פיזיקה של מבנה החומר. תגליות. ניסויים. חישובים

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

הפיסיקה של מבנה החומר נחקרה לראשונה ברצינות על ידי ג'וזף ג'יי תומסון. עם זאת, שאלות רבות נותרו ללא מענה. זמן מה לאחר מכן הצליח E. רתרפורד לגבש מודל של מבנה האטום. במאמר נשקול את החוויה שהובילה אותו לגילוי. מכיוון שמבנה החומר הוא אחד הנושאים המעניינים ביותר בשיעורי פיזיקה, ננתח את ההיבטים המרכזיים שלו. אנחנו לומדים ממה מורכב אטום, לומדים איך למצוא את מספר האלקטרונים, הפרוטונים, הנייטרונים שבו. בואו נכיר את המושג איזוטופים ויונים.

גילוי האלקטרון

בשנת 1897, המדען האנגלי ג'וזף ג'ון תומסון (את דיוקנו ניתן לראות למטה) חקר זרם חשמלי, כלומר תנועה מכוונת של מטענים בגזים. באותה תקופה, הפיזיקה כבר ידעה על המבנה המולקולרי של החומר. היה ידוע שכל הגופים עשויים מחומר, שעשוי ממולקולות, והאחרונים עשויים מאטומים.

תומסון גילה שבתנאים מסוימים, אטומי גז פולטים חלקיקים בעלי מטען שלילי (q_{el <0). הם נקראים אלקטרונים. האטום הוא ניטרלי, מה שאומר שאם אלקטרונים עפים ממנו, אז חייבים להכיל שם גם חלקיקים חיוביים. מהו החלק של האטום עם הסימן "+"? כיצד הוא מתקשר עם אלקטרון בעל מטען שלילי? מה קובע את המסה של אטום? מדען אחר יכול לענות על כל השאלות האלה.}

הניסוי של Rutherford

בשנת 1911, הפיזיקה כבר החזיקה במידע הראשוני על מבנה החומר. ארנסט רתרפורד גילה את מה שאנו מכנים היום גרעין האטום.

ישנם עניינים בעלי תכונה מוזרה: הם פולטים באופן ספונטני חלקיקים שונים, חיוביים ושליליים. חומרים כאלה נקראים רדיואקטיביים. יסודות בעלי מטען חיובי רתרפורד המכונים חלקיקי אלפא (חלקיקי α).

יש להם מטען "+" השווה לשני מטענים יסודיים (q_{α=+2e). משקל היסודות שווה בערך לארבע מסות של אטום מימן. רתרפורד לקח תכשיר רדיואקטיבי שפולט חלקיקי אלפא והפציץ סרט דק של זהב (נייר כסף) בזרם שלהם.}

הוא גילה שרוב יסודות ה-α בקושי משנים את כיוונם כשהם עוברים דרך אטומי מתכת. אבל יש מעט מאוד שסוטים לאחור. למה זה קורה? לדעת את הפיזיקה של מבנה החומר, נוכל לענות: כי בפניםאטומי זהב, כמו כל אחד אחר, ישנם יסודות חיוביים הדוחים חלקיקי אלפא. אבל למה זה קורה רק עם מעט מאוד אלמנטים? מכיוון שגודלו של החלק הטעון חיובי של האטום קטן בהרבה ממנו. רתרפורד הגיע למסקנה הזו. הוא קרא לחלק הטעון חיובי של האטום הגרעין.

התקן של האטום

פיזיקה של מבנה החומר: מולקולות מורכבות מאטומים, המכילים חלק זעיר טעון חיובי (גרעין) המוקף באלקטרונים. הניטרליות של האטום מוסברת בכך שסך המטען השלילי של האלקטרונים שווה לחיובי - הגרעין. q_core + q_{el=0. למה אלקטרונים לא נופלים על הגרעין, כי הם נמשכים? כדי לענות על שאלה זו, רתרפורד הציע שהם מסתובבים כמו שכוכבי הלכת נעים סביב השמש ולא יתנגשו בה. התנועה היא שמאפשרת למערכת הזו להיות יציבה. המודל של רתרפורד של האטום נקרא פלנטרי.}

