Cấu trúc của nguyên tử — hạt cơ bản của vật chất, electron, proton, neutron
Tất cả các cơ thể vật chất trong tự nhiên đều được cấu tạo từ một loại vật chất gọi là vật chất. Các chất được chia thành hai nhóm chính - chất đơn giản và chất phức tạp.
Chất phức tạp là chất mà qua các phản ứng hoá học có thể bị phân huỷ thành chất khác đơn giản hơn. Không giống như các chất phức tạp, các chất đơn giản là những chất không thể bị phân hủy về mặt hóa học thành các chất thậm chí còn đơn giản hơn.
Một ví dụ về một chất phức tạp là nước, thông qua phản ứng hóa học có thể bị phân hủy thành hai chất khác đơn giản hơn - hydro và oxy. Đối với hai chất cuối cùng, chúng không còn có thể bị phân hủy về mặt hóa học thành các chất đơn giản hơn và do đó là các chất đơn giản, hay nói cách khác là các nguyên tố hóa học.
Vào nửa đầu thế kỷ 19, trong khoa học có giả thiết cho rằng các nguyên tố hóa học là những chất không thay đổi, không có mối quan hệ chung với nhau. Tuy nhiên, nhà khoa học người Nga D. I. Mendeleev (1834 - 1907) lần đầu tiên vào năm 1869tiết lộ mối quan hệ của các nguyên tố hóa học, cho thấy đặc tính định tính của mỗi nguyên tố phụ thuộc vào đặc tính định lượng của nó - trọng lượng nguyên tử.
Nghiên cứu tính chất của các nguyên tố hóa học, D. I. Mendeleev nhận thấy rằng tính chất của chúng lặp lại định kỳ tùy thuộc vào trọng lượng nguyên tử của chúng. Ông đã chỉ ra tính tuần hoàn này dưới dạng một bảng, được đưa vào khoa học với tên gọi "Bảng các nguyên tố tuần hoàn của Mendeleev".
Dưới đây là bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học hiện đại của Mendeleev.
nguyên tử
Theo quan niệm khoa học hiện đại, mỗi nguyên tố hóa học bao gồm tập hợp các hạt vật chất (vật chất) nhỏ nhất gọi là nguyên tử.
Nguyên tử là phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học không còn có thể bị phân hủy về mặt hóa học thành các hạt vật chất khác nhỏ hơn và đơn giản hơn.
Các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có bản chất khác nhau khác nhau về tính chất hóa lý, cấu trúc, kích thước, khối lượng, trọng lượng nguyên tử, năng lượng riêng và một số tính chất khác. Ví dụ, nguyên tử hydro khác hẳn về tính chất và cấu trúc so với nguyên tử oxy và nguyên tử oxy khác với nguyên tử uranium, v.v.
Nguyên tử của các nguyên tố hóa học được tìm thấy có kích thước vô cùng nhỏ. Nếu chúng ta giả định một cách có điều kiện rằng các nguyên tử có dạng hình cầu, thì đường kính của chúng phải bằng một phần trăm triệu centimet. Ví dụ, đường kính của một nguyên tử hydro - nguyên tử nhỏ nhất trong tự nhiên - là một phần trăm triệu centimet (10-8 cm) và đường kính của các nguyên tử lớn nhất, chẳng hạn như nguyên tử uranium, không vượt quá ba phần trăm. phần triệu centimet (3 10-8 cm).Do đó, nguyên tử hydro nhỏ hơn nhiều lần so với quả cầu có bán kính một centimet, vì quả cầu sau nhỏ hơn quả địa cầu.
Do kích thước nguyên tử rất nhỏ nên khối lượng của chúng cũng rất nhỏ. Ví dụ, khối lượng của một nguyên tử hydro là m = 1,67· 10-24 Điều này có nghĩa là một gam hydro chứa khoảng 6·1023 nguyên tử.
Đối với đơn vị đo trọng lượng nguyên tử thông thường của các nguyên tố hóa học, người ta lấy 1/16 trọng lượng của nguyên tử oxy. Theo trọng lượng nguyên tử này của một nguyên tố hóa học, một số trừu tượng được gọi là, cho biết trọng lượng của một nguyên tố hóa học nhất định lớn hơn 1/16 lần trọng lượng của nguyên tử oxy.
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố của D. I. Mendeleev, trọng lượng nguyên tử của tất cả các nguyên tố hóa học được đưa ra (xem số dưới tên của nguyên tố). Từ bảng này, chúng ta thấy rằng nguyên tử nhẹ nhất là nguyên tử hydro, có trọng lượng nguyên tử là 1,008. Trọng lượng nguyên tử của carbon là 12, oxy là 16, v.v.
