La física de l'estructura de la matèria va ser estudiada seriosament per primera vegada per Joseph J. Thomson. No obstant això, moltes preguntes van quedar sense resposta. Temps després, E. Rutherford va poder formular un model de l'estructura de l'àtom. En l'article analitzarem l'experiència que el va portar al descobriment. Com que l'estructura de la matèria és un dels temes més interessants de les lliçons de física, n'analitzarem els aspectes clau. Aprenem en què consisteix un àtom, aprenem a trobar el nombre d'electrons, protons i neutrons que hi ha. Familiaritzem-nos amb el concepte d'isòtops i ions.
Descobriment de l'electró
L'any 1897, el científic anglès Joseph John Thomson (el seu retrat es pot veure a continuació) va estudiar el corrent elèctric, és a dir, el moviment dirigit de les càrregues dels gasos. En aquell moment, la física ja coneixia l'estructura molecular de la matèria. Se sabia que tots els cossos estan fets de matèria, que està feta de molècules, i aquestes últimes estan fetes d'àtoms.
Thomson va descobrir que, sota determinades condicions, els àtoms de gas emeten partícules amb càrrega negativa (qel <0). S'anomenen electrons. L'àtom és neutre, la qual cosa significa que si els electrons surten volant, també s'han de contenir partícules positives. Quina és la part de l'àtom amb el signe "+"? Com interacciona amb un electró carregat negativament? Què determina la massa d'un àtom? Un altre científic podria respondre a totes aquestes preguntes.
experiment de Rutherford
El 1911, la física ja posseïa la informació inicial sobre l'estructura de la matèria. Ernest Rutherford va descobrir el que avui anomenem nucli atòmic.
Hi ha coses que tenen una propietat estranya: emeten espontàniament diverses partícules, tant positives com negatives. Aquestes substàncies s'anomenen radioactives. Elements carregats positivament Rutherford anomenats partícules alfa (partícules α).
Tenen una càrrega "+" igual a dues càrregues elementals (qα=+2e). El pes dels elements és aproximadament igual a quatre masses d'un àtom d'hidrogen. Rutherford va prendre una preparació radioactiva que emet partícules alfa i va bombardejar una fina pel·lícula d'or (lamina) amb el seu corrent.
Va trobar que la majoria dels elements α amb prou feines canvien de direcció quan travessen àtoms metàl·lics. Però són molt pocs els que es desvien enrere. Per què passa això? Coneixent la física de l'estructura de la matèria, podem respondre: perquè dinsels àtoms d'or, com qualsevol altre, hi ha elements positius que repel·leixen les partícules alfa. Però, per què només passa això amb molt pocs elements? Perquè la mida de la part carregada positivament de l'àtom és molt més petita que ella mateixa. Rutherford va arribar a aquesta conclusió. Va anomenar nucli a la part carregada positivament de l'àtom.
El dispositiu de l'àtom
Física de l'estructura de la matèria: les molècules estan formades per àtoms, que contenen una petita part (nucli) carregada positivament envoltada d'electrons. La neutralitat de l'àtom s'explica pel fet que la càrrega negativa total dels electrons és igual a la positiva: el nucli. qcore + qel=0. Per què els electrons no cauen al nucli, perquè són atrets? Per respondre a aquesta pregunta, Rutherford va suggerir que giren com els planetes es mouen al voltant del Sol i no xoquen amb ell. És el moviment el que permet que aquest sistema sigui estable. El model d'àtom de Rutherford s'anomena planetari.
Si l'àtom és neutre i el nombre d'electrons que hi ha ha de ser enter, aleshores la càrrega del nucli és igual a aquest valor amb un signe més. qcores=+ze. z és el nombre d'electrons en un àtom neutre. En aquest cas, la càrrega total és zero. Com trobar el nombre d'electrons en un àtom? Cal utilitzar la taula periòdica dels elements. Les dimensions d'un àtom són de l'ordre de 10-10 m. I els nuclis són 100 mil vegades més petits - 10-15 m.
Imaginem que hem augmentat la mida del nucli a 1 metre. En un sòlid, la distància entre els àtoms és aproximadament igual a la seva mida, el que significa que les dimensionsaugmentarà a 105, que són 100 km. És a dir, l'àtom està pràcticament buit, i per això les partícules alfa volen majoritàriament a través de la làmina sense gairebé cap desviació.
Estructura del nucli
La física de l'estructura de la matèria és tal que el nucli està format per dos tipus de partícules. Alguns d'ells tenen càrrega positiva. Si considerem un àtom que té tres electrons, aleshores al seu interior hi ha tres partícules amb càrrega positiva. S'anomenen protons. Altres elements no tenen càrrega elèctrica: els neutrons.
Les masses del protó i del neutró són aproximadament iguals. Les dues partícules tenen un pes molt més gran que un electró. mprotó ≈ 1837mel. El mateix s'aplica a la massa del neutró. D'això se'n desprèn la conclusió: el pes de les partícules carregades positivament i neutrement és un factor que determina la massa d'un àtom. Els protons i els neutrons tenen un nom comú: nucleons. El pes d'un àtom ve determinat pel seu nombre, que s'anomena nombre de massa del nucli. Hem denotat el nombre d'electrons d'un àtom amb la lletra z, però com que és neutre, el nombre de partícules positives i negatives ha de coincidir. Per tant, z també s'anomena nombre de protó o càrrega.
Si coneixem el nombre de massa i càrrega, podem trobar el nombre de neutrons N. N=A - z. Com esbrinar quants nucleons i protons hi ha al nucli? Resulta que a la taula periòdica, al costat de cada element, hi ha un nombre que els químics anomenen massa atòmica relativa.
Si ho arrodonim, no obtenim res més quenombre de massa o el nombre de nucleons del nucli (A). El nombre atòmic d'un element és el nombre de protons (z). Coneixent A i z, és fàcil trobar N, el nombre de neutrons. Si l'àtom és neutre, aleshores el nombre d'electrons i protons és igual.
Isòtops
Hi ha varietats del nucli en què el nombre de protons és el mateix, però el nombre de neutrons pot ser diferent (és a dir, el mateix element químic). S'anomenen isòtops. A la natura, es barregen àtoms de diferents tipus, de manera que els químics mesuren la massa mitjana. És per això que a la taula periòdica el pes relatiu d'un àtom és sempre un nombre fraccionari. Anem a esbrinar què li passa a un àtom neutre si se n'elimina un electró o, per contra, se'n col·loca un de més.
Ions
Considereu un àtom de liti neutre. Hi ha un nucli, dos electrons estan situats en una capa i tres a l' altra. Si en traiem un, obtenim un nucli carregat positivament. qcores =3r. Els electrons compensen només dues de les tres càrregues elementals i obtenim un ió positiu. Es designa de la manera següent: Li+. Un ió és un àtom en el qual el nombre d'electrons és menor o major que el nombre de protons del nucli. En el primer cas, és un ió positiu. Si afegim un electró addicional, n'hi haurà quatre i obtindrem un ió negatiu (Li-). Aquesta és la física de l'estructura de la matèria. Per tant, un àtom neutre difereix d'un ió perquè els electrons que hi ha compensen completament la càrrega del nucli.
