คุณสมบัติของสสารจำนวนมากยังคงเป็นความลับสำหรับนักวิจัยมาเป็นเวลานาน ทำไมสารบางชนิดนำไฟฟ้าได้ดีในขณะที่บางชนิดทำไม่ได้? ทำไมเหล็กจึงค่อยๆ สลายตัวภายใต้อิทธิพลของบรรยากาศ ในขณะที่โลหะมีตระกูลได้รับการเก็บรักษาไว้อย่างดีเป็นเวลาหลายพันปี? หลายคำถามเหล่านี้ได้รับคำตอบหลังจากที่คนๆ หนึ่งได้ตระหนักถึงโครงสร้างของอะตอม: โครงสร้างของมัน จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละชั้นของอิเล็กตรอน ยิ่งไปกว่านั้น การเรียนรู้แม้แต่พื้นฐานของโครงสร้างนิวเคลียสของอะตอมได้เปิดศักราชใหม่ให้กับโลก
อิฐมวลเบาของสสารที่สร้างขึ้นจากองค์ประกอบใด มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร เราเรียนรู้อะไรจากสิ่งนี้ได้บ้าง
โครงสร้างของอะตอมในมุมมองของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มักจะยึดติดกับแบบจำลองดาวเคราะห์ของโครงสร้างของสสาร ตามแบบจำลองนี้ ที่ศูนย์กลางของแต่ละอะตอมจะมีนิวเคลียสซึ่งเล็กมากเมื่อเทียบกับอะตอม (มีขนาดเล็กกว่าทั้งหมดหลายหมื่นเท่าอะตอม). แต่สิ่งเดียวกันนี้ไม่สามารถพูดได้เกี่ยวกับมวลของนิวเคลียส มวลของอะตอมเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส นิวเคลียสมีประจุบวก
อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสในวงโคจรที่แตกต่างกัน ไม่ใช่วงกลม เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ แต่เป็นสามมิติ (ทรงกลมและปริมาตรแปด) จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมมีค่าเท่ากับประจุของนิวเคลียส แต่มันยากมากที่จะถือว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่ไปตามวิถีบางอย่าง
วงโคจรของมันเล็ก และความเร็วเกือบจะเหมือนกับลำแสง ดังนั้นการพิจารณาอิเล็กตรอนร่วมกับวงโคจรของมันในฐานะทรงกลมที่มีประจุลบจึงเป็นสิ่งที่ถูกต้องกว่า
สมาชิกในตระกูลนิวเคลียร์
อะตอมทั้งหมดประกอบด้วยองค์ประกอบ 3 อย่าง: โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน
โปรตอนเป็นวัสดุก่อสร้างหลักของนิวเคลียส น้ำหนักของมันเท่ากับหน่วยอะตอม (มวลของอะตอมไฮโดรเจน) หรือ 1.67 ∙ 10-27 kg ในระบบ SI อนุภาคมีประจุบวก และประจุของมันถูกนำมาเป็นหน่วยในระบบของประจุไฟฟ้าเบื้องต้น
นิวตรอนเป็นมวลแฝดของโปรตอน แต่ไม่มีประจุแต่อย่างใด
สองอนุภาคข้างต้นเรียกว่านิวไคลด์
อิเล็กตรอนอยู่ตรงข้ามกับโปรตอนที่มีประจุ (ประจุพื้นฐานคือ −1) แต่ในแง่ของน้ำหนัก อิเล็กตรอนทำให้เราผิดหวัง มีมวลเพียง 9, 12 ∙ 10-31 kg ซึ่งเบากว่าโปรตอนหรือนิวตรอนเกือบ 2 พันเท่า
"มองเห็น" ได้อย่างไร
คุณเห็นโครงสร้างของอะตอมได้อย่างไร ถ้าแม้แต่วิธีการทางเทคนิคที่ทันสมัยที่สุดก็ไม่อนุญาตและในระยะสั้นจะไม่อนุญาตให้ได้ภาพของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ นักวิทยาศาสตร์รู้จำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนในนิวเคลียสและตำแหน่งของพวกมันได้อย่างไร
สมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างดาวเคราะห์ของอะตอมเกิดจากผลของการทิ้งระเบิดของโลหะฟอยล์บางๆ ที่มีอนุภาคต่างๆ รูปแสดงให้เห็นชัดเจนว่าอนุภาคมูลฐานต่างๆ มีปฏิสัมพันธ์กับสสารอย่างไร
จำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านโลหะในการทดลองมีค่าเท่ากับศูนย์ นี่เป็นคำอธิบายง่ายๆ: อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะถูกขับออกจากเปลือกอิเล็กตรอนของโลหะซึ่งมีประจุเป็นลบด้วย
ลำแสงโปรตอน (ประจุ +) ทะลุผ่านแผ่นฟอยล์ แต่มี "การสูญเสีย" บางอันถูกนิวเคลียสที่ขวางทางผลัก (ความน่าจะเป็นของการโจมตีดังกล่าวมีน้อยมาก) บางอันเบี่ยงเบนไปจากวิถีเดิม บินใกล้กับนิวเคลียสอันใดอันหนึ่งมากเกินไป
นิวตรอน "มีประสิทธิภาพ" มากที่สุดในแง่ของการเอาชนะโลหะ อนุภาคที่มีประจุเป็นกลางจะหายไปเฉพาะในกรณีที่เกิดการชนโดยตรงกับแกนกลางของสาร ในขณะที่นิวตรอน 99.99% ผ่านความหนาของโลหะได้สำเร็จ อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปได้ที่จะคำนวณขนาดของนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีบางตัวตามจำนวนนิวตรอนที่อินพุตและเอาต์พุต
จากข้อมูลที่ได้รับ ทฤษฎีที่โดดเด่นในปัจจุบันของโครงสร้างของสสารถูกสร้างขึ้น ซึ่งอธิบายปัญหาส่วนใหญ่ได้สำเร็จ
อะไรและเท่าไหร่
จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมขึ้นอยู่กับเลขอะตอม ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจนธรรมดามีเพียงหนึ่งโปรตอน อิเล็กตรอนตัวเดียวโคจรรอบ องค์ประกอบถัดไปของตารางธาตุ ฮีเลียม ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอน 2 ตัว จึงทำให้มีมวลอะตอมเท่ากับ 4.
