Fisika struktur materi. Penemuan. Eksperimen. Perhitungan

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 17:49

Fisika struktur materi pertama kali dipelajari secara serius oleh Joseph J. Thomson. Namun, banyak pertanyaan tetap tidak terjawab. Beberapa waktu kemudian, E. Rutherford mampu merumuskan model struktur atom. Dalam artikel ini kami akan mempertimbangkan pengalaman yang membawanya ke penemuan. Karena struktur materi adalah salah satu topik yang paling menarik dalam pelajaran fisika, kami akan menganalisis aspek-aspek kuncinya. Kami belajar apa yang terdiri dari atom, belajar bagaimana menemukan jumlah elektron, proton, neutron di dalamnya. Mari berkenalan dengan konsep isotop dan ion.

Penemuan elektron

Pada tahun 1897, ilmuwan Inggris Joseph John Thomson (potretnya dapat dilihat di bawah) mempelajari arus listrik, yaitu pergerakan muatan yang terarah dalam gas. Pada saat itu, fisika sudah mengetahui tentang struktur molekul materi. Diketahui bahwa semua benda terbuat dari materi, yang terbuat dari molekul, dan yang terakhir terbuat dari atom.

Thomson menemukan bahwa, dalam kondisi tertentu, atom gas memancarkan partikel dengan muatan negatif (q_{el <0). Mereka disebut elektron. Atom itu netral, yang berarti jika elektron keluar darinya, maka partikel positif juga harus terkandung di sana. Apa bagian dari atom dengan tanda "+"? Bagaimana cara berinteraksi dengan elektron bermuatan negatif? Apa yang menentukan massa atom? Ilmuwan lain dapat menjawab semua pertanyaan ini.}

Eksperimen Rutherford

Pada tahun 1911, fisika sudah memiliki informasi awal tentang struktur materi. Ernest Rutherford menemukan apa yang sekarang kita sebut inti atom.

Ada hal-hal yang memiliki sifat aneh: mereka secara spontan memancarkan berbagai partikel, baik positif maupun negatif. Zat seperti itu disebut radioaktif. Unsur bermuatan positif Rutherford disebut partikel alfa (-partikel).

Mereka memiliki muatan "+" yang sama dengan dua muatan dasar (q_{α=+2e). Berat unsur kira-kira sama dengan empat massa atom hidrogen. Rutherford mengambil persiapan radioaktif yang memancarkan partikel alfa dan membombardir lapisan tipis emas (foil) dengan alirannya.}

Dia menemukan bahwa sebagian besar elemen hampir tidak berubah arah ketika melewati atom logam. Namun sangat sedikit yang menyimpang ke belakang. Mengapa ini terjadi? Mengetahui fisika struktur materi, kita dapat menjawab: karena di dalamatom emas, seperti yang lain, ada elemen positif yang menolak partikel alfa. Tetapi mengapa ini hanya terjadi dengan sangat sedikit elemen? Karena ukuran bagian atom yang bermuatan positif jauh lebih kecil dari dirinya sendiri. Rutherford sampai pada kesimpulan ini. Dia menyebut bagian atom yang bermuatan positif sebagai nukleus.

Perangkat atom

Fisika struktur materi: Molekul terdiri dari atom, yang mengandung bagian kecil bermuatan positif (inti) yang dikelilingi oleh elektron. Netralitas atom dijelaskan oleh fakta bahwa total muatan negatif elektron sama dengan positif - nukleus. q_inti + q_{el=0. Mengapa elektron tidak jatuh pada inti, karena mereka tertarik? Untuk menjawab pertanyaan ini, Rutherford menyarankan agar mereka berotasi seperti planet-planet bergerak mengelilingi matahari dan tidak bertabrakan dengannya. Ini adalah gerakan yang memungkinkan sistem ini menjadi stabil. Model atom Rutherford disebut planetary.}

