ელექტრონის განხილვა, როგორც ნაწილაკი, რომელიც მოძრაობს რაიმე სახის ტრაექტორიის გასწვრივ.
მისი ორბიტა პატარაა და სიჩქარე თითქმის სინათლის სხივის მსგავსია, ამიტომ უფრო სწორია ელექტრონი მის ორბიტასთან ერთად ერთგვარ უარყოფითად დამუხტულ სფეროდ მივიჩნიოთ.
ბირთვული ოჯახის წევრები
ყველა ატომი შედგება 3 შემადგენელი ელემენტისგან: პროტონები, ელექტრონები და ნეიტრონები.
პროტონი არის ბირთვის მთავარი სამშენებლო მასალა. მისი წონა უდრის ატომურ ერთეულს (წყალბადის ატომის მასას) ან SI სისტემაში 1,67 ∙ 10-27 კგ. ნაწილაკი დადებითად არის დამუხტული და მისი მუხტი აღებულია როგორც ერთეული ელემენტარული ელექტრული მუხტების სისტემაში.
ნეიტრონი არის პროტონის მასის ტყუპი, მაგრამ არანაირად არ არის დამუხტული.
ზემოხსენებულ ორ ნაწილაკს ეწოდება ნუკლიდები.
ელექტრონი არის დამუხტული პროტონის საპირისპირო (ელემენტარული მუხტი არის -1). მაგრამ წონის თვალსაზრისით, ელექტრონმა დაგვაკარგვინა, მისი მასა არის მხოლოდ 9, 12 ∙ 10-31კგ, რაც პროტონზე ან ნეიტრონზე თითქმის 2 ათასი ჯერ მსუბუქია.
როგორ "ნახეს"
როგორ შეგიძლიათ ნახოთ ატომის სტრუქტურა, თუკი ყველაზე თანამედროვე ტექნიკური საშუალებებიც კი არ იძლევა ამის საშუალებასდა მოკლევადიან პერიოდში არ დაუშვებს მისი შემადგენელი ნაწილაკების გამოსახულების მიღებას. როგორ იცოდნენ მეცნიერებმა ბირთვში პროტონების, ნეიტრონების და ელექტრონების რაოდენობა და მათი მდებარეობა?
ვარაუდი ატომების პლანეტარული სტრუქტურის შესახებ გაკეთდა თხელი ლითონის კილიტის სხვადასხვა ნაწილაკებით დაბომბვის შედეგების საფუძველზე. ნახატი ნათლად აჩვენებს, თუ როგორ ურთიერთქმედებენ სხვადასხვა ელემენტარული ნაწილაკები მატერიასთან.
ექსპერიმენტებში მეტალში გავლილი ელექტრონების რაოდენობა ნულის ტოლი იყო. ეს მარტივად აიხსნება: უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები მოიგერიეს ლითონის ელექტრონული გარსებიდან, რომლებსაც ასევე აქვთ უარყოფითი მუხტი.
პროტონების სხივი (მუხტი +) გავიდა ფოლგაში, მაგრამ "დაკარგვით". ზოგს გზაში შემავალი ბირთვები მოიგერიეს (ასეთი დარტყმების ალბათობა ძალიან მცირეა), ზოგი გადაუხვია თავდაპირველ ტრაექტორიას და მიფრინავდა ერთ-ერთ ბირთვთან ძალიან ახლოს.
ნეიტრონები გახდა ყველაზე "ეფექტური" ლითონის დაძლევის თვალსაზრისით. ნეიტრალურად დამუხტული ნაწილაკი იკარგებოდა მხოლოდ ნივთიერების ბირთვთან პირდაპირი შეჯახების შემთხვევაში, ხოლო ნეიტრონების 99,99%-მა წარმატებით გაიარა ლითონის სისქეში. სხვათა შორის, შესაძლებელი იყო გარკვეული ქიმიური ელემენტების ბირთვების ზომის გამოთვლა შეყვანისა და გამომავალი ნეიტრონების რაოდენობის მიხედვით.
მოპოვებული მონაცემების საფუძველზე აშენდა მატერიის სტრუქტურის ამჟამად დომინანტური თეორია, რომელიც წარმატებით ხსნის საკითხების უმეტესობას.
