Зат құрылымының физикасын алғаш рет Джозеф Дж. Томсон байыпты зерттеген. Алайда көптеген сұрақтар жауапсыз қалды. Біраз уақыттан кейін Э. Резерфорд атом құрылысының моделін құрастыра алды. Мақалада біз оны ашуға әкелген тәжірибені қарастырамыз. Заттың құрылымы физика сабақтарындағы ең қызықты тақырыптардың бірі болғандықтан, оның негізгі аспектілерін талдаймыз. Атомның неден тұратынын білеміз, ондағы электрондардың, протондардың, нейтрондардың санын табуды үйренеміз. Изотоптар мен иондар ұғымымен танысайық.
Электронның ашылуы
1897 жылы ағылшын ғалымы Джозеф Джон Томсон (оның портретін төменде көруге болады) электр тогын, яғни газдардағы зарядтардың бағытталған қозғалысын зерттеді. Ол кезде физика материяның молекулалық құрылымы туралы бұрыннан білетін. Барлық денелер молекулалардан тұратын материядан, ал соңғылары атомдардан тұратыны белгілі болды.
Томсон белгілі бір жағдайларда газ атомдары теріс заряды бар бөлшектерді шығаратынын анықтады (qel <0). Олар электрондар деп аталады. Атом бейтарап, яғни одан электрондар ұшып кетсе, онда оң бөлшектер де болуы керек. «+» таңбасы бар атомның бөлігі қандай? Теріс зарядталған электронмен қалай әрекеттеседі? Атомның массасын не анықтайды? Бұл сұрақтардың барлығына басқа ғалым жауап бере алады.
Рутерфорд тәжірибесі
1911 жылы физика материяның құрылымы туралы алғашқы мәліметтерге ие болды. Эрнест Резерфорд бүгін атом ядросы деп атайтын нәрсені ашты.
Біртүрлі қасиетке ие заттар бар: олар өздігінен оң және теріс әртүрлі бөлшектерді шығарады. Мұндай заттар радиоактивті деп аталады. Оң зарядты элементтерді Резерфорд альфа бөлшектері (α-бөлшектер) деп атады.
Олардың екі элементар зарядқа тең "+" заряды бар (qα=+2e). Элементтердің салмағы шамамен сутегі атомының төрт массасына тең. Резерфорд альфа бөлшектерін шығаратын радиоактивті препаратты алып, олардың ағынымен жұқа алтын қабығын (фольга) бомбалады.
Ол α-элементтердің көпшілігі металл атомдары арқылы өткенде бағытын әрең өзгертетінін анықтады. Бірақ артқа қарай ауытқығандар өте аз. Неліктен бұл болып жатыр? Зат құрылымының физикасын біле отырып, біз жауап бере аламыз: өйткені ішіндеалтын атомдары, кез келген басқалар сияқты, альфа бөлшектерін итермелейтін оң элементтер бар. Бірақ неге бұл өте аз элементтермен ғана болады? Өйткені атомның оң зарядталған бөлігінің көлемі өзінен әлдеқайда кіші. Резерфорд осындай қорытындыға келді. Ол атомның оң зарядталған бөлігін ядро деп атады.
Атом құрылғысы
Зат құрылымының физикасы: Молекулалар атомдардан тұрады, олардың құрамында электрондармен қоршалған шағын оң зарядты бөлік (ядро) бар. Атомның бейтараптығы электрондардың жалпы теріс зарядының оң – ядроға тең болуымен түсіндіріледі. qөзегі + qel=0. Неліктен электрондар ядроға түспейді, өйткені олар тартылады? Бұл сұраққа жауап беру үшін Резерфорд олар планеталар Күнді айнала қозғалатын және онымен соқтығыспайтын сияқты айналуды ұсынды. Бұл жүйенің тұрақты болуына мүмкіндік беретін қозғалыс. Резерфордтың атом моделі планетарлық деп аталады.