ด้วยการเติบโตของหมายเลขซีเรียล ขนาดและมวลของอะตอมก็จะเพิ่มขึ้น หมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบทางเคมีในตารางธาตุสอดคล้องกับประจุของนิวเคลียส (จำนวนโปรตอนในนั้น) จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอน ตัวอย่างเช่น อะตอมตะกั่ว (เลขอะตอม 82) มีโปรตอน 82 ตัวในนิวเคลียส มีอิเล็กตรอนอยู่ 82 ตัวในวงโคจรรอบนิวเคลียส ในการคำนวณจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส ก็เพียงพอที่จะลบจำนวนโปรตอนออกจากมวลอะตอม:
207 – 82=125.
ทำไมเลขเท่ากันตลอด
ทุกระบบในจักรวาลของเรามุ่งมั่นเพื่อความมั่นคง เมื่อนำไปใช้กับอะตอม สิ่งนี้จะแสดงออกมาในความเป็นกลางของมัน หากเป็นวินาทีที่เราคิดว่าอะตอมทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้นในจักรวาลมีประจุที่มีขนาดต่างกันและมีเครื่องหมายต่างกัน ใครจะจินตนาการได้ว่าความโกลาหลจะเกิดขึ้นในโลกนี้เป็นอย่างไร
แต่เนื่องจากจำนวนของโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากัน ประจุทั้งหมดของ "อิฐ" แต่ละตัวจึงเป็นศูนย์
จำนวนนิวตรอนในอะตอมเป็นค่าอิสระ นอกจากนี้ อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันสามารถมีจำนวนอนุภาคเหล่านี้แตกต่างกันโดยมีประจุเป็นศูนย์ ตัวอย่าง:
- 1 โปรตอน + 1 อิเล็กตรอน + 0 นิวตรอน=ไฮโดรเจน (มวลอะตอม 1);
- 1 โปรตอน + 1 อิเล็กตรอน + 1 นิวตรอน=ดิวเทอเรียม (มวลอะตอม 2);
- 1 โปรตอน + 1 อิเล็กตรอน + 2นิวตรอน=ทริเทียม (มวลอะตอม 3).
ในกรณีนี้ จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมไม่เปลี่ยนแปลง อะตอมยังคงเป็นกลาง มวลของอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลง การแปรผันขององค์ประกอบทางเคมีดังกล่าวเรียกว่าไอโซโทป
อะตอมเป็นกลางเสมอ
ไม่ จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมไม่เท่ากับจำนวนโปรตอนเสมอไป หากไม่สามารถ "ดึงอิเล็กตรอน" หนึ่งหรือสองตัวออกจากอะตอมได้ชั่วขณะหนึ่ง ก็จะไม่มีการชุบสังกะสี อะตอมสามารถได้รับอิทธิพลได้
ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าแรงเพียงพอจากชั้นนอกของอะตอม อิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปสามารถ "บินหนีไป" ในกรณีนี้ อนุภาคของสารจะหยุดเป็นกลางและเรียกว่าไอออน มันสามารถเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลว ถ่ายโอนประจุไฟฟ้าจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอิเล็กโทรดอื่น ด้วยวิธีนี้ ประจุไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ และฟิล์มที่บางที่สุดของโลหะบางชนิดจะถูกนำไปใช้กับพื้นผิวอื่นๆ (การชุบทอง การชุบเงิน การชุบโครเมียม การชุบนิกเกิล ฯลฯ)
จำนวนอิเล็กตรอนก็ไม่เสถียรในโลหะเช่นกัน - ตัวนำของกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนของชั้นนอกเหมือนกับที่มันเป็น เดินจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอม ถ่ายเทพลังงานไฟฟ้าผ่านตัวนำ