لفترة طويلة ظلت العديد من خواص المادة سرا للباحثين. لماذا بعض المواد توصل الكهرباء بشكل جيد والبعض الآخر لا؟ لماذا يتحلل الحديد تدريجياً تحت تأثير الغلاف الجوي ، بينما يتم الحفاظ على المعادن النبيلة بشكل مثالي لآلاف السنين؟ تمت الإجابة على العديد من هذه الأسئلة بعد أن أصبح الشخص مدركًا لبنية الذرة: هيكلها ، وعدد الإلكترونات في كل طبقة إلكترونية. علاوة على ذلك ، فإن إتقان أساسيات بنية النوى الذرية فتح حقبة جديدة للعالم.
من أي العناصر تم بناء لبنة المادة الأولية ، كيف تتفاعل مع بعضها البعض ، ما الذي يمكن أن نتعلمه من هذا؟
بنية الذرة في نظر العلم الحديث
في الوقت الحالي ، يميل معظم العلماء إلى الالتزام بالنموذج الكوكبي لبنية المادة. وفقًا لهذا النموذج ، يوجد في مركز كل ذرة نواة ، صغيرة حتى بالمقارنة مع الذرة (فهي أصغر بعشرات الآلاف من المرات من الكل.ذرة). لكن لا يمكن قول الشيء نفسه عن كتلة النواة. تتركز كل كتلة الذرة تقريبًا في النواة. النواة مشحونة إيجابيا
تدور الإلكترونات حول النواة في مدارات مختلفة ، وليست دائرية ، كما هو الحال مع كواكب النظام الشمسي ، لكنها ثلاثية الأبعاد (الكرات وحجم الثمانات). عدد الإلكترونات في الذرة يساوي عدديًا شحنة النواة. لكن من الصعب جدًا اعتبار الإلكترون كجسيم يتحرك على طول مسار ما.
مداره ضئيل ، والسرعة تشبه تقريبًا شعاع الضوء ، لذا فمن الأصح اعتبار الإلكترون مع مداره نوعًا من الكرة السالبة الشحنة.
أعضاء الأسرة النووية
تتكون جميع الذرات من 3 عناصر مكونة: البروتونات والإلكترونات والنيوترونات.
البروتون هو مادة البناء الرئيسية للنواة. وزنه يساوي وحدة ذرية (كتلة ذرة الهيدروجين) أو 1.67 10-27kg في نظام SI. الجسيم موجب الشحنة ، وتؤخذ شحنته كوحدة في نظام الشحنات الكهربائية الأولية.
النيوترون هو التوأم الكتلي للبروتون ، لكنه غير مشحون بأي شكل من الأشكال.
تسمى الجسيمات أعلاه بالنويدات.
الإلكترون هو عكس البروتون المسؤول (الشحنة الأولية هي −1). لكن من حيث الوزن ، خذلنا الإلكترون ، كتلته هي فقط 9 ، 12 ∙ 10-31كجم ، أي ما يقرب من ألفي مرة أخف من البروتون أو النيوترون.
كيف تم "رؤيته"
كيف ترى بنية الذرة ، حتى لو كانت أحدث الوسائل التقنية لا تسمح بذلكوعلى المدى القصير لن يسمح بالحصول على صور للجسيمات المكونة لها. كيف عرف العلماء عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات في النواة وموقعها؟
تم الافتراض حول التركيب الكوكبي للذرات على أساس نتائج قصف رقاقة معدنية رقيقة بجزيئات مختلفة. يوضح الشكل بوضوح كيف تتفاعل الجسيمات الأولية المختلفة مع المادة.
عدد الإلكترونات التي مرت عبر المعدن في التجارب يساوي صفرًا. يتم شرح ذلك ببساطة: يتم طرد الإلكترونات سالبة الشحنة من غلاف الإلكترون للمعدن ، والذي يحتوي أيضًا على شحنة سالبة.
شعاع البروتونات (شحنة +) مرت من خلال الرقاقة ، ولكن مع "خسائر". تم صد بعض النوى التي اعترضت طريقها (احتمال حدوث مثل هذه الضربات صغير جدًا) ، وانحرف البعض عن المسار الأصلي ، وحلقت بالقرب من إحدى النوى.