Егер атом бейтарап болса және ондағы электрондар саны бүтін болуы керек болса, онда ядро заряды осы мәнге қосу таңбасымен тең болады. qөзектер=+ze. z – бейтарап атомдағы электрондар саны. Бұл жағдайда жалпы төлем нөлге тең болады. Атомдағы электрондардың санын қалай табуға болады? Элементтердің периодтық кестесін пайдалану керек. Атомның өлшемдері 10-10 м, ал ядролар 100 мың есе кіші – 10-15 м.
Өзек өлшемін 1 метрге дейін ұлғайттық деп елестетейік. Қатты денеде атомдар арасындағы қашықтық шамамен өздерінің өлшемдеріне тең, яғни өлшемдер105 дейін артады, бұл 100 км. Яғни, атом іс жүзінде бос, сондықтан альфа бөлшектері негізінен фольга арқылы еш ауытқусыз ұшады.
Ядроның құрылымы
Материя құрылымының физикасы ядро екі түрлі бөлшектерден тұратындай. Олардың кейбіреулері оң зарядталған. Үш электроны бар атомды қарастыратын болсақ, онда оның ішінде оң зарядты үш бөлшек бар. Оларды протондар деп атайды. Басқа элементтердің электр заряды жоқ - нейтрондар.
Протон мен нейтронның массалары шамамен тең. Екі бөлшектің де салмағы электроннан әлдеқайда үлкен. mпротон ≈ 1837mel. Бұл нейтронның массасына да қатысты. Бұдан шығатын қорытынды: оң және бейтарап зарядталған бөлшектердің салмағы атомның массасын анықтайтын фактор болып табылады. Протондар мен нейтрондардың жалпы атауы - нуклондар. Атомның салмағы олардың санымен анықталады, ол ядроның массалық саны деп аталады. Біз атомдағы электрондар санын z әрпімен белгіледік, бірақ ол бейтарап болғандықтан, оң және теріс бөлшектердің саны сәйкес болуы керек. Сондықтан z протон немесе заряд саны деп те аталады.
Егер біз масса мен заряд санын білсек, онда нейтрондар санын N табуға болады. N=A - z. Ядрода қанша нуклон мен протон бар екенін қалай білуге болады? Периодтық жүйеде әрбір элементтің жанында химиктер салыстырмалы атомдық масса деп атайтын сан бар екен.
Егер біз оны дөңгелетсек, одан артық ештеңе алмаймызмассалық саны немесе ядродағы нуклондар саны (А). Элементтің атомдық нөмірі протондар саны (z). А және z біле отырып, N - нейтрондар санын табу оңай. Егер атом бейтарап болса, онда электрондар мен протондар саны тең болады.
Изотоптар
Ядроның протондар саны бірдей, бірақ нейтрондар саны әртүрлі болуы мүмкін (бір химиялық элементті білдіреді) түрлері бар. Оларды изотоптар деп атайды. Табиғатта әртүрлі атомдар араласады, сондықтан химиктер орташа массаны өлшейді. Сондықтан периодтық жүйеде атомның салыстырмалы салмағы әрқашан бөлшек сан болып табылады. Бейтарап атомнан электрон алынып тасталса немесе керісінше қосымша орналасса, не болатынын анықтайық.
Иондар
Бейтарап литий атомын қарастырайық. Ядро бар, бір қабатта екі электрон, екіншісінде үш электрон орналасқан. Олардың біреуін алып тастасақ, оң зарядталған ядро аламыз. qөзектер =3-ші. Электрондар үш элементар зарядтың екеуін ғана өтейді және біз оң ион аламыз. Ол келесідей белгіленген: Li+. Ион - электрондар саны ядродағы протондар санынан аз немесе көп болатын атом. Бірінші жағдайда бұл оң ион. Егер қосымша электрон қоссақ, онда олардың төртеуі болады да, теріс ион аламыз (Li-). Зат құрылымының физикасы осындай. Сонымен, бейтарап атомның ионнан айырмашылығы ондағы электрондар ядро зарядын толығымен өтейді.
