Երկար ժամանակ նյութի շատ հատկություններ գաղտնիք էին մնում հետազոտողների համար: Ինչու՞ որոշ նյութեր լավ են փոխանցում էլեկտրականությունը, իսկ մյուսները՝ ոչ: Ինչո՞ւ է երկաթը աստիճանաբար քայքայվում մթնոլորտի ազդեցության տակ, մինչդեռ ազնիվ մետաղները հիանալի պահպանվում են հազարավոր տարիներ: Այս հարցերից շատերի պատասխանը տրվել է այն բանից հետո, երբ մարդն իմացել է ատոմի կառուցվածքի մասին՝ նրա կառուցվածքը, յուրաքանչյուր էլեկտրոնային շերտում էլեկտրոնների քանակը: Ավելին, ատոմային միջուկների կառուցվածքի նույնիսկ հիմունքներին տիրապետելը նոր դարաշրջան բացեց աշխարհի համար։
Ի՞նչ տարրերից է կառուցված նյութի տարրական աղյուսը, ինչպե՞ս են դրանք փոխազդում միմյանց հետ, ի՞նչ կարող ենք սովորել դրանից:
Ատոմի կառուցվածքը ժամանակակից գիտության տեսանկյունից
Ներկայումս, գիտնականների մեծ մասը հակված է հավատարիմ մնալ նյութի կառուցվածքի մոլորակային մոդելին: Ըստ այս մոդելի՝ յուրաքանչյուր ատոմի կենտրոնում կա միջուկ, որը նույնիսկ ատոմի համեմատ փոքր է (այն տասնյակ հազարավոր անգամ փոքր է ամբողջից։ատոմ): Բայց նույնը չի կարելի ասել միջուկի զանգվածի մասին։ Ատոմի գրեթե ողջ զանգվածը կենտրոնացած է միջուկում։ Միջուկը դրական լիցքավորված է։
Էլեկտրոնները միջուկի շուրջը պտտվում են տարբեր ուղեծրերով, ոչ թե շրջանաձև, ինչպես արեգակնային համակարգի մոլորակների դեպքում է, այլ եռաչափ (գնդիկներ և ծավալային ութերորդներ): Ատոմում էլեկտրոնների թիվը թվայինորեն հավասար է միջուկի լիցքին։ Բայց շատ դժվար է էլեկտրոնը դիտարկել որպես մասնիկ, որը շարժվում է ինչ-որ հետագծով:
Նրա ուղեծրը փոքր է, և արագությունը գրեթե նման է լույսի ճառագայթին, ուստի ավելի ճիշտ է էլեկտրոնն իր ուղեծրի հետ միասին դիտարկել որպես բացասական լիցքավորված գնդիկ։։
Միջուկային ընտանիքի անդամներ
Բոլոր ատոմները կազմված են 3 բաղադրիչ տարրերից՝ պրոտոններից, էլեկտրոններից և նեյտրոններից:
Պրոտոնը միջուկի հիմնական շինանյութն է։ Նրա քաշը հավասար է ատոմային միավորի (ջրածնի ատոմի զանգվածին) կամ 1,67 ∙ 10-27 կգ SI համակարգում։ Մասնիկը դրական լիցքավորված է, և դրա լիցքը տարրական էլեկտրական լիցքերի համակարգում ընդունվում է որպես միավոր։
Նեյտրոնը պրոտոնի զանգվածային երկվորյակն է, բայց ոչ մի կերպ լիցքավորված չէ:
Վերոհիշյալ երկու մասնիկները կոչվում են նուկլիդներ:
Էլեկտրոնը լիցքավորված պրոտոնի հակառակն է (տարրական լիցքը −1 է): Բայց քաշի առումով էլեկտրոնը մեզ թույլ տվեց, նրա զանգվածն ընդամենը 9 է, 12 ∙ 10-31 կգ, ինչը գրեթե 2 հազար անգամ ավելի թեթև է, քան պրոտոնը կամ նեյտրոնը:
Ինչպես «տեսավ»
Ինչպե՞ս կարող եք տեսնել ատոմի կառուցվածքը, եթե նույնիսկ ամենաժամանակակից տեխնիկական միջոցները թույլ չեն տալիս.և կարճաժամկետ հեռանկարում թույլ չի տա ստանալ իր բաղկացուցիչ մասնիկների պատկերները։ Ինչպե՞ս են գիտնականները իմացել միջուկում գտնվող պրոտոնների, նեյտրոնների և էլեկտրոնների քանակը և դրանց գտնվելու վայրը:
Ատոմների մոլորակային կառուցվածքի մասին ենթադրությունն արվել է բարակ մետաղական փայլաթիթեղի տարբեր մասնիկներով ռմբակոծության արդյունքների հիման վրա։ Նկարը հստակ ցույց է տալիս, թե ինչպես են տարբեր տարրական մասնիկներ փոխազդում նյութի հետ։
Փորձերում մետաղի միջով անցած էլեկտրոնների թիվը հավասար էր զրոյի: Սա բացատրվում է պարզ. բացասական լիցքավորված էլեկտրոնները վանվում են մետաղի էլեկտրոնային թաղանթներից, որոնք նույնպես ունեն բացասական լիցք։
Պրոտոնների ճառագայթը (լիցք +) անցել է փայլաթիթեղի միջով, բայց «կորուստներով»։ Ոմանք ետ են մղվել ճանապարհին խանգարող միջուկներով (նման հարվածների հավանականությունը շատ փոքր է), ոմանք շեղվել են սկզբնական հետագծից՝ շատ մոտ թռչելով միջուկներից մեկին։
