La física de la estructura de la materia fue estudiada seriamente por primera vez por Joseph J. Thomson. Sin embargo, muchas preguntas quedaron sin respuesta. Tiempo después, E. Rutherford pudo formular un modelo de la estructura del átomo. En el artículo consideraremos la experiencia que lo llevó al descubrimiento. Dado que la estructura de la materia es uno de los temas más interesantes en las lecciones de física, analizaremos sus aspectos clave. Aprendemos en qué consiste un átomo, aprendemos cómo encontrar la cantidad de electrones, protones, neutrones en él. Familiaricémonos con el concepto de isótopos e iones.
Descubrimiento del electrón
En 1897, el científico inglés Joseph John Thomson (su retrato se puede ver a continuación) estudió la corriente eléctrica, es decir, el movimiento dirigido de cargas en los gases. En ese momento, la física ya conocía la estructura molecular de la materia. Se sabía que todos los cuerpos están hechos de materia, la cual está hecha de moléculas, y estas últimas están hechas de átomos.
Thomson descubrió que, bajo ciertas condiciones, los átomos de gas emiten partículas con carga negativa (qel <0). Se llaman electrones. El átomo es neutro, lo que significa que si los electrones salen volando, entonces las partículas positivas también deben estar contenidas allí. ¿Cuál es la parte del átomo con el signo "+"? ¿Cómo interactúa con un electrón cargado negativamente? ¿Qué determina la masa de un átomo? Otro científico podría responder a todas estas preguntas.
Experimento de Rutherford
En 1911, la física ya poseía la información inicial sobre la estructura de la materia. Ernest Rutherford descubrió lo que hoy llamamos núcleo atómico.
Hay materias que tienen una extraña propiedad: emiten espontáneamente diversas partículas, tanto positivas como negativas. Tales sustancias se llaman radiactivas. Elementos con carga positiva que Rutherford llamó partículas alfa (α-partículas).
Tienen una carga "+" igual a dos cargas elementales (qα=+2e). El peso de los elementos es aproximadamente igual a cuatro masas de un átomo de hidrógeno. Rutherford tomó una preparación radiactiva que emite partículas alfa y bombardeó una fina película de oro (lámina) con su chorro.
Descubrió que la mayoría de los elementos α apenas cambian de dirección cuando pasan a través de átomos metálicos. Pero son muy pocos los que se desvían hacia atrás. ¿Por qué está pasando esto? Conociendo la física de la estructura de la materia, podemos responder: porque por dentroLos átomos de oro, como cualquier otro, son elementos positivos que repelen las partículas alfa. Pero, ¿por qué esto solo sucede con muy pocos elementos? Porque el tamaño de la parte cargada positivamente del átomo es mucho más pequeño que él mismo. Rutherford llegó a esta conclusión. Llamó núcleo a la parte cargada positivamente del átomo.
El dispositivo del átomo
Física de la estructura de la materia: Las moléculas están formadas por átomos, que contienen una pequeña parte cargada positivamente (núcleo) rodeada de electrones. La neutralidad del átomo se explica por el hecho de que la carga negativa total de los electrones es igual a la positiva: el núcleo. qnúcleo + qel=0. ¿Por qué los electrones no caen sobre el núcleo, porque se atraen? Para responder a esta pregunta, Rutherford sugirió que giran como los planetas se mueven alrededor del Sol y no chocan con él. Es el movimiento lo que permite que este sistema sea estable. El modelo atómico de Rutherford se llama planetario.
Si el átomo es neutro y el número de electrones en él debe ser entero, entonces la carga del núcleo es igual a este valor con un signo más. qnúcleos=+ze. z es el número de electrones en un átomo neutro. En este caso, el cargo total es cero. ¿Cómo encontrar el número de electrones en un átomo? Necesitas usar la tabla periódica de elementos. Las dimensiones de un átomo son del orden de 10-10 m y los núcleos son 100 mil veces más pequeños - 10-15 m.
Imaginemos que aumentamos el tamaño del núcleo a 1 metro. En un sólido, la distancia entre los átomos es aproximadamente igual al tamaño de ellos mismos, lo que significa que las dimensionesaumentará a 105, que son 100 km. Es decir, el átomo está prácticamente vacío, por lo que la mayoría de las partículas alfa vuelan a través de la lámina casi sin desviarse.
Estructura del núcleo
La física de la estructura de la materia es tal que el núcleo consta de dos clases de partículas. Algunos de ellos están cargados positivamente. Si consideramos un átomo que tiene tres electrones, entonces en su interior hay tres partículas con carga positiva. Se llaman protones. Otros elementos no tienen carga eléctrica: los neutrones.
Las masas del protón y el neutrón son aproximadamente iguales. Ambas partículas tienen un peso mucho mayor que un electrón. mprotón ≈ 1837mel. Lo mismo se aplica a la masa del neutrón. De esto se deduce la conclusión: el peso de las partículas cargadas positiva y neutramente es un factor que determina la masa de un átomo. Los protones y los neutrones tienen un nombre común: nucleones. El peso de un átomo está determinado por su número, que se denomina número de masa del núcleo. Denotamos el número de electrones en un átomo con la letra z, pero dado que es neutral, el número de partículas positivas y negativas debe coincidir. Por lo tanto, z también se denomina protón o número de carga.
Si conocemos el número de masa y carga, entonces podemos encontrar el número de neutrones N. N=A - z. ¿Cómo saber cuántos nucleones y protones hay en el núcleo? Resulta que en la tabla periódica, al lado de cada elemento, hay un número que los químicos llaman masa atómica relativa.
Si lo redondeamos, no obtenemos nada más quenúmero de masa o el número de nucleones en el núcleo (A). El número atómico de un elemento es el número de protones (z). Conociendo A y z, es fácil encontrar N, el número de neutrones. Si el átomo es neutro, entonces el número de electrones y protones es igual.
Isótopos
Hay variedades del núcleo en las que el número de protones es el mismo, pero el número de neutrones puede diferir (es decir, el mismo elemento químico). Se llaman isótopos. En la naturaleza, se mezclan átomos de diferentes tipos, por lo que los químicos miden la masa promedio. Por eso en la tabla periódica el peso relativo de un átomo es siempre un número fraccionario. Averigüemos qué le sucede a un átomo neutro si se le quita un electrón o, por el contrario, se le coloca uno extra.
Iones
Considere un átomo de litio neutro. Hay un núcleo, dos electrones están ubicados en una capa y tres en la otra. Si quitamos uno de ellos, obtenemos un núcleo con carga positiva. qnúcleos =3er. Los electrones compensan solo dos de las tres cargas elementales y obtenemos un ion positivo. Se designa de la siguiente manera: Li+. Un ion es un átomo en el que el número de electrones es menor o mayor que el número de protones en el núcleo. En el primer caso, es un ion positivo. Si agregamos un electrón adicional, entonces habrá cuatro de ellos y obtendremos un ion negativo (Li-). Tal es la física de la estructura de la materia. Entonces, un átomo neutro se diferencia de un ion en que los electrones en él compensan completamente la carga del núcleo.
