Структура атома — елементарне честице материје, електрони, протони, неутрони
Сва физичка тела у природи су направљена од врсте материје која се зове материја. Супстанце су подељене у две главне групе - једноставне и сложене супстанце.
Сложене супстанце су оне супстанце које се хемијским реакцијама могу разложити на друге, једноставније супстанце. За разлику од сложених супстанци, једноставне супстанце су оне које се хемијски не могу разложити на још једноставније супстанце.
Пример сложене супстанце је вода, која се хемијском реакцијом може разложити на две друге, једноставније супстанце – водоник и кисеоник. Што се тиче последње две, оне се више не могу хемијски разложити на једноставније супстанце и стога су једноставне супстанце, или, другим речима, хемијски елементи.
У првој половини 19. века у науци је постојала претпоставка да су хемијски елементи непромењене супстанце које немају заједнички однос једна са другом. Међутим, руски научник Д. И. Мендељејев (1834 — 1907) први пут је 1869. г.открива однос хемијских елемената, показујући да квалитативна карактеристика сваког од њих зависи од његове квантитативне карактеристике – атомске тежине.
Проучавајући својства хемијских елемената, Д. И. Мендељејев је приметио да се њихова својства периодично понављају у зависности од њихове атомске тежине. Ову периодичност је показао у облику табеле, која је ушла у науку под именом „Периодични систем елемената Мендељејева“.
Испод је Мендељејевљев савремени периодни систем хемијских елемената.
Атомс
Према савременим научним концептима, сваки хемијски елемент састоји се од скупа најмањих материјалних (материјалних) честица које се називају атоми.
Атом је најмањи део хемијског елемента који се више не може хемијски разложити на друге, мање и једноставније честице материјала.
Атоми хемијских елемената различите природе разликују се једни од других по својим физичко-хемијским својствима, структури, величини, маси, атомској тежини, сопственој енергији и неким другим својствима. На пример, атом водоника се по својим својствима и структури оштро разликује од атома кисеоника, а овај други од атома уранијума и тако даље.
Атоми хемијских елемената су изузетно мале величине. Ако условно претпоставимо да атоми имају сферни облик, онда њихови пречници морају бити једнаки сто милионитим деловима центиметра. На пример, пречник атома водоника — најмањег атома у природи — је сто милионити део центиметра (10-8 цм), а пречник највећих атома, на пример, атома уранијума, не прелази три стотине милионити део центиметра (3 10-8 цм).Дакле, атом водоника је онолико пута мањи од сфере полупречника један центиметар, колико је ова друга мања од глобуса.
Због веома мале величине атома, њихова маса је такође веома мала. На пример, маса атома водоника је м = 1,67· 10-24 То значи да један грам водоника садржи око 6·1023 атома.
За конвенционалну јединицу мерења атомске тежине хемијских елемената узима се 1/16 тежине атома кисеоника. У складу са овом атомском тежином хемијског елемента, назива се апстрактни број, који показује колико пута је тежина датог хемијског елемента већа од 1/16 тежине атома кисеоника.
У периодичној табели елемената Д. И. Мендељејева дате су атомске тежине свих хемијских елемената (погледајте број испод назива елемента). Из ове табеле видимо да је најлакши атом атом водоника, који има атомску тежину од 1,008. Атомска тежина угљеника је 12, кисеоника 16 итд.
Што се тиче тежих хемијских елемената, њихова атомска тежина премашује атомску тежину водоника за више од две стотине пута. Дакле, атомска вредност живе је 200,6, радијума је 226 и тако даље. Што је већи ред бројева који заузима хемијски елемент у периодном систему елемената, већа је атомска тежина.
Већина атомских тежина хемијских елемената је изражена као разломци. Ово се донекле објашњава чињеницом да се такви хемијски елементи састоје од скупа колико врста атома са различитим атомским тежинама, али са истим хемијским својствима.
Хемијски елементи који заузимају исти број у периодном систему елемената и стога имају иста хемијска својства, али са различитим атомским тежинама називају се изотопи.
Изотопи се налазе у већини хемијских елемената, постоје два изотопа, калцијум - четири, цинк - пет, калај - једанаест итд. Многи изотопи се добијају уметношћу, неки од њих имају велики практични значај.
Елементарне честице материје
Дуго се веровало да су атоми хемијских елемената граница дељивости материје, односно, такорећи, елементарни „грађевински блокови“ универзума. Савремена наука одбацује ову хипотезу утврђујући да је атом било ког хемијског елемента скуп чак и мањих материјалних честица од самог атома.
