La fisica della struttura della materia fu studiata seriamente per la prima volta da Joseph J. Thomson. Tuttavia, molte domande sono rimaste senza risposta. Qualche tempo dopo, E. Rutherford riuscì a formulare un modello della struttura dell'atomo. Nell'articolo prenderemo in considerazione l'esperienza che lo ha portato alla scoperta. Poiché la struttura della materia è uno degli argomenti più interessanti nelle lezioni di fisica, ne analizzeremo gli aspetti chiave. Impariamo in cosa consiste un atomo, impariamo come trovare il numero di elettroni, protoni, neutroni in esso contenuti. Conosciamo il concetto di isotopi e ioni.
Scoperta dell'elettrone
Nel 1897, lo scienziato inglese Joseph John Thomson (il suo ritratto può essere visto sotto) studiò la corrente elettrica, cioè il movimento diretto delle cariche nei gas. A quel tempo, la fisica conosceva già la struttura molecolare della materia. Si sapeva che tutti i corpi sono fatti di materia, che è fatta di molecole, e queste ultime sono fatte di atomi.
Thomson scoprì che, in determinate condizioni, gli atomi di gas emettono particelle con carica negativa (qel <0). Si chiamano elettroni. L'atomo è neutro, il che significa che se gli elettroni volano fuori da esso, allora devono essere contenute anche particelle positive. Qual è la parte dell'atomo con il segno "+"? Come interagisce con un elettrone caricato negativamente? Cosa determina la massa di un atomo? Un altro scienziato potrebbe rispondere a tutte queste domande.
L'esperimento di Rutherford
Nel 1911, la fisica possedeva già le prime informazioni sulla struttura della materia. Ernest Rutherford ha scoperto quello che oggi chiamiamo il nucleo atomico.
Ci sono materie che hanno una strana proprietà: emettono spontaneamente varie particelle, sia positive che negative. Tali sostanze sono chiamate radioattive. Elementi caricati positivamente che Rutherford chiamava particelle alfa (particelle α).
Hanno una carica "+" pari a due cariche elementari (qα=+2e). Il peso degli elementi è approssimativamente uguale a quattro masse di un atomo di idrogeno. Rutherford ha preso una preparazione radioattiva che emette particelle alfa e ha bombardato una sottile pellicola d'oro (lamina) con il loro flusso.
Ha scoperto che la maggior parte degli elementi α cambia a malapena direzione quando passa attraverso gli atomi di metallo. Ma ci sono pochissimi che deviano all'indietro. Perché sta succedendo? Conoscendo la fisica della struttura della materia, possiamo rispondere: perché dentroatomi d'oro, come tutti gli altri, ci sono elementi positivi che respingono le particelle alfa. Ma perché questo accade solo con pochissimi elementi? Perché la dimensione della parte caricata positivamente dell'atomo è molto più piccola di se stessa. Rutherford è giunto a questa conclusione. Chiamò nucleo la parte carica positiva dell'atomo.
Il dispositivo dell'atomo
Fisica della struttura della materia: le molecole sono costituite da atomi, che contengono una minuscola parte (nucleo) caricata positivamente circondata da elettroni. La neutralità dell'atomo è spiegata dal fatto che la carica negativa totale degli elettroni è uguale al positivo: il nucleo. qcore + qel=0. Perché gli elettroni non cadono sul nucleo, perché sono attratti? Per rispondere a questa domanda, Rutherford ha suggerito che ruotano come i pianeti si muovono attorno al sole e non entrano in collisione con esso. È il movimento che permette a questo sistema di essere stabile. Il modello dell'atomo di Rutherford è chiamato planetario.
Se l'atomo è neutro e il numero di elettroni in esso contenuto deve essere intero, la carica del nucleo è uguale a questo valore con un segno più. qcore=+ze. z è il numero di elettroni in un atomo neutro. In questo caso, l'addebito totale è zero. Come trovare il numero di elettroni in un atomo? Devi usare la tavola periodica degli elementi. Le dimensioni di un atomo sono dell'ordine di 10-10 m E i nuclei sono 100mila volte più piccoli - 10-15 m.
Immaginiamo di aver aumentato la dimensione del nucleo a 1 metro. In un solido, la distanza tra gli atomi è approssimativamente uguale alla loro dimensione, il che significa che le dimensioniaumenterà a 105, ovvero 100 km. Cioè, l'atomo è praticamente vuoto, motivo per cui le particelle alfa volano principalmente attraverso la lamina quasi senza deflessione.
Struttura del nucleo
La fisica della struttura della materia è tale che il nucleo consiste di due tipi di particelle. Alcuni di loro sono caricati positivamente. Se consideriamo un atomo che ha tre elettroni, allora al suo interno ci sono tre particelle con una carica positiva. Si chiamano protoni. Altri elementi non hanno carica elettrica - neutroni.
Le masse del protone e del neutrone sono approssimativamente uguali. Entrambe le particelle hanno un peso molto maggiore di un elettrone. mprotone ≈ 1837mel. Lo stesso vale per la massa del neutrone. La conclusione ne segue: il peso delle particelle con carica positiva e neutra è un fattore che determina la massa di un atomo. Protoni e neutroni hanno un nome comune: nucleoni. Il peso di un atomo è determinato dal loro numero, che è chiamato numero di massa del nucleo. Abbiamo indicato il numero di elettroni in un atomo con la lettera z, ma poiché è neutro, il numero di particelle positive e negative deve corrispondere. Pertanto, z è anche chiamato protone o numero di carica.
Se conosciamo la massa e il numero di carica, allora possiamo trovare il numero di neutroni N. N=A - z. Come scoprire quanti nucleoni e protoni ci sono nel nucleo? Si scopre che nella tavola periodica, accanto a ciascun elemento, c'è un numero che i chimici chiamano massa atomica relativa.
Se arrotondiamo, non otteniamo altro chenumero di massa o il numero di nucleoni nel nucleo (A). Il numero atomico di un elemento è il numero di protoni (z). Conoscendo A e z, è facile trovare N - il numero di neutroni. Se l'atomo è neutro, il numero di elettroni e protoni è uguale.
Isotopi
Ci sono varietà di nucleo in cui il numero di protoni è lo stesso, ma il numero di neutroni può differire (che significa lo stesso elemento chimico). Si chiamano isotopi. In natura, atomi di diverso tipo sono misti, quindi i chimici misurano la massa media. Ecco perché nella tavola periodica il peso relativo di un atomo è sempre un numero frazionario. Scopriamo cosa succede a un atomo neutro se viene rimosso un elettrone da esso o, al contrario, se ne posiziona uno in più.
Ioni
Considera un atomo di litio neutro. C'è un nucleo, due elettroni si trovano su un guscio e tre sull' altro. Se ne togliamo uno, otteniamo un nucleo carico positivamente. qcore =3°. Gli elettroni compensano solo due delle tre cariche elementari e otteniamo uno ione positivo. È designato come segue: Li+. Uno ione è un atomo in cui il numero di elettroni è minore o maggiore del numero di protoni nel nucleo. Nel primo caso, è uno ione positivo. Se aggiungiamo un elettrone in più, ce ne saranno quattro e otterremo uno ione negativo (Li-). Tale è la fisica della struttura della materia. Quindi, un atomo neutro differisce da uno ione in quanto gli elettroni in esso contenuti compensano completamente la carica del nucleo.