რა და რამდენი
ატომში ელექტრონების რაოდენობა დამოკიდებულია ატომურ რიცხვზე. მაგალითად, ჩვეულებრივ წყალბადის ატომს აქვსმხოლოდ ერთი პროტონი. ერთი ელექტრონი ტრიალებს გარშემო ორბიტაზე. პერიოდული ცხრილის შემდეგი ელემენტი, ჰელიუმი, ცოტა უფრო რთულია. მისი ბირთვი შედგება ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონისაგან და, შესაბამისად, აქვს ატომური მასა 4..
სერიული ნომრის ზრდასთან ერთად იზრდება ატომის ზომა და მასა. პერიოდულ სისტემაში ქიმიური ელემენტის სერიული ნომერი შეესაბამება ბირთვის მუხტს (მასში არსებული პროტონების რაოდენობას). ატომში ელექტრონების რაოდენობა პროტონების რაოდენობის ტოლია. მაგალითად, ტყვიის ატომს (ატომური ნომერი 82) აქვს 82 პროტონი თავის ბირთვში. ბირთვის გარშემო ორბიტაზე 82 ელექტრონი იმყოფება. ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობის გამოსათვლელად საკმარისია გამოვაკლოთ პროტონების რაოდენობა ატომურ მასას:
207 – 82=125.
რატომ არის ყოველთვის თანაბარი რიცხვები
ჩვენს სამყაროში არსებული ყველა სისტემა სტაბილურობისკენ ისწრაფვის. როგორც ატომს ეხება, ეს გამოიხატება მის ნეიტრალიტეტში. თუ წამით წარმოვიდგენთ, რომ სამყაროს ყველა ატომს გამონაკლისის გარეშე აქვს სხვადასხვა სიდიდის ესა თუ ის მუხტი სხვადასხვა ნიშნით, შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორი ქაოსი დადგება მსოფლიოში.
მაგრამ რადგან ატომში პროტონებისა და ელექტრონების რაოდენობა ტოლია, თითოეული "აგურის" ჯამური მუხტი ნულის ტოლია.
ატომში ნეიტრონების რაოდენობა დამოუკიდებელი მნიშვნელობაა. უფრო მეტიც, ერთი და იგივე ქიმიური ელემენტის ატომებს შეიძლება ჰქონდეთ ამ ნაწილაკების განსხვავებული რაოდენობა ნულოვანი მუხტით. მაგალითი:
- 1 პროტონი + 1 ელექტრონი + 0 ნეიტრონი=წყალბადი (ატომური მასა 1);
- 1 პროტონი + 1 ელექტრონი + 1 ნეიტრონი=დეიტერიუმი (ატომის მასა 2);
- 1 პროტონი + 1 ელექტრონი + 2ნეიტრონი=ტრიტიუმი (ატომის მასა 3).
ამ შემთხვევაში ატომში ელექტრონების რაოდენობა არ იცვლება, ატომი რჩება ნეიტრალური, იცვლება მისი მასა. ქიმიური ელემენტების ასეთ ვარიაციებს იზოტოპებს უწოდებენ.
ატომი ყოველთვის ნეიტრალურია
არა, ატომში ელექტრონების რაოდენობა ყოველთვის არ არის პროტონების რაოდენობის ტოლი. თუ ერთი ან ორი ელექტრონის „ამოღება“ატომს გარკვეული ხნით არ შეიძლებოდა, არ იქნებოდა გალვანიზაცია. ატომზე, ისევე როგორც ნებისმიერ მატერიაზე, შეიძლება გავლენა იქონიოს.
ატომის გარე შრის საკმარისად ძლიერი ელექტრული ველის გავლენით, ერთ ან მეტ ელექტრონს შეუძლია „გაფრინდეს“. ამ შემთხვევაში ნივთიერების ნაწილაკი წყვეტს ნეიტრალურობას და იონი ეწოდება. მას შეუძლია გადაადგილდეს გაზის ან თხევადი გარემოში, გადაიტანოს ელექტრული მუხტი ერთი ელექტროდიდან მეორეზე. ამგვარად, ელექტრული მუხტი ინახება ბატარეებში, ხოლო ზოგიერთი ლითონის უწვრილესი ფენები გამოიყენება სხვის ზედაპირებზე (მოოქროვილი, ვერცხლის მოოქროვილი, ქრომის მოოქროვილი, ნიკელის დაფარვა და ა.შ.).
ელექტრონების რაოდენობა ასევე არასტაბილურია მეტალებში - ელექტრული დენის გამტარებლებში. გარე ფენების ელექტრონები, როგორც ეს იყო, დადიან ატომიდან ატომში, გადასცემენ ელექტრო ენერგიას გამტარში.