Према електронској теорији структуре материје, атом било ког хемијског елемента је систем који се састоји од централног језгра око којег се врте "елементарне" честице материјала зване електрони. Језгра атома, према општеприхваћеним ставовима, састоје се од скупа „елементарних“ материјалних честица — протона и неутрона.
Да би се разумела структура атома и физичко-хемијски процеси у њима, потребно је бар укратко упознати се са основним карактеристикама елементарних честица које чине атоме.
Утврђено је да је електрон права честица са најмањим негативним електричним набојем уоченим у природи.
Ако условно претпоставимо да електрон као честица има сферни облик, онда би пречник електрона требало да буде једнак 4 ·10-13 цм, односно десетине хиљада пута мањи од пречника сваког атома.
Електрон, као и свака друга материјална честица, има масу. „Маса мировања“ електрона, односно маса коју поседује у стању релативног мировања, једнака је мо = 9,1 · 10-28 Г.
Изузетно мала „маса мировања” електрона указује на то да су инерцијалне особине електрона изузетно слабе, што значи да електрон, под утицајем наизменичне електричне силе, може да осцилује у простору са фреквенцијом од више милијарди периода по друго.
Маса електрона је толико мала да је за производњу једног грама електрона потребно 1027 јединица. Да бисмо имали бар неку физичку представу о овом колосално великом броју, даћемо пример. Ако би један грам електрона могао бити распоређен у правој линији близу један другом, онда би формирали ланац дуг четири милијарде километара.
Маса електрона, као и било које друге материјалне микрочестице, зависи од брзине његовог кретања. Електрон у стању релативног мировања има „масу мировања“ механичке природе, сличну маси било ког физичког тела. Што се тиче „масе кретања“ електрона, која се повећава са повећањем брзине његовог кретања, она је електромагнетног порекла. Ово је због присуства електромагнетног поља у покретном електрону као врсте материје са масом и електромагнетном енергијом.
Што се електрон брже креће, то се више испољавају инерцијалне особине његовог електромагнетног поља, већа је његова маса и, сходно томе, његова електромагнетна енергија.Пошто електрон са својим електромагнетним пољем представља јединствен органски повезан материјални систем, он је природно да се маса импулса електромагнетног поља електрона директно приписује самом електрону.
Електрон, поред особина честице, има и таласна својства.Експериментално је утврђено да се ток електрона, попут светлосног тока, шири у облику таласастог кретања. Природу таласног кретања тока електрона у простору потврђују и појаве интерференције и дифракције електронских таласа.
Електронска интерференција Да ли је феномен суперпозиције воља електрона један на други и дифракције електрона — ово је феномен савијања електронских таласа на ивицама уског прореза кроз који пролази електронски сноп. Дакле, електрон није само честица, већ „талас честица“, чија дужина зависи од масе и брзине електрона.
Утврђено је да електрон, поред свог транслационог кретања, врши и ротационо кретање око своје осе. Ова врста кретања електрона назива се „спин“ (од енглеске речи „спин“ — вретено). Као резултат овог кретања, електрон, поред електричних својстава услед електричног набоја, стиче и магнетна својства, која у том погледу подсећају на елементарни магнет.
Протон је стварна честица са позитивним електричним наелектрисањем једнаким по апсолутној вредности електричном наелектрисању електрона.
Маса протона је 1,67 ·10-24 р, односно приближно 1840 пута већа од "масе мировања" електрона.
За разлику од електрона и протона, неутрон нема електрични набој, односно он је електрично неутрална „елементарна“ честица материје. Маса неутрона је практично једнака маси протона.
Електрони, протони и неутрони који чине атоме међусобно делују. Конкретно, електрони и протони привлаче једни друге као честице са супротним електричним набојем.У исто време, електрон од електрона и протон од протона одбијају се као честице са истим електричним набојем.
Све ове електрично наелектрисане честице међусобно делују кроз своја електрична поља. Ова поља су посебна врста материје која се састоји од скупа елементарних материјалних честица званих фотони. Сваки фотон има строго дефинисану количину енергије (квант енергије) својствену њему.
Интеракција честица електрично наелектрисаних материјалних материјала одвија се међусобном разменом фотона. Сила интеракције електрично наелектрисаних честица обично се назива електрична сила.
Неутрони и протони у језгру атома такође интерагују једни са другима. Међутим, ова интеракција међу њима се више не одвија преко електричног поља, пошто је неутрон електрички неутрална честица материје, већ преко тзв. нуклеарно поље.
Ово поље је такође посебна врста материје која се састоји од скупа елементарних материјалних честица званих мезони... Интеракција неутрона и протона одвија се разменом мезона међусобно. Сила интеракције између неутрона и протона назива се нуклеарна сила.
