Atomien rakenne - aineen alkuainehiukkaset, elektronit, protonit, neutronit
Kaikki luonnon fyysiset kappaleet koostuvat ainetyypistä, jota kutsutaan aineeksi. Aineet jaetaan kahteen pääryhmään – yksinkertaisiin ja monimutkaisiin aineisiin.
Monimutkaiset aineet ovat aineita, jotka kemiallisten reaktioiden kautta voivat hajota muiksi, yksinkertaisemmiksi aineiksi. Toisin kuin monimutkaiset aineet, yksinkertaiset aineet ovat sellaisia, joita ei voida kemiallisesti hajottaa vielä yksinkertaisemmiksi aineiksi.
Esimerkki monimutkaisesta aineesta on vesi, joka kemiallisen reaktion kautta voi hajota kahdeksi muuksi, yksinkertaisemmaksi aineeksi - vedyksi ja hapeksi. Mitä tulee kahteen viimeiseen, niitä ei voida enää kemiallisesti hajottaa yksinkertaisemmiksi aineiksi ja ovat siksi yksinkertaisia aineita tai toisin sanoen kemiallisia alkuaineita.
1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla tieteessä vallitsi oletus, että kemialliset alkuaineet olivat muuttumattomia aineita, joilla ei ollut yhteistä suhdetta keskenään. Kuitenkin venäläinen tiedemies D. I. Mendelejev (1834 - 1907) ensimmäistä kertaa vuonna 1869paljastaa kemiallisten alkuaineiden suhteen osoittaen, että kunkin niiden laadullinen ominaisuus riippuu sen määrällisestä ominaisuudesta - atomipainosta.
Tutkiessaan kemiallisten alkuaineiden ominaisuuksia D. I. Mendeleev huomasi, että niiden ominaisuudet toistuvat ajoittain niiden atomipainosta riippuen. Hän osoitti tämän jaksollisuuden taulukon muodossa, joka tuli tieteeseen nimellä "Mendelejevin jaksollinen elementtitaulukko".
Alla on Mendelejevin moderni jaksollinen kemiallisten alkuaineiden taulukko.
Atomit
Nykyaikaisten tieteellisten käsitteiden mukaan jokainen kemiallinen alkuaine koostuu joukosta pienimpiä materiaalihiukkasia, joita kutsutaan atomeiksi.
Atomi on kemiallisen alkuaineen pienin osa, jota ei voida enää kemiallisesti hajottaa toisiksi, pienemmiksi ja yksinkertaisemmiksi materiaalihiukkasiksi.
Luonteeltaan erilaisten kemiallisten alkuaineiden atomit eroavat toisistaan fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksiensa, rakenteen, koon, massan, atomipainon, oman energian ja eräiden muiden ominaisuuksiensa suhteen. Esimerkiksi vetyatomi eroaa ominaisuuksiltaan ja rakenteeltaan jyrkästi happiatomista ja jälkimmäinen uraaniatomista ja niin edelleen.
Kemiallisten alkuaineiden atomien on havaittu olevan erittäin pieniä. Jos oletamme ehdollisesti, että atomeilla on pallomainen muoto, niin niiden halkaisijoiden on oltava senttimetrin sadat miljoonasosat. Esimerkiksi vetyatomin - luonnon pienimmän atomin - halkaisija on senttimetrin sadasmiljoonasosa (10-8 cm), ja suurimpien atomien, esimerkiksi uraaniatomin, halkaisija ei ylitä kolmesataa senttimetrin miljoonasosaa (3 10-8 cm).Siksi vetyatomi on yhtä monta kertaa pienempi kuin pallo, jonka säde on yksi senttimetri, kuin viimeksi mainittu on pienempi kuin maapallo.
Atomien erittäin pienestä koosta johtuen niiden massa on myös hyvin pieni. Esimerkiksi vetyatomin massa on m = 1,67· 10-24 Tämä tarkoittaa, että yksi gramma vetyä sisältää noin 6·1023 atomia.