Jika atom netral, dan jumlah elektron di dalamnya harus bilangan bulat, maka muatan inti sama dengan nilai ini dengan tanda tambah. q_core=+ze. z adalah jumlah elektron dalam atom netral. Dalam hal ini, total biaya adalah nol. Bagaimana cara mencari jumlah elektron dalam atom? Anda perlu menggunakan tabel periodik unsur. Dimensi atom adalah orde 10^-10 m. Dan inti atom 100 ribu kali lebih kecil - 10^{-15 m.}

Mari kita bayangkan bahwa kita meningkatkan ukuran inti menjadi 1 meter. Dalam padatan, jarak antara atom kira-kira sama dengan ukuran dirinya sendiri, yang berarti bahwa dimensiakan meningkat menjadi 105, yaitu 100 km. Artinya, atom praktis kosong, itulah sebabnya partikel alfa sebagian besar terbang melalui foil dengan hampir tidak ada defleksi.

Struktur inti

Fisika struktur materi sedemikian rupa sehingga inti terdiri dari dua jenis partikel. Beberapa di antaranya bermuatan positif. Jika kita menganggap sebuah atom yang memiliki tiga elektron, maka di dalamnya ada tiga partikel dengan muatan positif. Mereka disebut proton. Unsur lain tidak memiliki muatan listrik - neutron.

Massa proton dan neutron kira-kira sama. Kedua partikel memiliki berat yang jauh lebih besar daripada elektron. m_proton ≈ 1837m_{el. Hal yang sama berlaku untuk massa neutron. Kesimpulan berikut dari ini: berat partikel bermuatan positif dan netral adalah faktor yang menentukan massa atom. Proton dan neutron memiliki nama yang sama - nukleon. Berat suatu atom ditentukan oleh jumlahnya, yang disebut nomor massa inti. Kami menyatakan jumlah elektron dalam atom dengan huruf z, tetapi karena netral, jumlah partikel positif dan negatif harus cocok. Oleh karena itu, z juga disebut proton atau nomor muatan.}

Jika kita mengetahui massa dan nomor muatan, maka kita dapat menemukan jumlah neutron N. N=A - z. Bagaimana cara mengetahui jumlah nukleon dan proton dalam inti? Ternyata dalam tabel periodik, di samping setiap unsur, ada nomor yang disebut ahli kimia sebagai massa atom relatif.

Jika kita mengumpulkannya, kita tidak mendapatkan apa-apa selainnomor massa atau jumlah nukleon dalam inti (A). Nomor atom suatu unsur adalah jumlah proton (z). Mengetahui A dan z, mudah untuk menemukan N - jumlah neutron. Jika atom netral, maka jumlah elektron dan proton sama.

Isotop

Ada beberapa jenis inti yang jumlah protonnya sama, tetapi jumlah neutronnya mungkin berbeda (artinya unsur kimianya sama). Mereka disebut isotop. Di alam, atom dari berbagai jenis dicampur, jadi ahli kimia mengukur massa rata-rata. Itulah sebabnya dalam tabel periodik, berat relatif suatu atom selalu merupakan bilangan pecahan. Mari kita cari tahu apa yang terjadi pada atom netral jika elektron dikeluarkan darinya atau, sebaliknya, elektron tambahan ditempatkan.

Ion

Pertimbangkan atom litium netral. Ada nukleus, dua elektron terletak di satu kulit dan tiga di kulit lainnya. Jika kita mengambil salah satunya, kita mendapatkan inti bermuatan positif. q_core =ke-3. Elektron hanya mengkompensasi dua dari tiga muatan dasar, dan kita mendapatkan ion positif. Ini ditunjuk sebagai berikut: Li⁺. Ion adalah atom yang jumlah elektronnya lebih kecil atau lebih besar dari jumlah proton dalam inti. Dalam kasus pertama, itu adalah ion positif. Jika kita menambahkan elektron tambahan, maka akan ada empat, dan kita akan mendapatkan ion negatif (Li^{-). Begitulah fisika dari struktur materi. Jadi, atom netral berbeda dari ion dalam hal elektron di dalamnya sepenuhnya mengimbangi muatan inti.}