Утврђено је да нуклеарне силе делују у језгрима атома на изузетно малим растојањима — око 10-13 цм.
Нуклеарне силе знатно превазилазе електричне силе међусобног одбијања протона у језгру атома. То доводи до тога да су они у стању не само да савладају силе међусобног одбијања протона унутар језгара атома, већ и да створе веома јаке системе језгара из колекције протона и неутрона.
Стабилност језгра било ког атома зависи од односа две сукобљене силе — нуклеарне (међусобно привлачење протона и неутрона) и електричне (међусобно одбијање протона).
Моћне нуклеарне силе које делују у језгрима атома доприносе трансформацији неутрона и протона једни у друге. Ове интеракције неутрона и протона настају као резултат ослобађања или апсорпције лакших елементарних честица, на пример мезона.
Честице које ми разматрамо називамо елементарним јер се не састоје од скупа других, једноставнијих честица материје. Али у исто време, не смемо заборавити да су у стању да се трансформишу једни у друге, да настају на рачун другог. Дакле, ове честице су неке сложене формације, односно њихова елементарна природа је условна.
Хемијска структура атома
Најједноставнији атом у његовој структури је атом водоника. Састоји се од скупа само две елементарне честице — протона и електрона. Протон у систему атома водоника игра улогу централног језгра око којег се електрон ротира у одређеној орбити. На сл. 1 шематски је приказан модел атома водоника.
Пиринач. 1. Дијаграм структуре атома водоника
Овај модел је само груба апроксимација стварности. Чињеница је да електрон као "талас честица" нема запремину оштро разграничену од спољашње средине. А то значи да не треба говорити о некој тачној линеарној орбити електрона, већ о некој врсти електронског облака. У овом случају, електрон најчешће заузима неку средњу линију облака, што је једна од његових могућих орбита у атому.
Треба рећи да сама орбита електрона није стриктно непроменљива и стационарна у атому – она такође, услед промене масе електрона, врши одређено ротационо кретање. Због тога је кретање електрона у атому релативно компликовано. Пошто језгро атома водоника (протона) и електрона који се окрећу око њега имају супротна електрична наелектрисања, они се привлаче.
Истовремено, слободна енергија електрона, ротирајући око језгра атома, развија центрифугалну силу која тежи да га уклони из језгра. Дакле, електрична сила међусобног привлачења између језгра атома и електрона и центрифугална сила која делује на електрон су супротстављене силе.
У равнотежи, њихов електрон заузима релативно стабилан положај у некој орбити у атому. Пошто је маса електрона веома мала, онда да би уравнотежио силу привлачења језгра атома, он мора да се окреће огромном брзином једнаком око 6·1015 обртаја у секунди. То значи да се електрон у систему атома водоника, као и сваки други атом, креће дуж своје орбите линеарном брзином већом од хиљаду километара у секунди.
У нормалним условима, електрон се окреће у атому такве врсте у орбити најближој језгру. Истовремено, има минималну могућу количину енергије. Ако се из овог или оног разлога, на пример, под утицајем других материјалних честица које су упале у атомски систем, електрон помери на орбиту која је удаљенија од атома, онда ће већ имати нешто већу количину енергије.
Међутим, електрон остаје у овој новој орбити безначајно време, након чега се окреће назад у орбиту најближу језгру атома.Током овог курса одустаје од свог вишка енергије у облику кванта магнетног зрачења – енергије зрачења (слика 2).
Пиринач. 2. Када се електрон креће са удаљене орбите на орбиту ближе језгру атома, он емитује квантум енергије зрачења
Што више енергије електрон прима споља, то се више креће у орбиту која је најудаљенија од језгра атома, и то је већа количина електромагнетне енергије коју емитује када се окреће ка орбити најближој језгру.
Мерењем количине енергије коју емитује електрон током преласка са различитих орбита на ону најближу језгру атома, било је могуће утврдити да је електрон у систему атома водоника, као иу систему било ког другог. атома, не може ићи на случајну орбиту, на строго одређену у складу са овом енергијом коју прима под утицајем спољне силе. Орбите које електрон може да заузме у атому називају се дозвољене орбитале.
Пошто су позитивно наелектрисање језгра атома водоника (наелектрисање протона) и негативно наелектрисање електрона бројчано једнаке, њихово укупно наелектрисање је нула. То значи да је атом водоника у свом нормалном стању електрички неутрална честица.
Ово важи за атоме свих хемијских елемената: атом било ког хемијског елемента у свом нормалном стању је електрично неутрална честица због нумеричке једнакости позитивних и негативних наелектрисања.