Kemiallisten alkuaineiden atomipainojen tavanomaiseen mittayksikköön otetaan 1/16 happiatomin painosta. Tämän kemiallisen alkuaineen atomipainon mukaan kutsutaan abstraktia lukua, joka osoittaa, kuinka monta kertaa tietyn kemiallisen alkuaineen paino on enemmän kuin 1/16 happiatomin painosta.
D. I. Mendelejevin alkuaineiden jaksollisessa taulukossa on annettu kaikkien kemiallisten alkuaineiden atomipainot (katso numero alkuaineen nimen alla). Tästä taulukosta näemme, että kevyin atomi on vetyatomi, jonka atomipaino on 1,008. Hiilen atomipaino on 12, hapen 16 ja niin edelleen.
Mitä tulee raskaampiin kemiallisiin alkuaineisiin, niiden atomipaino ylittää vedyn atomipainon yli kaksisataa kertaa. Joten elohopean atomiarvo on 200,6, radium on 226 ja niin edelleen. Mitä korkeampi numerojärjestys kemiallisella alkuaineella on alkuaineiden jaksollisessa taulukossa, sitä suurempi on atomipaino.
Suurin osa kemiallisten alkuaineiden atomipainoista ilmaistaan murtolukuina. Tämä selittyy jossain määrin sillä, että tällaiset kemialliset alkuaineet koostuvat joukosta kuinka monen tyyppisiä atomeja, joilla on eri atomipainot, mutta joilla on samat kemialliset ominaisuudet.
Kemiallisia alkuaineita, joilla on sama määrä alkuaineiden jaksollisessa taulukossa ja joilla on siksi samat kemialliset ominaisuudet, mutta joilla on eri atomipainot, kutsutaan isotoopeiksi.
Isotooppeja löytyy useimmista kemiallisista alkuaineista, niitä on kaksi isotooppia, kalsium - neljä, sinkki - viisi, tina - yksitoista jne. Monet isotoopit saadaan taiteen avulla, joista osalla on suuri käytännön merkitys.
Aineen alkuainehiukkaset
Pitkään uskottiin, että kemiallisten alkuaineiden atomit ovat aineen jaotuvuuden raja, eli ikään kuin maailmankaikkeuden alkeis "rakennuspalikoita". Nykyaikainen tiede hylkää tämän hypoteesin toteamalla, että minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomi on jopa pienempien materiaalihiukkasten aggregaatti kuin itse atomi.
Aineen rakenteen elektroniteorian mukaan minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomi on järjestelmä, joka koostuu keskusytimestä, jonka ympärillä kiertävät materiaalin "alkuainehiukkaset", joita kutsutaan elektroneiksi. Atomien ytimet koostuvat yleisesti hyväksyttyjen näkemysten mukaan joukosta "alkuainehiukkasia" - protoneja ja neutroneja.
Atomien rakenteen ja niissä esiintyvien fysikaalis-kemiallisten prosessien ymmärtämiseksi on ainakin lyhyesti perehdyttävä atomeja muodostavien alkuainehiukkasten perusominaisuuksiin.
On määritetty, että elektroni on todellinen hiukkanen, jolla on pienin luonnossa havaittu negatiivinen sähkövaraus.
Jos oletamme ehdollisesti, että elektronilla hiukkasena on pallomainen muoto, niin elektronin halkaisijan tulisi olla 4 ·10-13 cm, eli se on kymmeniä tuhansia kertoja pienempi kuin kunkin atomin halkaisija.
Elektronilla, kuten kaikilla muillakin ainehiukkasilla, on massa. Elektronin "lepomassa" eli massa, joka sillä on suhteellisen lepotilassa, on mo = 9,1 · 10-28 G.
Elektronin äärimmäisen pieni "lepomassa" osoittaa, että elektronin inertiaominaisuudet ovat äärimmäisen heikot, mikä tarkoittaa, että elektroni voi vaihtelevan sähkövoiman vaikutuksesta värähdellä avaruudessa taajuudella, joka on useita miljardeja jaksoja per. toinen.
