Նյութի կառուցվածքի ֆիզիկա. Բացահայտումներ. Փորձարկումներ. Հաշվարկներ

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Նյութի կառուցվածքի ֆիզիկան առաջին անգամ լրջորեն ուսումնասիրվել է Ջոզեֆ Ջ. Թոմսոնի կողմից: Այնուամենայնիվ, շատ հարցեր մնացին անպատասխան։ Որոշ ժամանակ անց Է. Ռադերֆորդը կարողացավ ձևակերպել ատոմի կառուցվածքի մոդելը։ Հոդվածում մենք կքննարկենք փորձը, որը նրան հանգեցրել է բացահայտմանը: Քանի որ նյութի կառուցվածքը ֆիզիկայի դասերի ամենահետաքրքիր թեմաներից մեկն է, մենք կվերլուծենք դրա հիմնական ասպեկտները: Մենք սովորում ենք, թե ինչից է բաղկացած ատոմը, սովորում ենք, թե ինչպես գտնել նրա մեջ էլեկտրոնների, պրոտոնների, նեյտրոնների քանակը։ Ծանոթանանք իզոտոպների և իոնների հասկացությանը։

Էլեկտրոնի հայտնաբերում

1897 թվականին անգլիացի գիտնական Ջոզեֆ Ջոն Թոմսոնը (նրա դիմանկարը կարելի է տեսնել ստորև) ուսումնասիրել է էլեկտրական հոսանքը, այսինքն՝ գազերում լիցքերի ուղղորդված շարժումը։ Այն ժամանակ ֆիզիկան արդեն գիտեր նյութի մոլեկուլային կառուցվածքի մասին։ Հայտնի էր, որ բոլոր մարմինները կազմված են նյութից, որը կազմված է մոլեկուլներից, իսկ վերջիններս՝ ատոմներից։

Թոմսոնը հայտնաբերել է, որ որոշակի պայմաններում գազի ատոմներն արձակում են բացասական լիցք ունեցող մասնիկներ (q_{el <0): Դրանք կոչվում են էլեկտրոններ: Ատոմը չեզոք է, ինչը նշանակում է, որ եթե էլեկտրոնները դուրս են թռչում դրանից, ապա այնտեղ պետք է պարունակվեն նաև դրական մասնիկներ։ Ո՞ր մասն է կազմում ատոմի «+» նշանը: Ինչպե՞ս է այն փոխազդում բացասական լիցքավորված էլեկտրոնի հետ: Ինչն է որոշում ատոմի զանգվածը: Մեկ այլ գիտնական կարող է պատասխանել այս բոլոր հարցերին:}

Ռադերֆորդի փորձ

1911 թվականին ֆիզիկան արդեն տիրապետում էր նյութի կառուցվածքի մասին նախնական տեղեկատվությանը: Էռնեստ Ռադերֆորդը հայտնաբերել է այն, ինչ մենք այսօր անվանում ենք ատոմային միջուկ։

Կան նյութեր, որոնք ունեն տարօրինակ հատկություն՝ նրանք ինքնաբուխ արտանետում են տարբեր մասնիկներ՝ և՛ դրական, և՛ բացասական: Նման նյութերը կոչվում են ռադիոակտիվ: Դրական լիցքավորված տարրերը Ռադերֆորդն անվանել է ալֆա մասնիկներ (α-մասնիկներ):

Նրանք ունեն «+» լիցք, որը հավասար է երկու տարրական լիցքերի (q_{α=+2e): Տարրերի զանգվածը մոտավորապես հավասար է ջրածնի ատոմի չորս զանգվածին։ Ռադերֆորդը վերցրեց ռադիոակտիվ պատրաստուկ, որն արձակում է ալֆա մասնիկներ և ռմբակոծեց ոսկու բարակ թաղանթը (փայլաթիթեղը) դրանց հոսքով։}

Նա պարզեց, որ α-տարրերի մեծ մասը հազիվ է փոխում իրենց ուղղությունը մետաղի ատոմների միջով անցնելիս: Բայց շատ քչերն են, որ հետ են շեղվում։ Ինչու է դա տեղի ունենում: Իմանալով նյութի կառուցվածքի ֆիզիկան՝ կարող ենք պատասխանել՝ քանի որ ներսումոսկու ատոմները, ինչպես ցանկացած այլ, կան դրական տարրեր, որոնք վանում են ալֆա մասնիկները: Բայց ինչո՞ւ է դա տեղի ունենում միայն շատ քիչ տարրերի դեպքում: Քանի որ ատոմի դրական լիցքավորված մասի չափը շատ ավելի փոքր է, քան ինքն իրեն։ Ռադերֆորդը եկել է այս եզրակացության. Նա ատոմի դրական լիցքավորված մասը անվանեց միջուկ։

Ատոմի սարքը

Նյութի կառուցվածքի ֆիզիկա. Մոլեկուլները կազմված են ատոմներից, որոնք պարունակում են դրական լիցքավորված փոքրիկ հատված (միջուկ), որը շրջապատված է էլեկտրոններով: Ատոմի չեզոքությունը բացատրվում է նրանով, որ էլեկտրոնների ընդհանուր բացասական լիցքը հավասար է դրականին՝ միջուկին։ q_core + q_{el=0. Ինչու՞ էլեկտրոնները չեն ընկնում միջուկի վրա, քանի որ դրանք ձգվում են: Այս հարցին պատասխանելու համար Ռադերֆորդն առաջարկեց, որ նրանք պտտվեն այնպես, ինչպես մոլորակները շարժվում են Արեգակի շուրջ և չեն բախվում նրա հետ։ Հենց շարժումն է թույլ տալիս այս համակարգին կայուն լինել։ Ռադերֆորդի ատոմի մոդելը կոչվում է մոլորակային:}