אם האטום הוא ניטרלי, ומספר האלקטרונים בו חייב להיות מספר שלם, אז המטען של הגרעין שווה לערך זה עם סימן פלוס. q_cores=+zה. z הוא מספר האלקטרונים באטום ניטרלי. במקרה זה, המטען הכולל הוא אפס. איך למצוא את מספר האלקטרונים באטום? אתה צריך להשתמש בטבלה המחזורית של היסודות. הממדים של אטום הם בסדר גודל של 10^-10 m. והגרעינים קטנים פי 100 אלף - 10^{-15 m.}

בוא נדמיין שהגדלנו את גודל הליבה ל-1 מטר. במוצק, המרחק בין האטומים שווה בערך לגודלם, כלומר הממדיםיגדל ל-105, כלומר 100 ק מ. כלומר, האטום כמעט ריק, וזו הסיבה שחלקיקי האלפא עפים לרוב דרך נייר הכסף כמעט ללא סטיה.

מבנה הגרעין

הפיזיקה של מבנה החומר היא כזו שהגרעין מורכב משני סוגים של חלקיקים. חלקם טעונים חיובית. אם ניקח בחשבון אטום שיש לו שלושה אלקטרונים, אז בתוכו יש שלושה חלקיקים בעלי מטען חיובי. הם נקראים פרוטונים. ליסודות אחרים אין מטען חשמלי - נויטרונים.

מסות הפרוטון והנייטרון שוות בערך. לשני החלקיקים משקל גדול בהרבה מאלקטרון. m_proton ≈ 1837m_{el. כך גם לגבי מסת הנייטרון. מכאן נובעת המסקנה: משקלם של חלקיקים בעלי מטען חיובי וניטרלי הוא גורם הקובע את המסה של אטום. לפרוטונים ולנייטרונים יש שם נפוץ - נוקלונים. משקלו של אטום נקבע על פי מספרם, הנקרא מספר המסה של הגרעין. ציינו את מספר האלקטרונים באטום באות z, אך מכיוון שהוא ניטרלי, מספר החלקיקים החיוביים והשליליים חייב להתאים. לכן, z נקרא גם הפרוטון או מספר המטען.}

אם אנחנו יודעים את המסה והמטען, אז נוכל למצוא את מספר הנייטרונים N. N=A - z. איך לגלות כמה נוקלונים ופרוטונים יש בגרעין? מסתבר שבטבלה המחזורית, ליד כל יסוד, יש מספר שהכימאים קוראים לו המסה האטומית היחסית.

אם נעסוף את זה למעלה, לא נקבל יותר מאשרמספר מסה או מספר הגרעינים בגרעין (A). המספר האטומי של יסוד הוא מספר הפרוטונים (z). לדעת A ו-z, קל למצוא את N - מספר הנייטרונים. אם האטום הוא ניטרלי, אז מספר האלקטרונים והפרוטונים שווה.

איזוטופים

ישנם זנים של הגרעין שבהם מספר הפרוטונים זהה, אך מספר הנייטרונים עשוי להיות שונה (כלומר אותו יסוד כימי). הם נקראים איזוטופים. בטבע, אטומים מסוגים שונים מעורבבים, ולכן כימאים מודדים את המסה הממוצעת. לכן בטבלה המחזורית המשקל היחסי של אטום הוא תמיד מספר חלקי. בואו נבין מה קורה לאטום ניטרלי אם מסירים ממנו אלקטרון או להיפך, מניחים אחד נוסף.

יונים

שקול אטום ליתיום ניטרלי. יש גרעין, שני אלקטרונים ממוקמים על קליפה אחת ושלושה על השני. אם ניקח אחד מהם, נקבל גרעין מטען חיובי. q_cores =3rd. אלקטרונים מפצים רק שניים משלושת המטענים היסודיים, ואנו מקבלים יון חיובי. הוא מסומן באופן הבא: Li⁺. יון הוא אטום שמספר האלקטרונים בו קטן או גדול ממספר הפרוטונים בגרעין. במקרה הראשון, מדובר ביון חיובי. אם נוסיף אלקטרון נוסף, אז יהיו ארבעה מהם, ונקבל יון שלילי (Li^{-). כזו היא הפיזיקה של מבנה החומר. אז, אטום ניטרלי שונה מיון בכך שהאלקטרונים שבו מפצים לחלוטין על מטען הגרעין.}