Elektronin massa on niin pieni, että yhden gramman elektronien tuottamiseen tarvitaan 1027 yksikköä. Annamme esimerkin saadaksemme ainakin jonkinlaisen fyysisen käsityksen tästä valtavan suuresta määrästä. Jos yksi gramma elektroneja voitaisiin järjestää suoralle viivalle lähelle toisiaan, ne muodostaisivat neljä miljardia kilometriä pitkän ketjun.
Elektronin massa, kuten minkä tahansa muun materiaalimikrohiukkasen, riippuu sen liikkeen nopeudesta. Suhteellisen lepotilassa olevan elektronin "lepomassa" on mekaaninen, samanlainen kuin minkä tahansa fyysisen kappaleen massa. Mitä tulee elektronin "liikemassaan", joka kasvaa sen liikkeen nopeuden kasvaessa, se on sähkömagneettista alkuperää. Tämä johtuu sähkömagneettisen kentän läsnäolosta liikkuvassa elektronissa materiaalina, jolla on massaa ja sähkömagneettista energiaa.
Mitä nopeammin elektroni liikkuu, sitä enemmän sen sähkömagneettisen kentän inertiaominaisuudet ilmenevät, sitä suurempi on viimeksi mainitun massa ja vastaavasti sen sähkömagneettinen energia. on luonnollista elektronin sähkömagneettisen kentän liikemäärä, joka on suoraan liitetty elektroniin itseensä.
Elektronilla on hiukkasen ominaisuuksien lisäksi myös aaltoominaisuuksia.Kokeellisesti todettiin, että elektronien virtaus, kuten valovirta, etenee aaltomaisen liikkeen muodossa. Elektronivirran aaltoliikkeen luonne avaruudessa vahvistetaan elektroniaaltojen interferenssillä ja diffraktiolla.
Elektroninen interferenssi Onko ilmiö elektronien toistensa päällekkäisyydestä ja elektronien diffraktiosta — ilmiö elektroniaaltojen taipumisesta kapean raon, jonka läpi elektronisäde kulkee, reunoilla. Siksi elektroni ei ole vain hiukkanen, vaan "hiukkasaalto", jonka pituus riippuu elektronin massasta ja nopeudesta.
Todettiin, että elektroni suorittaa translaatioliikkeensä lisäksi myös pyörivää liikettä akselinsa ympäri. Tämän tyyppistä elektroniliikettä kutsutaan "spiniksi" (englannin sanasta "spin" - spindle). Tämän liikkeen seurauksena elektroni saa sähkövarauksesta johtuvien sähköisten ominaisuuksien lisäksi myös magneettisia ominaisuuksia, jotka muistuttavat tässä suhteessa alkeismagneettia.
Protoni on todellinen hiukkanen, jonka positiivinen sähkövaraus on yhtä suuri kuin elektronin sähkövaraus.
Protonin massa on 1,67 · 10-24 r, eli noin 1840 kertaa suurempi kuin elektronin "lepomassa".
Toisin kuin elektronilla ja protonilla, neutronilla ei ole sähkövarausta, eli se on sähköisesti neutraali "alkuainehiukkanen". Neutronin massa on käytännössä sama kuin protonin massa.
Atomit muodostavat elektronit, protonit ja neutronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Erityisesti elektronit ja protonit vetävät toisiaan puoleensa hiukkasina, joilla on vastakkaiset sähkövaraukset.Samaan aikaan elektroni elektronista ja protoni protonista hylkivät hiukkasina, joilla on samat sähkövaraukset.
Kaikki nämä sähköisesti varautuneet hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa sähkökenttiensä kautta. Nämä kentät ovat erityinen aine, joka koostuu fotoneiksi kutsuttujen alkuainehiukkasten kokoelmasta. Jokaisella fotonilla on tiukasti määritelty energiamäärä (energiakvantti).
Sähköisesti varautuneiden materiaalien hiukkasten vuorovaikutus tapahtuu fotonien vaihdon kautta keskenään. Sähköisesti varautuneiden hiukkasten vuorovaikutusvoimaa kutsutaan yleensä sähkövoimaksi.