Пошто језгро атома водоника садржи само једну „елементарну“ честицу — протон, такозвани масени број овог језгра је једнак јединици. Масени број језгра атома било ког хемијског елемента је укупан број протона и неутрона који чине то језгро.
Природни водоник се углавном састоји од скупа атома са масеним бројем једнаким један. Међутим, садржи и другу врсту атома водоника, са масеним бројем једнаким два. Језгра ових тешких атома водоника, званих деутерони, састоје се од две честице, протона и неутрона. Овај изотоп водоника назива се деутеријум.
Природни водоник садржи врло мале количине деутеријума. На сваких шест хиљада лаких атома водоника (масени број једнак један), постоји само један атом деутеријума (тешки водоник). Постоји још један изотоп водоника, супер-тешки водоник који се зове трицијум. У језгру атома овог изотопа водоника налазе се три честице: протон и два неутрона, међусобно повезани нуклеарним силама. Масени број језгра атома трицијума је три, односно атом трицијума је три пута тежи од лаког атома водоника.
Иако атоми изотопа водоника имају различите масе, ипак имају исте хемијске особине, на пример, лаки водоник, улазећи у хемијску реакцију са кисеоником, са њим формира сложену супстанцу - воду. Исто тако, изотоп водоника, деутеријум, комбинује се са кисеоником и формира воду, која се, за разлику од обичне воде, назива тешка вода. Тешка вода се широко користи у производњи нуклеарне (атомске) енергије.
Дакле, хемијска својства атома не зависе од масе њихових језгара, већ само од структуре електронске љуске атома. Пошто атоми лаког водоника, деутеријума и трицијума имају исти број електрона (по један за сваки атом), ови изотопи имају иста хемијска својства.
Није случајно да хемијски елемент водоник заузима први број у периодном систему елемената.Чињеница је да постоји нека веза између броја сваког елемента у периодном систему елемената и величине наелектрисања на језгру атома тог елемента. Може се формулисати на следећи начин: редни број сваког хемијског елемента у периодном систему елемената је нумерички једнак позитивном наелектрисању језгра тог елемента, а самим тим и броју електрона који круже око њега.
Пошто водоник заузима први број у периодном систему елемената, то значи да је позитивно наелектрисање језгра његовог атома једнако један и да се један електрон окреће око језгра.
Хемијски елемент хелијум је други у периодном систему елемената. То значи да има позитиван електрични набој језгра једнак две јединице, односно његово језгро мора да садржи два протона, а у електронском омотачу атома - две електроде.
Природни хелијум се састоји од два изотопа — тешког и лаког хелијума. Масени број тешког хелијума је четири. То значи да поред два поменута протона, у језгро атома тешког хелијума морају ући још два неутрона. Што се тиче лаког хелијума, његов масени број је три, односно, поред два протона, у састав његовог језгра треба да уђе још један неутрон.
Утврђено је да је у природном хелијуму број лаких атома хелијума приближно милионити део атома тешког гена. На сл. 3 приказује шематски модел атома хелијума.
Пиринач. 3. Дијаграм структуре атома хелијума
Даља компликација структуре атома хемијских елемената је због повећања броја протона и неутрона у језгрима ових атома и истовременог повећања броја електрона који ротирају око језгара (слика 4). Користећи периодни систем елемената, лако је одредити број електрона, протона и неутрона који чине различите атоме.
Пиринач. 4. Шеме грађења атомских језгара: 1 — хелијум, 2 — угљеник, 3 — кисеоник
Регуларни број хемијског елемента једнак је броју протона у језгру атома и истовремено броју електрона који се окрећу око језгра. Што се тиче атомске тежине, она је приближно једнака масеном броју атома, односно броју протона и неутрона узетих заједно у језгру. Према томе, одузимањем од атомске тежине елемента броја који је једнак атомском броју елемента, могуће је одредити колико се неутрона налази у датом језгру.
Утврђено је да се језгра лаких хемијских елемената, која у свом саставу имају једнак број протона и неутрона, одликују веома великом чврстоћом, пошто су нуклеарне силе у њима релативно велике. На пример, језгро тешког атома хелијума је изузетно издржљиво јер се састоји од два протона и два неутрона повезаних моћним нуклеарним силама.
Језгра атома тежих хемијских елемената већ садрже у свом саставу неједнак број протона и неутрона, због чега је њихова веза у језгру слабија него у језгрима лаких хемијских елемената. Језгра ових елемената могу се релативно лако поделити када се бомбардују атомским „пројектилима“ (неутрони, језгра хелијума, итд.).