Đối với các nguyên tố hóa học nặng hơn, trọng lượng nguyên tử của chúng vượt quá trọng lượng nguyên tử của hydro hơn hai trăm lần. Vì vậy, giá trị nguyên tử của thủy ngân là 200,6, radium là 226, v.v. Nguyên tố hóa học có thứ tự chiếm giữ càng cao trong bảng tuần hoàn các nguyên tố thì khối lượng nguyên tử càng lớn.
Hầu hết trọng lượng nguyên tử của các nguyên tố hóa học được biểu thị dưới dạng số phân số. Điều này ở một mức độ nào đó được giải thích là do các nguyên tố hóa học như vậy bao gồm một tập hợp có bao nhiêu loại nguyên tử có trọng lượng nguyên tử khác nhau nhưng có cùng tính chất hóa học.
Các nguyên tố hóa học chiếm cùng một số trong bảng tuần hoàn các nguyên tố và do đó có cùng tính chất hóa học nhưng có khối lượng nguyên tử khác nhau được gọi là đồng vị.
Đồng vị được tìm thấy trong hầu hết các nguyên tố hóa học, có hai đồng vị, canxi - bốn, kẽm - năm, thiếc - mười một, v.v. Nhiều đồng vị thu được nhờ nghệ thuật, một số đồng vị có tầm quan trọng thực tế lớn.
Các hạt cơ bản của vật chất
Trong một thời gian dài, người ta tin rằng các nguyên tử của các nguyên tố hóa học là giới hạn của khả năng phân chia của vật chất, nghĩa là "khối xây dựng" cơ bản của vũ trụ. Khoa học hiện đại bác bỏ giả thuyết này bằng cách xác định rằng nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào là tập hợp của các hạt vật chất thậm chí còn nhỏ hơn chính nguyên tử đó.
Theo lý thuyết điện tử về cấu trúc của vật chất, nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào là một hệ thống bao gồm một hạt nhân trung tâm xung quanh xoay quanh các hạt "cơ bản" của vật liệu gọi là điện tử. Hạt nhân của các nguyên tử, theo quan điểm được chấp nhận rộng rãi, bao gồm một tập hợp các hạt vật chất "cơ bản" - proton và neutron.
Để hiểu cấu trúc của các nguyên tử và các quá trình hóa lý trong đó, ít nhất cần phải làm quen sơ qua với các đặc điểm cơ bản của các hạt cơ bản tạo nên nguyên tử.
Người ta xác định rằng một electron là một hạt thực sự với điện tích âm nhỏ nhất được quan sát thấy trong tự nhiên.
Nếu chúng ta giả sử một cách có điều kiện rằng electron là một hạt có dạng hình cầu, thì đường kính của electron phải bằng 4 ·10-13 cm, nghĩa là nó nhỏ hơn hàng chục nghìn lần so với đường kính của mỗi nguyên tử.
Một electron, giống như bất kỳ hạt vật chất nào khác, có khối lượng. "Khối lượng nghỉ" của electron, nghĩa là khối lượng mà nó sở hữu ở trạng thái nghỉ tương đối, bằng mo = 9,1 · 10-28 G.
“Khối lượng nghỉ” của electron vô cùng nhỏ chứng tỏ tính chất quán tính của electron là vô cùng yếu, nghĩa là electron dưới tác dụng của một lực điện xoay chiều có thể dao động điều hòa trong không gian với tần số nhiều tỷ chu kỳ mỗi thứ hai.
Khối lượng của electron nhỏ đến mức cần 1027 đơn vị để tạo ra một gam electron. Để có ít nhất một số ý tưởng vật lý về số lượng khổng lồ này, chúng tôi sẽ đưa ra một ví dụ. Nếu một gam electron có thể được sắp xếp theo một đường thẳng gần nhau, thì chúng sẽ tạo thành một chuỗi dài bốn tỷ km.
Khối lượng của electron, giống như bất kỳ vi hạt vật chất nào khác, phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nó. Một electron ở trạng thái nghỉ tương đối có "khối lượng nghỉ" có tính chất cơ học, tương tự như khối lượng của bất kỳ vật thể nào. Đối với "khối lượng chuyển động" của electron, tăng lên khi tốc độ chuyển động của nó tăng lên, nó có nguồn gốc điện từ. Điều này là do sự hiện diện của trường điện từ trong một electron chuyển động như một loại vật chất có khối lượng và năng lượng điện từ.
