ฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสาร การค้นพบ การทดลอง การคำนวณ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสารได้รับการศึกษาอย่างจริงจังครั้งแรกโดยโจเซฟ เจ. ทอมสัน อย่างไรก็ตาม คำถามมากมายยังคงไม่ได้รับคำตอบ ในเวลาต่อมา อี. รัทเทอร์ฟอร์ดสามารถสร้างแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมได้ ในบทความเราจะพิจารณาถึงประสบการณ์ที่ทำให้เขาค้นพบ เนื่องจากโครงสร้างของสสารเป็นหัวข้อที่น่าสนใจที่สุดในบทเรียนฟิสิกส์ เราจะวิเคราะห์ประเด็นสำคัญๆ เราเรียนรู้ว่าอะตอมประกอบด้วยอะไร เรียนรู้วิธีหาจำนวนอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอนในนั้น มาทำความรู้จักกับแนวคิดของไอโซโทปและไอออนกัน

การค้นพบอิเล็กตรอน

ในปี พ.ศ. 2440 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน (สามารถดูภาพเหมือนของเขาด้านล่าง) ได้ศึกษากระแสไฟฟ้า นั่นคือ การเคลื่อนที่โดยตรงของประจุในก๊าซ ในเวลานั้น ฟิสิกส์รู้เกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลของสสารแล้ว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยสสารซึ่งทำจากโมเลกุลและส่วนหลังประกอบด้วยอะตอม

ทอมสันค้นพบว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ อะตอมของก๊าซจะปล่อยอนุภาคที่มีประจุลบ (q_{el <0) พวกมันถูกเรียกว่าอิเล็กตรอน อะตอมนั้นเป็นกลาง ซึ่งหมายความว่าหากอิเล็กตรอนหลุดออกจากมัน ก็จะต้องมีอนุภาคบวกอยู่ที่นั่นด้วย ส่วนใดของอะตอมที่มีเครื่องหมาย "+" มันมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบอย่างไร? อะไรเป็นตัวกำหนดมวลของอะตอม? นักวิทยาศาสตร์อีกคนสามารถตอบคำถามเหล่านี้ได้}

การทดลองของรัทเธอร์ฟอร์ด

ในปี 1911 ฟิสิกส์มีข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารอยู่แล้ว Ernest Rutherford ค้นพบสิ่งที่เราทุกวันนี้เรียกว่านิวเคลียสของอะตอม

มีสิ่งที่มีคุณสมบัติแปลก ๆ: พวกมันปล่อยอนุภาคต่าง ๆ ตามธรรมชาติทั้งบวกและลบ สารดังกล่าวเรียกว่ากัมมันตภาพรังสี ธาตุที่มีประจุบวก รัทเทอร์ฟอร์ดเรียกว่าอนุภาคแอลฟา (อนุภาคแอลฟา)

พวกเขามี "+" ชาร์จเท่ากับสองค่าบริการพื้นฐาน (q_{α=+2e) น้ำหนักของธาตุนั้นประมาณเท่ากับมวลสี่อะตอมของไฮโดรเจน รัทเทอร์ฟอร์ดเตรียมสารกัมมันตภาพรังสีซึ่งปล่อยอนุภาคแอลฟาและยิงฟิล์มทองคำบางๆ (ฟอยล์) ด้วยลำธารของพวกมัน}

เขาพบว่าองค์ประกอบ α ส่วนใหญ่แทบจะไม่เปลี่ยนทิศทางเมื่อผ่านอะตอมของโลหะ แต่มีน้อยคนนักที่จะหันหลังกลับ ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เมื่อรู้ฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสาร เราตอบได้ เพราะภายในอะตอมของทองคำก็เช่นเดียวกัน มีองค์ประกอบเชิงบวกที่ขับไล่อนุภาคแอลฟา แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้นกับองค์ประกอบเพียงเล็กน้อยเท่านั้น? เนื่องจากขนาดของส่วนที่มีประจุบวกของอะตอมนั้นเล็กกว่าตัวมันเองมาก รัทเทอร์ฟอร์ดมาถึงข้อสรุปนี้ เขาเรียกส่วนที่มีประจุบวกของอะตอมว่านิวเคลียส

อุปกรณ์ของอะตอม

ฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสาร: โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีส่วนเล็กๆ ที่มีประจุบวก (นิวเคลียส) ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน ความเป็นกลางของอะตอมอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าประจุลบทั้งหมดของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับบวก - นิวเคลียส q_core + q_{el=0. ทำไมอิเล็กตรอนไม่ตกบนนิวเคลียสเพราะถูกดึงดูด? เพื่อตอบคำถามนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดแนะนำว่าพวกมันหมุนเหมือนดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์และไม่ชนกับมัน เป็นการเคลื่อนไหวที่ทำให้ระบบนี้มีเสถียรภาพ แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดเรียกว่าดาวเคราะห์}