Նեյտրոնները դարձան ամենաարդյունավետը մետաղի հաղթահարման առումով։ Չեզոք լիցքավորված մասնիկը կորել է միայն նյութի միջուկի հետ ուղղակի բախման դեպքում, մինչդեռ նեյտրոնների 99,99%-ը հաջողությամբ անցել է մետաղի հաստությամբ։ Ի դեպ, հնարավոր է եղել հաշվարկել որոշակի քիմիական տարրերի միջուկների չափը՝ ելնելով մուտքային և ելքային նեյտրոնների քանակից։
Ստացված տվյալների հիման վրա կառուցվել է նյութի կառուցվածքի ներկայիս գերիշխող տեսությունը, որը հաջողությամբ բացատրում է խնդիրների մեծ մասը։
Ինչ և որքան
Ատոմում էլեկտրոնների թիվը կախված է ատոմային թվից: Օրինակ, սովորական ջրածնի ատոմն ունիընդամենը մեկ պրոտոն: Մեկ էլեկտրոն պտտվում է ուղեծրի շուրջը: Պարբերական աղյուսակի հաջորդ տարրը՝ հելիումը, մի փոքր ավելի բարդ է։ Նրա միջուկը բաղկացած է երկու պրոտոնից և երկու նեյտրոնից և, հետևաբար, ունի 4 ատոմային զանգված։
Հերթական համարի աճով ատոմի չափն ու զանգվածը մեծանում են։ Պարբերական աղյուսակում քիմիական տարրի հերթական համարը համապատասխանում է միջուկի լիցքին (դրա մեջ գտնվող պրոտոնների քանակին): Ատոմում էլեկտրոնների թիվը հավասար է պրոտոնների թվին։ Օրինակ՝ կապարի ատոմը (ատոմային թիվ 82) իր միջուկում ունի 82 պրոտոն։ Միջուկի շուրջ պտտվում է 82 էլեկտրոն։ Միջուկում նեյտրոնների թիվը հաշվարկելու համար բավական է ատոմային զանգվածից հանել պրոտոնների թիվը՝
207 – 82=125.
Ինչու են միշտ հավասար թվեր
Մեր տիեզերքի յուրաքանչյուր համակարգ ձգտում է կայունության: Ինչպես կիրառվում է ատոմի նկատմամբ, սա արտահայտվում է նրա չեզոքությամբ: Եթե մի վայրկյան պատկերացնենք, որ Տիեզերքում առանց բացառության բոլոր ատոմներն ունեն տարբեր մեծությունների այս կամ այն լիցքը՝ տարբեր նշաններով, կարելի է պատկերացնել, թե ինչպիսի քաոս է լինելու աշխարհում։
Բայց քանի որ ատոմում պրոտոնների և էլեկտրոնների թիվը հավասար է, յուրաքանչյուր «աղյուսի» ընդհանուր լիցքը զրո է։
Ատոմում նեյտրոնների թիվը անկախ արժեք է: Ավելին, նույն քիմիական տարրի ատոմները կարող են ունենալ այդ մասնիկների տարբեր քանակ՝ զրոյական լիցքով։ Օրինակ՝
- 1 պրոտոն + 1 էլեկտրոն + 0 նեյտրոն=ջրածին (ատոմային զանգված 1);
- 1 պրոտոն + 1 էլեկտրոն + 1 նեյտրոն=դեյտերիում (ատոմային զանգված 2);
- 1 պրոտոն + 1 էլեկտրոն + 2նեյտրոն=տրիտում (ատոմային զանգված 3).
Այս դեպքում ատոմում էլեկտրոնների թիվը չի փոխվում, ատոմը մնում է չեզոք, նրա զանգվածը փոխվում է։ Քիմիական տարրերի նման տատանումները կոչվում են իզոտոպներ։
Ատոմը միշտ չեզոք է
Ոչ, ատոմի էլեկտրոնների թիվը միշտ չէ, որ հավասար է պրոտոնների թվին: Եթե մեկ կամ երկու էլեկտրոն չկարողանային որոշ ժամանակով «խլել» ատոմից, չէր լինի ցինկապատում: Ատոմը, ինչպես ցանկացած նյութ, կարող է ազդվել:
Ատոմի արտաքին շերտից բավական ուժեղ էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ մեկ կամ մի քանի էլեկտրոն կարող է «թռչել հեռու»։ Այս դեպքում նյութի մասնիկը դադարում է չեզոք լինել և կոչվում է իոն։ Այն կարող է շարժվել գազային կամ հեղուկ միջավայրում՝ էլեկտրական լիցքը փոխանցելով մի էլեկտրոդից մյուսը։ Այսպիսով, էլեկտրական լիցքը կուտակվում է մարտկոցներում, և որոշ մետաղների ամենաբարակ թաղանթները կիրառվում են մյուսների մակերեսների վրա (ոսկի, արծաթապատ, քրոմապատ, նիկելապատում և այլն):
Էլեկտրոնների թիվն անկայուն է նաև մետաղներում՝ էլեկտրական հոսանքի հաղորդիչներում։ Արտաքին շերտերի էլեկտրոնները, այսպես ասած, քայլում են ատոմից ատոմ՝ փոխանցելով էլեկտրական էներգիան հաղորդիչով։