Atomien ytimissä olevat neutronit ja protonit ovat myös vuorovaikutuksessa keskenään. Tämä niiden välinen vuorovaikutus ei kuitenkaan enää tapahdu sähkökentän kautta, koska neutroni on sähköisesti neutraali aineen hiukkanen, vaan ns. ydinkenttä.
Tämä kenttä on myös erityinen aine, joka koostuu mesoneiksi kutsuttujen alkuainehiukkasten kokoelmasta... Neutronien ja protonien vuorovaikutus tapahtuu mesonien vaihdon kautta keskenään. Neutronien ja protonien välistä vuorovaikutusvoimaa kutsutaan ydinvoimaksi.
On todettu, että ydinvoimat vaikuttavat atomiytimissä erittäin pienillä etäisyyksillä - noin 10-13 cm.
Ydinvoimat ylittävät huomattavasti atomin ytimessä olevien protonien keskinäisen hylkimisen sähköiset voimat. Tämä johtaa siihen, että ne eivät vain pysty voittamaan protonien keskinäisiä hylkimisvoimia atomiytimien sisällä, vaan myös luomaan erittäin vahvoja ydinjärjestelmiä protonien ja neutronien kokoelmasta.
Minkä tahansa atomin ytimen stabiilius riippuu kahden ristiriidassa olevan voiman - ydinvoiman (protonien ja neutronien keskinäinen vetovoima) ja sähköisen (protonien vastavuoroinen hylkiminen) - suhteesta.
Atomien ytimissä vaikuttavat voimakkaat ydinvoimat myötävaikuttavat neutronien ja protonien muuntumiseen toisiinsa. Nämä neutronien ja protonien vuorovaikutukset tapahtuvat kevyempien alkuainehiukkasten, esimerkiksi mesonien, vapautumisen tai absorption seurauksena.
Käsittelemiämme hiukkasia kutsutaan alkuaineiksi, koska ne eivät koostu muiden, yksinkertaisempien aineen hiukkasten aggregaatiosta. Mutta samalla emme saa unohtaa, että ne voivat muuttua toisikseen, syntyä toisen kustannuksella. Siten nämä hiukkaset ovat joitain monimutkaisia muodostelmia, eli niiden perusluonne on ehdollinen.
Atomien kemiallinen rakenne
Sen rakenteen yksinkertaisin atomi on vetyatomi. Se koostuu vain kahden alkuainehiukkasen kokoelmasta - protonista ja elektronista. Vetyatomijärjestelmän protonilla on keskusytimen rooli, jonka ympäri elektroni pyörii tietyllä kiertoradalla. Kuvassa Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti vetyatomin mallin.
Riisi. 1. Kaavio vetyatomin rakenteesta
Tämä malli on vain karkea arvio todellisuudesta. Tosiasia on, että elektronin "hiukkasaallona" tilavuus ei ole jyrkästi rajattu ulkoisesta ympäristöstä. Ja tämä tarkoittaa, että ei pitäisi puhua jostain tarkasta elektronin lineaarisesta radasta, vaan eräänlaisesta elektronipilvestä. Tällöin elektroni miehittää useimmiten jonkin pilven keskiviivan, joka on yksi sen mahdollisista kiertoradoista atomissa.
On sanottava, että itse elektronin kiertorata ei ole tiukasti muuttumaton ja paikallaan atomissa - se myös tekee elektronin massan muutoksen vuoksi tietyn pyörimisliikkeen. Siksi elektronin liike atomissa on suhteellisen monimutkaista. Koska vetyatomin (protonin) ytimellä ja sen ympärillä pyörivällä elektronilla on vastakkaiset sähkövaraukset, ne vetävät toisiaan puoleensa.
Samaan aikaan atomin ytimen ympäri pyörivän elektronin vapaa energia kehittää keskipakovoiman, joka pyrkii poistamaan sen ytimestä. Siksi atomin ytimen ja elektronin välinen sähköinen vetovoima ja elektroniin vaikuttava keskipakovoima ovat vastakkaisia voimia.