Electron chuyển động càng nhanh thì tính chất quán tính của trường điện từ của nó càng được biểu hiện, khối lượng của nó càng lớn và theo đó là năng lượng điện từ của nó. tự nhiên là khối lượng động lượng của trường điện từ của electron được quy trực tiếp cho chính electron.
Electron ngoài tính chất của hạt còn có tính chất sóng.Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng dòng điện tử, giống như dòng ánh sáng, lan truyền dưới dạng chuyển động giống như sóng. Bản chất chuyển động sóng của dòng electron trong không gian được khẳng định bằng các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ của sóng điện tử.
Nhiễu điện tử Là hiện tượng chồng chất của các electron lên nhau và nhiễu xạ điện tử - đây là hiện tượng sóng điện tử uốn cong ở các cạnh của một khe hẹp mà chùm tia điện tử đi qua. Do đó, electron không chỉ là một hạt, mà là một «sóng hạt», độ dài của nó phụ thuộc vào khối lượng và tốc độ của electron.
Người ta đã xác định rằng electron, ngoài chuyển động tịnh tiến, còn thực hiện chuyển động quay quanh trục của nó. Loại chuyển động này của điện tử được gọi là "spin" (từ tiếng Anh "spin" - trục chính). Kết quả của chuyển động này, electron, ngoài các tính chất điện do điện tích, còn có được các tính chất từ tính, giống như một nam châm cơ bản về mặt này.
Proton là một hạt thực sự có điện tích dương có giá trị tuyệt đối bằng điện tích của electron.
Khối lượng của proton là 1,67 ·10-24 r, nghĩa là lớn hơn khoảng 1840 lần so với "khối lượng nghỉ" của electron.
Không giống như electron và proton, neutron không có điện tích, nghĩa là nó là một hạt vật chất "sơ cấp" trung hòa về điện. Khối lượng của neutron thực tế bằng khối lượng của proton.
Các electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử tương tác với nhau. Đặc biệt, các electron và proton hút nhau như những hạt mang điện tích trái dấu.Đồng thời, electron với electron và proton với proton đẩy nhau như những hạt có cùng điện tích.
Tất cả các hạt tích điện này tương tác thông qua điện trường của chúng. Những trường này là một loại vật chất đặc biệt bao gồm một tập hợp các hạt vật chất cơ bản gọi là photon. Mỗi photon có một lượng năng lượng (lượng tử năng lượng) được xác định nghiêm ngặt vốn có trong nó.
Sự tương tác của các hạt vật liệu vật liệu tích điện diễn ra thông qua sự trao đổi các photon với nhau. Lực tương tác giữa các hạt mang điện thường được gọi là lực điện trường.
Các neutron và proton trong hạt nhân nguyên tử cũng tương tác với nhau. Tuy nhiên, sự tương tác này giữa chúng không còn diễn ra thông qua điện trường nữa, vì neutron là hạt vật chất trung hòa về điện, mà thông qua cái gọi là lĩnh vực hạt nhân.
Trường này cũng là một loại vật chất đặc biệt bao gồm tập hợp các hạt vật chất cơ bản gọi là meson... Tương tác của neutron và proton diễn ra thông qua sự trao đổi của các meson với nhau. Lực tương tác giữa nơtron và proton gọi là lực hạt nhân.
Người ta đã chứng minh rằng các lực hạt nhân tác dụng trong hạt nhân nguyên tử ở những khoảng cách cực nhỏ - khoảng 10-13 cm.
Lực hạt nhân vượt xa lực điện của lực đẩy lẫn nhau của các proton trong hạt nhân nguyên tử. Điều này dẫn đến thực tế là chúng không chỉ có thể vượt qua lực đẩy lẫn nhau của các proton bên trong hạt nhân nguyên tử mà còn tạo ra các hệ hạt nhân rất mạnh từ tập hợp các proton và neutron.
Sự ổn định của hạt nhân của bất kỳ nguyên tử nào phụ thuộc vào tỷ lệ của hai lực xung đột - hạt nhân (lực hút lẫn nhau của proton và neutron) và lực điện (lực đẩy lẫn nhau của proton).
Các lực hạt nhân mạnh mẽ hoạt động trong hạt nhân của các nguyên tử góp phần biến đổi neutron và proton thành nhau. Những tương tác giữa neutron và proton này diễn ra do sự giải phóng hoặc hấp thụ các hạt cơ bản nhẹ hơn, chẳng hạn như meson.
Các hạt được chúng tôi xem xét được gọi là cơ bản vì chúng không bao gồm một tập hợp các hạt vật chất khác đơn giản hơn. Nhưng đồng thời, chúng ta không được quên rằng chúng có thể chuyển hóa lẫn nhau, nảy sinh với cái giá phải trả của cái kia. Do đó, các hạt này là một số dạng phức tạp, nghĩa là bản chất cơ bản của chúng là có điều kiện.