Што се тиче најтежих хемијских елемената, посебно радиоактивних, њихова језгра се одликују тако малом снагом да се спонтано распадају на саставне делове. На пример, атоми радиоактивног елемента радијума, који се састоји од комбинације 88 протона и 138 неутрона, спонтано се распадају, постајући атоми радиоактивног елемента радона. Атоми последњег се, заузврат, распадају на своје саставне делове, прелазећи у атоме других елемената.
Након што смо се укратко упознали са саставним деловима језгара атома хемијских елемената, размотримо структуру електронских омотача атома. Као што знате, електрони могу да се окрећу око језгара атома само по строго дефинисаним орбитама. Штавише, они су толико груписани у електронској љусци сваког атома да се могу разликовати појединачне електронске љуске.
Свака шкољка може да садржи одређени број електрона, који не прелазе стриктно одређени број. Тако, на пример, у првој електронској љусци која је најближа језгру атома може бити највише два електрона, у другој - не више од осам електрона, итд.
Они атоми у којима су спољашње електронске љуске потпуно попуњене имају најстабилнију електронску љуску. То значи да атом чврсто држи све своје електроне и не мора да прими додатну количину њих споља. На пример, атом хелијума има два електрона који у потпуности испуњавају прву електронску љуску, а атом неона има десет електрона, од којих прва два потпуно испуњавају прву електронску љуску, а остатак - другу (слика 5).
Пиринач. 5. Дијаграм структуре атома неона
Дакле, атоми хелијума и неона имају прилично стабилне електронске шкољке, немају тенденцију да их мењају на било који квантитативан начин. Такви елементи су хемијски инертни, односно не улазе у хемијску интеракцију са другим елементима.
Међутим, већина хемијских елемената има атоме где спољашње електронске љуске нису у потпуности испуњене електронима. На пример, атом калијума има деветнаест електрона, од којих осамнаест потпуно испуњава прве три љуске, а деветнаести електрон се налази у следећој, непопуњеној електронској љусци. Слабо пуњење четврте електронске љуске електронима доводи до чињенице да језгро атома врло слабо држи најудаљенији - деветнаести електрон, па се овај други лако може уклонити из атома. …
Или, на пример, атом кисеоника има осам електрона, од којих два потпуно испуњавају прву љуску, а преосталих шест се налази у другој љусци. Дакле, за потпуни завршетак изградње друге електронске љуске у атому кисеоника недостају само два електрона. Стога, атом кисеоника не само да чврсто држи својих шест електрона у другој љусци, већ има и способност да привуче два електрона која недостају да би испунила своју другу електронску љуску. То постиже хемијском комбинацијом са атомима таквих елемената у којима су спољашњи електрони слабо повезани са њиховим језгрима.
Хемијски елементи чији атоми немају спољашње електронске слојеве потпуно испуњене електронима су, по правилу, хемијски активни, односно вољно улазе у хемијску интеракцију.
Дакле, електрони у атомима хемијских елемената су распоређени у строго дефинисаном редоследу, а свака промена њиховог просторног распореда или количине у електронској љусци атома доводи до промене физичко-хемијских својстава овог последњег.
Једнакост броја електрона и протона у атомском систему је разлог зашто је његов укупни електрични набој нула. Ако се наруши једнакост броја електрона и протона у атомском систему, онда атом постаје електрично наелектрисан систем.
Атом у систему чији је равнотежа супротних електричних наелектрисања поремећена због чињенице да је изгубио део својих електрона или, обрнуто, стекао њихов вишак, назива се јон.
Напротив, ако атом добије било који вишак електрона, он постаје негативан јон. На пример, атом хлора који је примио један додатни електрон постаје једноструко наелектрисани негативни јон хлора Цл-... Атом кисеоника који је примио два додатна електрона постаје двоструко наелектрисани негативни јон кисеоника О, и тако даље.
Атом који је постао јон постаје електрично наелектрисан систем у односу на спољашњу средину. А то значи да је атом почео да поседује електрично поље, заједно са којим формира јединствен материјални систем, и преко овог поља врши електричну интеракцију са другим електрично наелектрисаним честицама материје — јонима, електронима, позитивно наелектрисаним језгрима атома, итд.
Способност различитих јона да привлаче једни друге је разлог што се хемијски комбинују, формирајући сложеније честице материје – молекуле.
У закључку треба напоменути да су димензије атома веома велике у поређењу са димензијама стварних честица од којих се састоје. Језгро најсложенијег атома, заједно са свим електронима, заузима милијарду запремине атома. Једноставна рачуница показује да ако се један кубни метар платине може притиснути тако чврсто да нестану унутаратомски и међуатомски простори, онда ће се добити запремина једнака једном кубном милиметру.