Tasapainossa niiden elektroni on suhteellisen vakaassa asemassa jollain atomin kiertoradalla. Koska elektronin massa on hyvin pieni, sen täytyy pyöriä valtavalla nopeudella, joka on noin 6·1015 kierrosta sekunnissa, tasapainottaakseen vetovoimaa atomin ytimeen. Tämä tarkoittaa, että vetyatomin järjestelmässä oleva elektroni, kuten mikä tahansa muu atomi, liikkuu kiertoradalla lineaarisella nopeudella, joka ylittää tuhat kilometriä sekunnissa.
Normaaleissa olosuhteissa elektroni pyörii atomissa, joka on lähimpänä ydintä lähimpänä olevalla kiertoradalla. Samalla siinä on mahdollisimman vähän energiaa. Jos elektroni siirtyy syystä tai toisesta esimerkiksi muiden atomijärjestelmään tunkeutuneiden materiaalihiukkasten vaikutuksesta atomista kauempana olevalle kiertoradalle, silloin sillä on jo hieman suurempi energiamäärä.
Elektroni pysyy kuitenkin tällä uudella kiertoradalla merkityksettömän ajan, jonka jälkeen se pyörii takaisin atomin ydintä lähimpänä olevalle kiertoradalle.Tämän kurssin aikana se luovuttaa ylimääräisen energiansa magneettisen säteilyn kvantin - säteilyenergian - muodossa (kuva 2).
Riisi. 2. Kun elektroni siirtyy kaukaiselta kiertoradalta lähemmäs atomin ydintä, se emittoi kvantin säteilyenergiaa
Mitä enemmän energiaa elektroni saa ulkopuolelta, sitä enemmän se siirtyy atomin ytimestä kauimpana olevalle kiertoradalle ja sitä suuremman määrän sähkömagneettista energiaa se lähettää, kun se pyörii ydintä lähimpänä olevalle kiertoradalle.
Mittaamalla elektronin emittoiman energian määrä siirtyessään eri kiertoradoilta atomin ydintä lähinnä olevalle kiertoradalle, oli mahdollista todeta, että elektroni vetyatomin järjestelmässä, kuten missä tahansa muussakin kiertoradassa. atomi, ei voi mennä satunnaiselle kiertoradalle, tiukasti määrätylle tämän energian mukaisesti, jonka se vastaanottaa ulkoisen voiman vaikutuksesta. Ratoja, joita elektroni voi miehittää atomissa, kutsutaan sallituiksi kiertoradoiksi.
Koska vetyatomin ytimen positiivinen varaus (protonin varaus) ja elektronin negatiivinen varaus ovat numeerisesti yhtä suuria, niiden kokonaisvaraus on nolla. Tämä tarkoittaa, että vetyatomi normaalitilassaan on sähköisesti neutraali hiukkanen.
Tämä pätee kaikkien kemiallisten alkuaineiden atomeihin: minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomi normaalitilassaan on sähköisesti neutraali hiukkanen positiivisten ja negatiivisten varausten numeerisen yhtäläisyyden vuoksi.
Koska vetyatomin ydin sisältää vain yhden "alkuainehiukkasen" - protonin, tämän ytimen niin kutsuttu massaluku on yhtä suuri. Minkä tahansa kemiallisen alkuaineen atomin ytimen massaluku on ytimen muodostavien protonien ja neutronien kokonaismäärä.
Luonnollinen vety koostuu pääasiassa joukosta atomeja, joiden massaluku on yhtä. Se sisältää kuitenkin myös toisen tyyppisiä vetyatomeja, joiden massaluku on kaksi. Näiden raskaiden vetyatomien ytimet, joita kutsutaan deuteroneiksi, koostuvat kahdesta hiukkasesta, protonista ja neutronista. Tätä vedyn isotooppia kutsutaan deuteriumiksi.