أصبحت النيوترونات الأكثر "فعالية" من حيث التغلب على المعدن. يُفقد الجسيم المشحون محايدًا فقط في حالة الاصطدام المباشر بجوهر المادة ، بينما نجح 99.99٪ من النيوترونات في المرور عبر سمك المعدن. بالمناسبة ، كان من الممكن حساب حجم نوى بعض العناصر الكيميائية بناءً على عدد النيوترونات عند المدخلات والمخرجات.
بناءً على البيانات التي تم الحصول عليها ، تم بناء النظرية السائدة حاليًا لبنية المادة ، والتي تشرح بنجاح معظم المشكلات.
ماذا وكم
يعتمد عدد الإلكترونات في الذرة على العدد الذري. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الهيدروجين العاديةبروتون واحد فقط. يدور إلكترون واحد في مدار. العنصر التالي في الجدول الدوري ، الهيليوم ، أكثر تعقيدًا بعض الشيء. تتكون نواتها من بروتونين واثنين من النيوترونات ، وبالتالي فإن الكتلة الذرية لها 4.
مع نمو الرقم التسلسلي يزداد حجم وكتلة الذرة. يتوافق الرقم التسلسلي لعنصر كيميائي في الجدول الدوري مع شحنة النواة (عدد البروتونات الموجودة فيه). عدد الإلكترونات في الذرة يساوي عدد البروتونات. على سبيل المثال ، تحتوي نواة ذرة الرصاص (العدد الذري 82) على 82 بروتونًا. يوجد 82 إلكترونًا في مدار حول النواة. لحساب عدد النيوترونات في النواة ، يكفي طرح عدد البروتونات من الكتلة الذرية:
207 - 82=125.
لماذا توجد دائمًا أعداد متساوية
كل نظام في عالمنا يسعى لتحقيق الاستقرار. كما هو مطبق على الذرة ، يتم التعبير عن ذلك في حيادها. إذا تخيلنا لثانية واحدة أن كل الذرات بدون استثناء في الكون لها شحنة أو أخرى ذات مقادير مختلفة بعلامات مختلفة ، فيمكن للمرء أن يتخيل نوع الفوضى التي ستحدث في العالم.
لكن بما أن عدد البروتونات والإلكترونات في الذرة متساوٍ ، فإن الشحنة الإجمالية لكل "لبنة" تساوي صفرًا.
عدد النيوترونات في الذرة قيمة مستقلة. علاوة على ذلك ، يمكن أن تحتوي ذرات نفس العنصر الكيميائي على عدد مختلف من هذه الجسيمات بدون شحنة. مثال:
- 1 بروتون + 1 إلكترون + 0 نيوترون=هيدروجين (الكتلة الذرية 1) ؛
- 1 بروتون + 1 إلكترون + 1 نيوترون=الديوتيريوم (الكتلة الذرية 2) ؛
- 1 بروتون + 1 إلكترون + 2نيوترون=تريتيوم (الكتلة الذرية 3)
في هذه الحالة ، لا يتغير عدد الإلكترونات في الذرة ، تظل الذرة محايدة ، وتتغير كتلتها. تسمى هذه الاختلافات في العناصر الكيميائية بالنظائر.
الذرة دائما محايدة
لا ، عدد الإلكترونات في الذرة لا يساوي دائمًا عدد البروتونات. إذا تعذر "سحب" إلكترون أو إلكترونين من الذرة لفترة ، فلن يكون هناك شيء مثل الجلفنة. يمكن أن تتأثر الذرة ، مثل أي مادة ،
تحت تأثير مجال كهربائي قوي بدرجة كافية من الطبقة الخارجية للذرة ، يمكن لإلكترون واحد أو أكثر "الطيران بعيدًا". في هذه الحالة ، يتوقف جسيم المادة عن أن يكون محايدًا ويسمى أيونًا. يمكن أن يتحرك في وسط غازي أو سائل ، وينقل شحنة كهربائية من قطب كهربائي إلى آخر. بهذه الطريقة ، يتم تخزين شحنة كهربائية في البطاريات ، ويتم تطبيق أنحف أغشية من بعض المعادن على أسطح البعض الآخر (طلاء الذهب ، والطلاء بالفضة ، والطلاء بالكروم ، والطلاء بالنيكل ، وما إلى ذلك).
عدد الإلكترونات غير مستقر أيضًا في المعادن - موصلات التيار الكهربائي. تسير إلكترونات الطبقات الخارجية ، كما هي ، من ذرة إلى ذرة ، ناقلة الطاقة الكهربائية عبر الموصل.