Եթե ատոմը չեզոք է, և նրանում էլեկտրոնների թիվը պետք է լինի ամբողջ, ապա միջուկի լիցքը գումարած նշանով հավասար է այս արժեքին։ q_{միջուկներ}=+ze. z-ը չեզոք ատոմի էլեկտրոնների թիվն է: Այս դեպքում ընդհանուր վճարը զրո է: Ինչպե՞ս գտնել ատոմի էլեկտրոնների թիվը: Դուք պետք է օգտագործեք տարրերի պարբերական աղյուսակը: Ատոմի չափերը 10^-10 մ կարգի են, իսկ միջուկները 100 հազար անգամ փոքր են՝ 10^{-15 մ.}

Պատկերացնենք, որ միջուկի չափը հասցրինք 1 մետրի։ Պինդում ատոմների միջև հեռավորությունը մոտավորապես հավասար է իրենց չափերին, ինչը նշանակում է, որ չափերըկաճի մինչև 105, որը 100 կմ է: Այսինքն՝ ատոմը գործնականում դատարկ է, ինչի պատճառով ալֆա մասնիկները հիմնականում թռչում են փայլաթիթեղի միջով՝ գրեթե առանց շեղումների։

Միջուկի կառուցվածքը

Նյութի կառուցվածքի ֆիզիկան այնպիսին է, որ միջուկը բաղկացած է երկու տեսակի մասնիկներից: Դրանցից մի քանիսը դրական լիցքավորված են։ Եթե դիտարկենք մի ատոմ, որն ունի երեք էլեկտրոն, ապա դրա ներսում կան երեք դրական լիցք ունեցող մասնիկներ։ Դրանք կոչվում են պրոտոններ։ Մյուս տարրերը չունեն էլեկտրական լիցք՝ նեյտրոններ։

Պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածները մոտավորապես հավասար են։ Երկու մասնիկներն էլ էլեկտրոնից շատ ավելի մեծ կշիռ ունեն։ m_պրոտոն ≈ 1837m_{el: Նույնը վերաբերում է նեյտրոնի զանգվածին։ Դրանից բխում է եզրակացությունը՝ դրական և չեզոք լիցքավորված մասնիկների կշիռը գործոն է, որը որոշում է ատոմի զանգվածը։ Պրոտոններն ու նեյտրոններն ունեն ընդհանուր անվանում՝ նուկլոններ։ Ատոմի կշիռը որոշվում է նրանց թվով, որը կոչվում է միջուկի զանգվածային թիվ։ Մենք ատոմի էլեկտրոնների թիվը նշանակեցինք z տառով, բայց քանի որ այն չեզոք է, դրական և բացասական մասնիկների թիվը պետք է համապատասխանի: Հետևաբար, z-ն կոչվում է նաև պրոտոն կամ լիցքի թիվ։}

Եթե մենք գիտենք զանգվածը և լիցքի թիվը, ապա կարող ենք գտնել նեյտրոնների թիվը N. N=A - z: Ինչպե՞ս պարզել, թե քանի նուկլոն և պրոտոն կա միջուկում: Պարզվում է, որ պարբերական համակարգում յուրաքանչյուր տարրի կողքին կա մի թիվ, որը քիմիկոսներն անվանում են հարաբերական ատոմային զանգված։

Եթե այն կլորացնենք, մենք ոչ ավելին կստանանք, քանզանգվածային թիվը կամ միջուկի նուկլոնների թիվը (A): Տարրի ատոմային թիվը պրոտոնների թիվն է (z): Իմանալով A-ն և z-ը՝ հեշտ է գտնել N՝ նեյտրոնների թիվը: Եթե ատոմը չեզոք է, ապա էլեկտրոնների և պրոտոնների թիվը հավասար է։

Իզոտոպներ

Կան միջուկի տեսակներ, որոնցում պրոտոնների թիվը նույնն է, բայց նեյտրոնների թիվը կարող է տարբեր լինել (նկատի ունի նույն քիմիական տարրը): Դրանք կոչվում են իզոտոպներ։ Բնության մեջ տարբեր տեսակի ատոմները խառնվում են, ուստի քիմիկոսները չափում են միջին զանգվածը։ Այդ իսկ պատճառով պարբերական համակարգում ատոմի հարաբերական քաշը միշտ կոտորակային թիվ է։ Եկեք պարզենք, թե ինչ է տեղի ունենում չեզոք ատոմի հետ, եթե նրանից էլեկտրոն հանվի կամ, ընդհակառակը, տեղադրվի լրացուցիչ:

Իոններ

Դիտարկենք չեզոք լիթիումի ատոմ: Կա միջուկ, մի թաղանթի վրա գտնվում են երկու էլեկտրոն, մյուսում՝ երեքը։ Եթե վերցնենք դրանցից մեկը, ապա կստանանք դրական լիցքավորված միջուկ։ q_{միջուկներ} =3-րդ. Էլեկտրոնները փոխհատուցում են երեք տարրական լիցքերից միայն երկուսը, և մենք ստանում ենք դրական իոն։ Այն նշանակված է հետևյալ կերպ. Li⁺: Իոնը ատոմ է, որի էլեկտրոնների թիվը փոքր է կամ մեծ է, քան միջուկի պրոտոնների թիվը։ Առաջին դեպքում դա դրական իոն է։ Եթե ավելացնենք լրացուցիչ էլեկտրոն, ապա դրանք կլինեն չորսը, և մենք կստանանք բացասական իոն (Li^{-): Այսպիսին է նյութի կառուցվածքի ֆիզիկան։ Այսպիսով, չեզոք ատոմը տարբերվում է իոնից նրանով, որ դրանում գտնվող էլեկտրոնները լիովին փոխհատուցում են միջուկի լիցքը։}