Luonnollinen vety sisältää hyvin pieniä määriä deuteriumia. Jokaista kuuttatuhatta kevyttä vetyatomia kohden (massaluku on yksi) on vain yksi deuteriumatomi (raskas vety). On olemassa toinen vedyn isotooppi, superraskas vety, nimeltään tritium. Tämän vetyisotoopin atomin ytimessä on kolme hiukkasta: protoni ja kaksi neutronia, joita ydinvoimat sitovat yhteen. Tritiumatomin ytimen massaluku on kolme, eli tritiumatomi on kolme kertaa raskaampaa kuin kevyt vetyatomi.
Vaikka vetyisotooppien atomeilla on erilaiset massat, niillä on silti samat kemialliset ominaisuudet, esimerkiksi kevyt vety, joka joutuu kemialliseen reaktioon hapen kanssa, muodostaa sen kanssa monimutkaisen aineen - veden. Samoin vedyn isotooppi, deuterium, yhdistyy hapen kanssa muodostaen vettä, jota, toisin kuin tavallista vettä, kutsutaan raskaaksi vedeksi. Raskasta vettä käytetään laajasti ydinenergian (atomi) tuotannossa.
Siksi atomien kemialliset ominaisuudet eivät riipu niiden ytimien massasta, vaan vain atomin elektronikuoren rakenteesta. Koska kevyen vedyn, deuteriumin ja tritiumin atomeissa on sama määrä elektroneja (yksi kutakin atomia kohti), näillä isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet.
Ei ole sattumaa, että kemiallinen alkuaine vety on alkuaineiden jaksollisessa taulukossa ensimmäinen numero.Tosiasia on, että alkuaineiden jaksollisen taulukon kunkin elementin lukumäärän ja kyseisen alkuaineen atomin ytimen varauksen suuruuden välillä on jokin suhde. Se voidaan muotoilla seuraavasti: kunkin kemiallisen alkuaineen sarjanumero alkuaineiden jaksollisessa taulukossa on numeerisesti yhtä suuri kuin kyseisen alkuaineen ytimen positiivinen varaus ja siten sen ympärillä pyörivien elektronien lukumäärä.
Koska vety on alkuaineiden jaksollisessa taulukossa ensimmäinen numero, tämä tarkoittaa, että sen atomin ytimen positiivinen varaus on yhtä suuri kuin yksi ja että yksi elektroni pyörii ytimen ympäri.
Kemiallinen alkuaine helium on alkuaineiden jaksollisessa taulukossa toinen. Tämä tarkoittaa, että sillä on ytimen positiivinen sähkövaraus, joka on yhtä suuri kuin kaksi yksikköä, eli sen ytimessä on oltava kaksi protonia ja atomin elektronikuoressa - kaksi elektrodia.
Luonnollinen helium koostuu kahdesta isotoopista - raskaasta ja kevyestä heliumista. Raskaan heliumin massaluku on neljä. Tämä tarkoittaa, että kahden yllä mainitun protonin lisäksi raskaan heliumatomin ytimeen on päästävä vielä kaksi neutronia. Mitä tulee kevyeen heliumiin, sen massaluku on kolme, eli kahden protonin lisäksi sen ytimen koostumukseen tulisi päästä vielä yksi neutroni.
On havaittu, että luonnollisessa heliumissa kevyiden heliumatomien lukumäärä on noin miljoonasosa raskaiden geeniatomien määrästä. Kuvassa Kuva 3 esittää heliumatomin kaavamaisen mallin.
Riisi. 3. Kaavio heliumatomin rakenteesta
Kemiallisten alkuaineiden atomien rakenteen lisäkomplikaatio johtuu protonien ja neutronien lukumäärän lisääntymisestä näiden atomien ytimissä ja samanaikaisesti ytimien ympärillä pyörivien elektronien lukumäärän lisääntymisestä (kuva 4). Alkuaineiden jaksollisen taulukon avulla on helppo määrittää elektronien, protonien ja neutronien lukumäärä, jotka muodostavat eri atomeja.
