Виявлення субатомних частинок
- Page ID
- 24629
Навички для розвитку
- Охарактеризуйте три типи радіоактивності
- Зрозумійте різницю між атомами. іонами та ізотопами
- Визначте субатомні частинки, що складають атоми
В кінці останнього розділу (Valence) ми згадали проблему мас йоду і телуру, які «вийшли з ладу» в таблиці Менделєєва. Це була лише одна з декількох проблем, з якими стикаються хіміки на даний момент. Іншим були рідкісноземельні елементи (лантаноїди і актиноїди, внизу таблиці Менделєєва). Рідкоземельні елементи були надзвичайно схожі один на одного, тому розділити їх, визначити маси, вписати в таблицю Менделєєва було дуже важко.
Ще однією проблемою були іони. Іони були зарядженими хімічними утвореннями, які рухалися через розчини, що несуть електричний струм при подачі електрики. Хіміки знали, що вони існують, але не могли пояснити, як вони утворюються. Катіони були позитивно заряджені, в той час як аніони були негативно заряджені. Відомо, що водень утворює позитивні іони з певним зарядом. Але звідки взялися звинувачення? Берцелій думав, що самі атоми заряджені, але це не має сенсу після того, як була прийнята гіпотеза Авогадро, оскільки в цьому випадку два атоми O в O 2 будуть відштовхувати один одного, а не утворювати молекулу. Звичайно, це було в основному проблемою для фізиків-хіміків, тому що фізики в основному досі не вірили в атоми.
Експерименти Деві, Фарадея та інших показали, що тверді речовини зазвичай проводять електрику, не змінюючи себе; рідини розкладаються електричним струмом, а гази погано проводять і тільки при високій напрузі, але стають кращими провідниками при низькому тиску. Скляні трубки газового світіння низького тиску; приклади включають неонові вогні на вітрини магазинів, люмінесцентні лампочки та жовті натрієві лампи, які іноді використовуються на вуличних ліхтарях. Коли скляні трубки, наповнені газом дуже низького тиску, були виготовлені експертом склодувом Geissler після 1850 року, світиться пляма з'явиться десь на склі, коли трубка була підключена до високої напруги. Це місце могло пересуватися магнітом, припускаючи, що воно було негативно заряджено. З катода (електрода, до якого рухаються катіони) виходив промінь або промінь, і цей промінь змусив скло світитися. (Саме так працюють старі телевізори, з раніше з'явилися плоскі екрани.)
Але яким був промінь, який вийшов з катода? Деякі вважали, що це негативно заряджені частинки, а інші (особливо фізики) вважали, що це хвиля. Томсон переконав себе, що промінь - це негативно заряджена частинка, яку можна переміщати за допомогою електричних або магнітних полів. Він підрахував, що частка має відношення заряду/маса в 1000x більше, ніж іон водню, але з протилежним зарядом. Промінь, який виходить з катода, однаковий незалежно від матеріалу, і він виявив, що ви можете генерувати ту саму частинку, нагріваючи металеві нитки дуже гарячими або піддаючи металеву поверхню ультрафіолетовим світлом (світло, яке дає вам сонячні опіки).
Що таке катодні промені? Електрони! Коли Томсон припустив у 1897 році, що або вони мають набагато більший заряд, або набагато меншу масу, ніж іони водню, багато людей ставилися скептично. Однак ретельні вимірювання Міллікана (починаючи з 1908 року, продовжуючи майже 10 років!) падіння крапель туману в електричному або магнітному полі виявило, що електрони мають такий же заряд, як іони водню, але майже ~ 1/2000 менш масивні, тому насправді Томсон здогадався, що електрони були вдвічі більші, ніж вони є насправді.
Підсумовуючи, електрони мають рівний, але протилежний заряд іонам водню, але іони водню важать в 2000x більше, ніж електрони. Електрони входять до складу кожного виду атома.
Крім електронів, з чого складаються атоми? Рентгенівські промені були виявлені в 1895 році, коли Рентген помітив промінь, який проходив через скло його електронно-променевої трубки, і розробив фотографічну плівку, розміщену на його шляху, навіть якщо вона була загорнута в темний папір. Натхненний цим відкриттям, Беккерель вивчав флуоресценцію (це означає світіння після впливу світла) мінералів і чи може це розвинути плівку через темний папір. Він використовував сонячне світло, щоб зробити мінерали флуоресцентними, але виявив, що деякі мінерали флуоресцентні навіть без сонячного світла. Мінерали, що містять елементи уран і торій, мають цю властивість, яке називається радіоактивністю. Було виявлено три типи радіоактивності: α (позитивний заряд), β (електрони, такі ж, як катодні промені) і γ (світло, подібний до рентгенівських променів). Це випромінювання є властивістю елемента, і не змінюється хімічними комбінаціями. Також було виявлено, що радіоактивні елементи розпадаються на продукти, які дуже нагадують відомі елементи, хіба що маси різні. Ці продукти розпаду мають точно такі ж хімічні властивості, як відомі елементи, і після змішування між собою вони не можуть бути розділені хімічними засобами. Але маси були різними. Докази проти «однакових і неподільних атомів Дальтона кожного елемента» ставали сильними.