ถ้าอะตอมเป็นกลาง และจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมต้องเป็นจำนวนเต็ม ประจุของนิวเคลียสจะเท่ากับค่านี้โดยมีเครื่องหมายบวก q_cores=+ze. z คือจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะเป็นศูนย์ จะหาจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมได้อย่างไร? คุณต้องใช้ตารางธาตุ อะตอมมีมิติเท่ากับ 10^-10 ม. และนิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่า 100,000 เท่า - 10^{-15 m.}

ลองนึกภาพว่าเราเพิ่มขนาดของแกนเป็น 1 เมตร ในของแข็ง ระยะห่างระหว่างอะตอมจะเท่ากับขนาดของตัวมันเองโดยประมาณ ซึ่งหมายความว่ามิติจะเพิ่มขึ้นเป็น 105 ซึ่งก็คือ 100 กม. นั่นคือ อะตอมว่างเปล่าในทางปฏิบัติ ซึ่งเป็นสาเหตุที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่บินผ่านฟอยล์โดยแทบไม่มีการโก่งตัว

โครงสร้างของนิวเคลียส

ฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสารนั้นนิวเคลียสประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด บางส่วนของพวกเขามีประจุบวก หากเราพิจารณาอะตอมที่มีอิเล็กตรอนสามตัว ข้างในนั้นจะมีอนุภาคสามตัวที่มีประจุบวก พวกมันถูกเรียกว่าโปรตอน องค์ประกอบอื่นไม่มีประจุไฟฟ้า - นิวตรอน

มวลของโปรตอนและนิวตรอนมีค่าเท่ากันโดยประมาณ อนุภาคทั้งสองมีน้ำหนักมากกว่าอิเล็กตรอนมาก m_{โปรตอน} ≈ 1837m_{el. เช่นเดียวกับมวลของนิวตรอน ข้อสรุปดังต่อไปนี้: น้ำหนักของอนุภาคที่มีประจุบวกและเป็นกลางเป็นปัจจัยที่กำหนดมวลของอะตอม โปรตอนและนิวตรอนมีชื่อสามัญว่านิวคลีออน น้ำหนักของอะตอมถูกกำหนดโดยจำนวนซึ่งเรียกว่าเลขมวลของนิวเคลียส เราระบุจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมด้วยตัวอักษร z แต่เนื่องจากเป็นกลาง จำนวนของอนุภาคบวกและลบจึงต้องตรงกัน ดังนั้น z จึงถูกเรียกว่าโปรตอนหรือหมายเลขประจุ}

ถ้าเราทราบมวลและจำนวนประจุ เราจะสามารถหาจำนวนนิวตรอนได้ N. N=A - z. จะทราบได้อย่างไรว่ามีนิวเคลียสและโปรตอนอยู่ในนิวเคลียสกี่ตัว? ปรากฎว่าในตารางธาตุ ข้างๆ แต่ละธาตุ มีตัวเลขที่นักเคมีเรียกว่ามวลอะตอมสัมพัทธ์

ถ้าปัดขึ้นจะได้อะไรมากกว่าเลขมวลหรือจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส (A) เลขอะตอมของธาตุคือจำนวนโปรตอน (z) เมื่อทราบ A และ z แล้ว จะหา N - จำนวนนิวตรอนได้ง่าย ถ้าอะตอมเป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนจะเท่ากัน

ไอโซโทป

นิวเคลียสมีหลายแบบซึ่งจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกัน (หมายถึงองค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน) พวกเขาเรียกว่าไอโซโทป โดยธรรมชาติแล้ว อะตอมของชนิดต่างๆ จะผสมกัน ดังนั้นนักเคมีจึงวัดมวลเฉลี่ย นั่นคือเหตุผลที่ในตารางธาตุน้ำหนักสัมพัทธ์ของอะตอมจึงเป็นจำนวนเศษส่วนเสมอ มาดูกันว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับอะตอมที่เป็นกลางถ้าอิเล็กตรอนถูกดึงออกจากมัน หรือในทางกลับกัน จะมีการใส่อิเล็กตรอนพิเศษเข้าไป

ไอออน

พิจารณาอะตอมลิเธียมที่เป็นกลาง มีนิวเคลียสหนึ่งอิเล็กตรอนสองตัวอยู่บนเปลือกหนึ่งและอีกสามตัวอยู่บนเปลือกอื่น ถ้าเราเอาตัวใดตัวหนึ่งออกไป เราก็จะได้นิวเคลียสที่มีประจุบวก q_cores =ที่ 3 อิเล็กตรอนชดเชยประจุพื้นฐานเพียงสองในสามประจุ และเราจะได้ไอออนบวก ถูกกำหนดดังนี้: Li⁺ ไอออนเป็นอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยกว่าหรือมากกว่าจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ในกรณีแรกมันเป็นไอออนบวก ถ้าเราเพิ่มอิเล็กตรอนพิเศษเข้าไป จะมีสี่อิเล็กตรอน และเราจะได้รับไอออนลบ (Li^{-) นั่นคือฟิสิกส์ของโครงสร้างของสสาร ดังนั้น อะตอมที่เป็นกลางจึงแตกต่างจากไอออนตรงที่อิเล็กตรอนในนั้นชดเชยประจุของนิวเคลียสอย่างสมบูรณ์}