Riisi. 4. Kaaviot atomiytimien rakentamiseen: 1 — helium, 2 — hiili, 3 — happi
Kemiallisen alkuaineen säännöllinen lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä atomin ytimessä ja samalla ytimen ympärillä pyörivien elektronien lukumäärä. Mitä tulee atomipainoon, se on suunnilleen yhtä suuri kuin atomin massaluku, eli protonien ja neutronien lukumäärä yhdessä ytimessä. Siksi vähentämällä elementin atomipainosta luku, joka on yhtä suuri kuin alkuaineen atomiluku, on mahdollista määrittää, kuinka monta neutronia tiettyyn ytimeen sisältyy.
On todettu, että kevyiden kemiallisten alkuaineiden ytimet, joiden koostumuksessa on sama määrä protoneja ja neutroneja, eroavat erittäin suuresta lujuudesta, koska niissä olevat ydinvoimat ovat suhteellisen suuria. Esimerkiksi raskaan heliumatomin ydin on erittäin kestävä, koska se koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, jotka ovat sitoutuneet yhteen voimakkaiden ydinvoimien avulla.
Raskaampien kemiallisten alkuaineiden atomien ytimet sisältävät jo koostumuksessaan epätasaisen määrän protoneja ja neutroneja, minkä vuoksi niiden sidos ytimessä on heikompi kuin kevyiden kemiallisten alkuaineiden ytimissä. Näiden alkuaineiden ytimet voidaan halkaista suhteellisen helposti, kun niitä pommitetaan atomi "ammuksilla" (neutroneilla, heliumytimillä jne.).
Mitä tulee raskaimpiin kemiallisiin alkuaineisiin, erityisesti radioaktiivisiin, niiden ytimille on ominaista niin alhainen lujuus, että ne hajoavat spontaanisti komponenttiosiinsa. Esimerkiksi 88 protonin ja 138 neutronin yhdistelmästä koostuvan radioaktiivisen alkuaineen radiumin atomit hajoavat spontaanisti muuttuen radioaktiivisen elementin radonin atomeiksi. Jälkimmäisten atomit puolestaan hajoavat osiinsa ja siirtyvät muiden alkuaineiden atomeiksi.
Tutustuttuamme lyhyesti kemiallisten alkuaineiden atomien ytimien rakenneosiin, tarkastellaan atomien elektronikuorten rakennetta. Kuten tiedät, elektronit voivat kiertää atomiytimien ympärillä vain tiukasti määritellyillä kiertoradoilla. Lisäksi ne ovat niin ryhmittyneet kunkin atomin elektronikuoreen, että yksittäiset elektronikuoret voidaan erottaa.
Jokainen kuori voi sisältää tietyn määrän elektroneja, jotka eivät ylitä tiukasti tiettyä määrää. Joten esimerkiksi ensimmäisessä atomin ydintä lähinnä olevassa elektronikuoressa voi olla enintään kaksi elektronia, toisessa - enintään kahdeksan elektronia jne.
Niillä atomeilla, joissa ulommat elektronikuoret ovat täysin täytetty, on stabiilin elektronikuori. Tämä tarkoittaa, että atomi pitää tiukasti kaikki elektroninsa, eikä sen tarvitse vastaanottaa lisämäärää ulkopuolelta. Esimerkiksi heliumatomissa on kaksi elektronia, jotka täyttävät kokonaan ensimmäisen elektronikuoren, ja neonatomissa on kymmenen elektronia, joista kaksi ensimmäistä täyttävät kokonaan ensimmäisen elektronikuoren ja loput - toisen (kuva 5).
Riisi. 5. Kaavio neonatomin rakenteesta
Siksi helium- ja neonatomeilla on melko vakaat elektronikuoret, ne eivät yleensä muuta niitä kvantitatiivisesti. Tällaiset alkuaineet ovat kemiallisesti inerttejä, eli ne eivät joudu kemialliseen vuorovaikutukseen muiden alkuaineiden kanssa.
