Trong một thời gian dài, nhiều đặc tính của vật chất vẫn là một bí mật đối với các nhà nghiên cứu. Tại sao một số chất dẫn điện tốt, trong khi những chất khác thì không? Tại sao sắt dần bị phân hủy dưới tác động của khí quyển, trong khi các kim loại quý được bảo quản hoàn hảo qua hàng nghìn năm? Nhiều người trong số những câu hỏi này đã được trả lời sau khi một người biết về cấu trúc của nguyên tử: cấu trúc của nó, số lượng electron trong mỗi lớp electron. Hơn nữa, việc nắm vững ngay cả những kiến thức cơ bản về cấu trúc của hạt nhân nguyên tử đã mở ra một kỷ nguyên mới cho thế giới.
Từ những yếu tố nào là viên gạch cơ bản của vật chất được xây dựng, chúng tương tác với nhau như thế nào, chúng ta có thể học được gì từ điều này?
Cấu trúc của nguyên tử theo quan điểm của khoa học hiện đại
Hiện nay, hầu hết các nhà khoa học có xu hướng tuân theo mô hình hành tinh về cấu trúc của vật chất. Theo mô hình này, ở trung tâm của mỗi nguyên tử có một hạt nhân, thậm chí rất nhỏ so với nguyên tử (nó nhỏ hơn hàng chục nghìn lần so với toàn bộnguyên tử). Nhưng điều tương tự cũng không thể nói về khối lượng của hạt nhân. Hầu như tất cả khối lượng của nguyên tử đều tập trung ở hạt nhân. Hạt nhân mang điện tích dương.
Các electron quay xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo khác nhau, không phải là hình tròn, như trường hợp của các hành tinh trong hệ mặt trời, mà là ba chiều (hình cầu và khối lượng tám phần). Số electron trong nguyên tử bằng số điện tích của hạt nhân. Nhưng rất khó coi một electron là một hạt chuyển động dọc theo một quỹ đạo nào đó.
Quỹ đạo của nó rất nhỏ và tốc độ gần giống như tốc độ của một chùm ánh sáng, vì vậy sẽ đúng hơn nếu coi electron cùng với quỹ đạo của nó là một loại quả cầu mang điện tích âm.
Thành viên của gia đình hạt nhân
Tất cả các nguyên tử đều được tạo thành từ 3 nguyên tố cấu thành: proton, electron và neutron.
Proton là vật liệu xây dựng chính của hạt nhân. Trọng lượng của nó bằng một đơn vị nguyên tử (khối lượng của nguyên tử hydro) hoặc 1,67 ∙ 10-27kg trong hệ SI. Hạt mang điện tích dương, và điện tích của nó được coi là một đơn vị trong hệ thống các điện tích cơ bản.
neutron là khối song sinh của proton, nhưng không được tích điện theo bất kỳ cách nào.
Hai hạt trên được gọi là nuclêôtit.
Một electron là trái dấu của một proton mang điện tích (điện tích cơ bản là −1). Nhưng về trọng lượng, electron cho chúng ta biết, khối lượng của nó chỉ là 9, 12 ∙ 10-31kg, nhẹ hơn gần 2 nghìn lần so với proton hoặc neutron.
Nó được "nhìn thấy" như thế nào
Làm sao bạn có thể nhìn thấy cấu trúc của nguyên tử, nếu ngay cả những phương tiện kỹ thuật hiện đại nhất cũng không cho phépvà trong ngắn hạn sẽ không cho phép thu được hình ảnh của các hạt cấu thành của nó. Làm thế nào các nhà khoa học biết được số lượng proton, neutron và electron trong hạt nhân và vị trí của chúng?
Giả định về cấu trúc hành tinh của nguyên tử được đưa ra trên cơ sở kết quả của vụ bắn phá một lá kim loại mỏng với các hạt khác nhau. Hình vẽ cho thấy rõ ràng cách các hạt cơ bản khác nhau tương tác với vật chất.
Số êlectron chuyển qua kim loại trong các thí nghiệm bằng không. Điều này được giải thích đơn giản: các electron mang điện tích âm bị đẩy ra khỏi lớp vỏ electron của kim loại, lớp vỏ này cũng mang điện tích âm.
Chùm proton (điện tích +) xuyên qua lá mỏng, nhưng có "tổn thất". Một số bị đẩy lùi bởi các hạt nhân cản đường (xác suất của các cú đánh như vậy là rất nhỏ), một số bị lệch khỏi quỹ đạo ban đầu, bay quá gần một trong các hạt nhân.
