Física da estrutura da matéria. Descobertas. Experimentos. Cálculos

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Física da estrutura da matéria. Descobertas. Experimentos. Cálculos
Física da estrutura da matéria. Descobertas. Experimentos. Cálculos
Anonim

A física da estrutura da matéria foi primeiramente estudada seriamente por Joseph J. Thomson. No entanto, muitas perguntas ficaram sem resposta. Algum tempo depois, E. Rutherford conseguiu formular um modelo da estrutura do átomo. No artigo vamos considerar a experiência que o levou à descoberta. Como a estrutura da matéria é um dos tópicos mais interessantes nas aulas de física, analisaremos seus principais aspectos. Aprendemos em que consiste um átomo, aprendemos a encontrar o número de elétrons, prótons, nêutrons nele. Vamos nos familiarizar com o conceito de isótopos e íons.

Descoberta do elétron

Em 1897, o cientista inglês Joseph John Thomson (seu retrato pode ser visto abaixo) estudou a corrente elétrica, ou seja, o movimento direcionado de cargas em gases. Naquela época, a física já conhecia a estrutura molecular da matéria. Sabia-se que todos os corpos são feitos de matéria, que é feita de moléculas, e as últimas são feitas de átomos.

Joseph John Thompson
Joseph John Thompson

Thomson descobriu que, sob certas condições, os átomos de gás emitem partículas com carga negativa (qel <0). Eles são chamados de elétrons. O átomo é neutro, o que significa que, se os elétrons saem dele, as partículas positivas também devem estar contidas nele. Qual é a parte do átomo com o sinal "+"? Como ele interage com um elétron carregado negativamente? O que determina a massa de um átomo? Outro cientista poderia responder a todas essas perguntas.

Experiência de Rutherford

Em 1911, a física já possuía as informações iniciais sobre a estrutura da matéria. Ernest Rutherford descobriu o que hoje chamamos de núcleo atômico.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Existem matérias que possuem uma propriedade estranha: elas emitem espontaneamente várias partículas, tanto positivas quanto negativas. Tais substâncias são chamadas de radioativas. Elementos carregados positivamente Rutherford chamou de partículas alfa (partículas alfa).

Eles têm uma carga "+" igual a duas cargas elementares (qα=+2e). O peso dos elementos é aproximadamente igual a quatro massas de um átomo de hidrogênio. Rutherford pegou uma preparação radioativa que emite partículas alfa e bombardeou uma fina película de ouro (folha) com seu fluxo.

Ele descobriu que a maioria dos elementos α mal muda de direção ao passar por átomos de metal. Mas são muito poucos os que se desviam para trás. Por que isso está acontecendo? Conhecendo a física da estrutura da matéria, podemos responder: porque dentroátomos de ouro, como qualquer outro, existem elementos positivos que repelem partículas alfa. Mas por que isso só acontece com pouquíssimos elementos? Porque o tamanho da parte carregada positivamente do átomo é muito menor do que ele mesmo. Rutherford chegou a esta conclusão. Ele chamou a parte carregada positivamente do átomo de núcleo.

O dispositivo do átomo

Física da estrutura da matéria: As moléculas são compostas de átomos, que contêm uma pequena parte carregada positivamente (núcleo) cercada por elétrons. A neutralidade do átomo é explicada pelo fato de que a carga negativa total dos elétrons é igual à positiva - o núcleo. qcore + qel=0. Por que os elétrons não caem no núcleo, porque são atraídos? Para responder a essa pergunta, Rutherford sugeriu que eles girassem como os planetas se movem ao redor do sol e não colidissem com ele. É o movimento que permite que este sistema seja estável. O modelo do átomo de Rutherford é chamado de planetário.

Se o átomo é neutro, e o número de elétrons nele deve ser inteiro, então a carga do núcleo é igual a este valor com um sinal de mais. qcores=+ze. z é o número de elétrons em um átomo neutro. Neste caso, a carga total é zero. Como encontrar o número de elétrons em um átomo? Você precisa usar a tabela periódica dos elementos. As dimensões de um átomo são da ordem de 10-10 m. E os núcleos são 100 mil vezes menores - 10-15 m.

Vamos imaginar que aumentamos o tamanho do núcleo para 1 metro. Em um sólido, a distância entre os átomos é aproximadamente igual ao tamanho deles mesmos, o que significa que as dimensõesaumentará para 105, que é 100 km. Ou seja, o átomo está praticamente vazio, e é por isso que as partículas alfa voam principalmente através da folha com quase nenhuma deflexão.

Estrutura do núcleo

A física da estrutura da matéria é tal que o núcleo consiste em dois tipos de partículas. Alguns deles são carregados positivamente. Se considerarmos um átomo que possui três elétrons, dentro dele existem três partículas com carga positiva. Eles são chamados de prótons. Outros elementos não possuem carga elétrica - nêutrons.

A estrutura do núcleo
A estrutura do núcleo

As massas do próton e do nêutron são aproximadamente iguais. Ambas as partículas têm um peso muito maior do que um elétron. mpróton ≈ 1837mel. O mesmo se aplica à massa do nêutron. A conclusão decorre disso: o peso de partículas carregadas positiva e neutra é um fator que determina a massa de um átomo. Prótons e nêutrons têm um nome comum - nucleons. O peso de um átomo é determinado pelo seu número, que é chamado de número de massa do núcleo. Denotamos o número de elétrons em um átomo pela letra z, mas como é neutro, o número de partículas positivas e negativas deve corresponder. Portanto, z também é chamado de próton ou número de carga.

Se soubermos o número de massa e carga, podemos encontrar o número de nêutrons N. N=A - z. Como descobrir quantos núcleons e prótons estão no núcleo? Acontece que na tabela periódica, ao lado de cada elemento, existe um número que os químicos chamam de massa atômica relativa.

Lítio na tabela periódica
Lítio na tabela periódica

Se arredondarmos, não teremos nada mais do quenúmero de massa ou o número de nucleons no núcleo (A). O número atômico de um elemento é o número de prótons (z). Conhecendo A e z, é fácil encontrar N - o número de nêutrons. Se o átomo é neutro, então o número de elétrons e prótons é igual.

Isótopos

Existem variedades do núcleo em que o número de prótons é o mesmo, mas o número de nêutrons pode diferir (significando o mesmo elemento químico). São chamados de isótopos. Na natureza, átomos de diferentes tipos são misturados, então os químicos medem a massa média. É por isso que na tabela periódica o peso relativo de um átomo é sempre um número fracionário. Vamos descobrir o que acontece com um átomo neutro se um elétron for removido dele ou, inversamente, um extra for colocado.

Íons

Representação esquemática de um íon
Representação esquemática de um íon

Considere um átomo de lítio neutro. Há um núcleo, dois elétrons estão localizados em uma camada e três na outra. Se tirarmos um deles, obtemos um núcleo carregado positivamente. qcores =3º. Os elétrons compensam apenas duas das três cargas elementares e obtemos um íon positivo. Ele é designado da seguinte forma: Li+. Um íon é um átomo no qual o número de elétrons é menor ou maior que o número de prótons no núcleo. No primeiro caso, é um íon positivo. Se adicionarmos um elétron extra, haverá quatro deles e obteremos um íon negativo (Li-). Tal é a física da estrutura da matéria. Assim, um átomo neutro difere de um íon porque os elétrons nele compensam completamente a carga do núcleo.

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