Useimmissa kemiallisissa alkuaineissa on kuitenkin atomeja, joiden ulommat elektronikuoret eivät ole täysin täytetty elektroneilla. Esimerkiksi kaliumatomissa on yhdeksäntoista elektronia, joista kahdeksantoista täyttää kokonaan kolme ensimmäistä kuorta, ja yhdeksästoista elektroni on seuraavassa, täyttämättömässä elektronikuoressa. Neljännen elektronikuoren heikko täyttö elektroneilla johtaa siihen, että atomin ydin pitää erittäin heikosti uloimman - yhdeksännentoista elektronin, ja siksi jälkimmäinen voidaan helposti poistaa atomista. …
Tai esimerkiksi happiatomissa on kahdeksan elektronia, joista kaksi täyttää kokonaan ensimmäisen kuoren ja loput kuusi sijaitsevat toisessa kuoressa. Siten happiatomin toisen elektronikuoren rakentamisen loppuun saattamiseksi siitä puuttuu vain kaksi elektronia. Siksi happiatomi ei vain pidä lujasti kuutta elektroniaan toisessa kuoressa, vaan sillä on myös kyky houkutella kaksi puuttuvaa elektronia itseensä täyttääkseen toisen elektronikuoren. Tämän hän saavuttaa yhdistämällä kemiallisesti sellaisten alkuaineiden atomien kanssa, joissa ulommat elektronit ovat heikosti assosioituneita ytimiinsä.
Kemialliset alkuaineet, joiden atomeissa ei ole ulompia elektronikerroksia, jotka ovat täysin täynnä elektroneja, ovat pääsääntöisesti kemiallisesti aktiivisia, eli ne tulevat mielellään kemialliseen vuorovaikutukseen.
Joten kemiallisten alkuaineiden atomeissa olevat elektronit on järjestetty tiukasti määriteltyyn järjestykseen, ja mikä tahansa muutos niiden avaruudellisessa järjestelyssä tai määrässä atomin elektronikuoressa johtaa muutokseen viimeksi mainitun fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa.
Atomijärjestelmän elektronien ja protonien lukumäärän yhtäläisyys on syy siihen, miksi sen kokonaissähkövaraus on nolla. Jos atomijärjestelmän elektronien ja protonien lukumäärän tasa-arvoa rikotaan, atomista tulee sähköisesti varautunut järjestelmä.
Ioniksi kutsutaan atomia, jonka järjestelmässä vastakkaisten sähkövarausten tasapaino on häiriintynyt sen vuoksi, että se on menettänyt osan elektroneistaan tai päinvastoin hankkinut niitä liikaa.
Päinvastoin, jos atomi hankkii ylimääräisen määrän elektroneja, siitä tulee negatiivinen ioni. Esimerkiksi klooriatomista, joka on vastaanottanut yhden lisäelektronin, tulee kertavarauksella negatiivinen kloori-ioni Cl-... Happiatomista, joka on vastaanottanut kaksi lisäelektronia, tulee kaksinkertaisesti varautunut negatiivinen happi-ioni O ja niin edelleen.
Atomista, josta on tullut ioni, tulee sähköisesti varautunut järjestelmä suhteessa ulkoiseen ympäristöön. Ja tämä tarkoittaa, että atomilla alkoi olla sähkökenttä, jonka kanssa se muodostaa yhden materiaalijärjestelmän, ja tämän kentän kautta se suorittaa sähköistä vuorovaikutusta muiden sähköisesti varautuneiden aineen hiukkasten - ionien, elektronien, positiivisesti varautuneiden atomiytimien kanssa, jne.
Eri ionien kyky vetää toisiaan puoleensa johtuu siitä, että ne yhdistyvät kemiallisesti muodostaen monimutkaisempia ainehiukkasia - molekyylejä.
Lopuksi on huomattava, että atomin mitat ovat erittäin suuria verrattuna niiden todellisten hiukkasten mittoihin, joista ne koostuvat. Monimutkaisimman atomin ydin vie yhdessä kaikkien elektronien kanssa yhden miljardisosan atomin tilavuudesta. Yksinkertainen laskelma osoittaa, että jos yksi kuutiometri platinaa voidaan puristaa niin tiukasti, että atomin sisäiset ja atomien väliset tilat katoavat, saadaan tilavuus, joka vastaa noin kuutiomillimetriä.