Резерфорд вивчив α-випромінювання, і виявив, що воно має позитивний заряд, і співвідношення e/m (заряд/маса) 1/2, що у іона водню. Пізніше він довів, що це заряджена форма елемента гелій (Він).
Нарешті, використовуючи ранню версію мас-спектрометра, який вимірює е/м шляхом прискорення заряджених частинок в електричному або магнітному полі, Астон визначив, що атоми неону (Ne) мають маси 20 або 22, а не 20,2, то прийняте значення. Ось ще один випадок, коли важливо знати точність вашого експерименту: якби він не зміг визначити різницю між 20.0 і 20.2, це не було б корисно! Дві версії Ne називаються ізотопами. Ізотопи - це атоми одного елемента з мають однакові хімічні властивості, але мають різну масу.
Яка будова атома? У цей момент було зрозуміло, що Далтон був не зовсім правильним, оскільки атоми одного елемента могли існувати в різних формах, або ізотопах. Також стало зрозуміло, що атоми можна розділити на менші частини, як електрони. Але як були розташовані електрони та позитивні частини (як частина Нього, що є α-випромінюванням), і що було позитивною частинкою? Здавалося, що в атомах багато порожнього простору, тому що катодні промені могли проходити через алюмінієві вікна. Було розглянуто багато теорій, але в кінцевому підсумку двоє студентів Резерфорда, Гейгер і Марсден, знайшли відповідь. Вони спостерігали, що α-промені, спрямовані на тонку золоту (Au) фольгу, зазвичай проходили через фольгу (хоча зазвичай не зовсім прямі), але іноді фольга збивала їх назад у напрямку, звідки вони прийшли. Ці α-частинки, мабуть, зіткнулися (або відштовхувалися великим позитивним зарядом) щось дуже важке, щоб мати таку велику зміну напрямку. У 1911 році Резерфорд запропонував атоми складатися з невеликої щільної частинки - ядра, яке містить більшу частину маси атома і весь його позитивний заряд, при цьому електрони рухаються через велике порожнє простір навколо ядра. Але вони трохи заплуталися з приводу маси і заряду ядра.
У 1913 році дуже молодий хімік на ім'я Генрі Мозлі виміряв довжину хвилі флуоресценції, вироблену, коли рентгенівські промені світять на чистих елементарних зразках. Він виявив, що якщо ви графуєте квадратний корінь частоти флуоресценції проти розташування елемента в періодичній таблиці (наприклад, H, 1; C, 6; Hg, 80) ви отримаєте пряму лінію. Розташування в таблиці Менделєєва називається атомним номером. Це підтвердило впорядкування Te/I в таблиці Менделєєва і кілька інших подібних проблем. Він також зміг визначити, де не виявлені елементи відсутні в таблиці, і уточнити ідентифікацію рідкісноземельних елементів, що було дуже важко, оскільки вони були настільки схожі. Йому було 26 років, і він помер через рік у Першій світовій війні. Робота Мозлі показала, що впорядкування таблиці Менделєєва засноване на атомному номері, який є кількістю позитивних зарядів в ядрі, а також кількістю електронів. Одиницею позитивного заряду є водневе ядро, або протон.
Маса ядра продовжувала збивати з пантелику навіть після того, як кількість позитивного заряду була визначена атомними номерами Мозлі. Атомні ваги були приблизно вдвічі більше, ніж вони повинні бути, якщо ядро утримувало лише протони. Пропозиція пояснити це полягала в тому, що в ядрі є деякі електрони, скасовуючи заряд половини протонів. Пізніше радіохімічні експерименти показали існування нейтрона, який має приблизно масу протона і немає заряду. Це розумілося як зайва маса в ядрах. Однак ми знаємо, що нейтрони можуть розпастися на протони та електрони (та деякі інші менш знайомі частинки), тому попередня ідея була не за горами.
Резюме
Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів. Протони і нейтрони складають більшу частину маси атома і весь його позитивний заряд в ядрі. Протони - це субатомні частинки, які містять позитивний заряд. По суті, вони є ядрами водню. Нейтрони - це субатомні частинки, які мають таку ж масу, як і протон, але не заряджаються. Електрони - це субатомні частинки з негативним зарядом, які знаходяться поза ядром атома. Атомний номер елемента забезпечує його розташування на періодичній таблиці, а також описує, скільки протонів знаходиться в атомах цього конкретного елемента. Іони - це атоми, які або позитивно, або негативно заряджені через кількість протонів або електронів в атомі, що не дорівнює один одному. Ізотопи - це атоми, які мають різну кількість нейтронів в ядрі, ніж нормальні. Існує три основних типи радіоактивності: α, β і γ. α (Альфа) випромінювання передбачає випромінювання ядра гелію, яке представляє собою два протони і два нейтрони. β (бета) випромінювання передбачає випромінювання електрона з ядер атома. γ (Gamma) випромінювання передбачає випромінювання високої енергії електромагнітне випромінювання.