Nơtron trở thành "hiệu quả" nhất trong việc khắc phục kim loại. Một hạt mang điện trung hòa chỉ bị mất trong trường hợp va chạm trực tiếp với lõi của chất đó, trong khi 99,99% số neutron đã đi qua thành công bề dày của kim loại. Nhân tiện, có thể tính toán kích thước hạt nhân của một số nguyên tố hóa học dựa trên số lượng neutron ở đầu vào và đầu ra.
Dựa trên dữ liệu thu được, lý thuyết thống trị hiện nay về cấu trúc của vật chất đã được xây dựng, lý thuyết này giải thích thành công hầu hết các vấn đề.
Cái gì và bao nhiêu
Số electron trong nguyên tử phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử. Ví dụ, một nguyên tử hydro thông thường cóchỉ một proton. Một êlectron độc thân đang quay quanh một quỹ đạo. Nguyên tố tiếp theo của bảng tuần hoàn, heli, phức tạp hơn một chút. Hạt nhân của nó bao gồm hai proton và hai neutron và do đó có khối lượng nguyên tử là 4.
Với sự tăng lên của số thứ tự, kích thước và khối lượng của nguyên tử cũng tăng lên. Số thứ tự của một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn tương ứng với điện tích của hạt nhân (số proton trong đó). Số electron trong nguyên tử bằng số proton. Ví dụ, một nguyên tử chì (số hiệu nguyên tử 82) có 82 proton trong hạt nhân của nó. Có 82 electron trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân. Để tính số nơtron trong hạt nhân, chỉ cần trừ số proton trong khối lượng nguyên tử:
207 - 82=125.
Tại sao luôn có những con số bằng nhau
Mọi hệ thống trong vũ trụ của chúng ta đều phấn đấu cho sự ổn định. Khi áp dụng cho nguyên tử, điều này được thể hiện ở tính trung lập của nó. Nếu trong một giây chúng ta tưởng tượng rằng tất cả các nguyên tử không có ngoại lệ trong Vũ trụ đều có một hoặc một điện tích khác có cường độ khác nhau với các dấu hiệu khác nhau, thì người ta có thể tưởng tượng loại hỗn loạn sẽ xảy ra trên thế giới.
Nhưng vì số proton và electron trong nguyên tử bằng nhau nên tổng điện tích của mỗi "viên gạch" bằng 0.
Số nơtron trong nguyên tử là một giá trị độc lập. Hơn nữa, các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học có thể có số lượng các hạt khác nhau với điện tích bằng không. Ví dụ:
- 1 proton + 1 electron + 0 neutron=hydro (khối lượng nguyên tử 1);
- 1 proton + 1 electron + 1 neutron=đơteri (khối lượng nguyên tử 2);
- 1 proton + 1 electron + 2nơtron=triti (khối lượng nguyên tử 3).
Trong trường hợp này, số electron trong nguyên tử không thay đổi, nguyên tử vẫn trung hòa, khối lượng của nó thay đổi. Các biến thể như vậy của các nguyên tố hóa học được gọi là đồng vị.
Là nguyên tử luôn trung tính
Không, số electron trong nguyên tử không phải lúc nào cũng bằng số proton. Nếu một hoặc hai electron không thể bị “lấy đi” khỏi nguyên tử trong một thời gian, thì sẽ không có cái gọi là quá trình mạ kẽm. Một nguyên tử, giống như bất kỳ vật chất nào, đều có thể bị ảnh hưởng.
Dưới tác động của điện trường đủ mạnh từ lớp ngoài cùng của nguyên tử, một hoặc nhiều electron có thể "bay đi". Trong trường hợp này, hạt của chất không còn trung tính và được gọi là ion. Nó có thể di chuyển trong môi trường khí hoặc lỏng, truyền điện tích từ điện cực này sang điện cực khác. Bằng cách này, điện tích được lưu trữ trong pin và các màng mỏng nhất của một số kim loại được áp dụng cho bề mặt của những kim loại khác (mạ vàng, mạ bạc, mạ crom, mạ niken, v.v.).
Số electron cũng không bền trong kim loại - vật dẫn dòng điện. Các electron của các lớp ngoài cùng, đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, truyền năng lượng điện qua vật dẫn.