Cấu trúc hóa học của nguyên tử
Nguyên tử đơn giản nhất trong cấu trúc của nó là nguyên tử hydro. Nó bao gồm một tập hợp chỉ có hai hạt cơ bản - một proton và một electron. Proton trong hệ thống nguyên tử hydro đóng vai trò là hạt nhân trung tâm mà xung quanh nó là một electron quay theo một quỹ đạo nhất định. Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy sơ đồ một mô hình của nguyên tử hydro.
Cơm. 1. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử hiđro
Mô hình này chỉ là một xấp xỉ sơ bộ của thực tế. Thực tế là electron với tư cách là một "sóng hạt" không có thể tích được phân định rõ ràng với môi trường bên ngoài. Và điều này có nghĩa là người ta không nên nói về một số quỹ đạo tuyến tính chính xác của electron, mà là về một loại đám mây điện tử. Trong trường hợp này, electron thường chiếm một số đường giữa của đám mây, đây là một trong những quỹ đạo có thể có của nó trong nguyên tử.
Cần phải nói rằng bản thân quỹ đạo của electron không hoàn toàn không thay đổi và đứng yên trong nguyên tử - nó cũng tạo ra một chuyển động quay nhất định do khối lượng của electron thay đổi. Do đó, chuyển động của electron trong nguyên tử tương đối phức tạp. Vì hạt nhân của nguyên tử hydro (proton) và electron quay quanh nó có điện tích trái dấu nên chúng hút nhau.
Đồng thời, năng lượng tự do của electron, quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử, tạo ra lực ly tâm có xu hướng đẩy nó ra khỏi hạt nhân. Do đó, lực điện hút lẫn nhau giữa hạt nhân nguyên tử với electron và lực ly tâm tác dụng lên electron là hai lực đối nghịch nhau.
Ở trạng thái cân bằng, êlectron của chúng chiếm một vị trí tương đối bền trên quỹ đạo nào đó trong nguyên tử. Vì khối lượng của electron rất nhỏ nên để cân bằng với lực hút đối với hạt nhân nguyên tử thì nó phải quay với vận tốc cực lớn bằng khoảng 6·1015 vòng/giây. Điều này có nghĩa là một electron trong hệ thống của nguyên tử hydro, giống như bất kỳ nguyên tử nào khác, di chuyển dọc theo quỹ đạo của nó với tốc độ tuyến tính vượt quá một nghìn km mỗi giây.
Trong điều kiện bình thường, một electron quay trong nguyên tử thuộc loại quỹ đạo gần hạt nhân nhất. Đồng thời, nó có lượng năng lượng tối thiểu có thể. Ví dụ, nếu vì lý do này hay lý do khác, dưới tác động của các hạt vật chất khác đã xâm chiếm hệ thống nguyên tử, electron chuyển sang quỹ đạo xa nguyên tử hơn, thì nó sẽ có một lượng năng lượng lớn hơn một chút.
Tuy nhiên, electron vẫn ở trong quỹ đạo mới này trong một khoảng thời gian không đáng kể, sau đó, nó quay trở lại quỹ đạo gần hạt nhân nguyên tử nhất.Trong quá trình này, nó giải phóng năng lượng dư thừa của mình dưới dạng một lượng tử bức xạ từ—năng lượng bức xạ (Hình 2).
Cơm. 2. Khi êlectron chuyển từ quỹ đạo xa về quỹ đạo gần hạt nhân nguyên tử hơn thì nó phát ra một lượng tử năng lượng bức xạ
Năng lượng mà êlectron nhận được từ bên ngoài càng nhiều thì nó càng chuyển động về quỹ đạo xa hạt nhân nguyên tử nhất và năng lượng điện từ mà nó tỏa ra khi quay về quỹ đạo gần hạt nhân nhất càng lớn.
Bằng cách đo lượng năng lượng do electron phát ra trong quá trình chuyển từ các quỹ đạo khác nhau sang quỹ đạo gần hạt nhân nguyên tử nhất, có thể xác định rằng một electron trong hệ thống nguyên tử hydro, cũng như trong hệ thống của bất kỳ nguyên tử nào khác. nguyên tử, không thể đi đến một quỹ đạo ngẫu nhiên, đến một xác định nghiêm ngặt phù hợp với năng lượng này mà nó nhận được dưới tác động của ngoại lực. Các quỹ đạo mà một electron có thể chiếm giữ trong một nguyên tử được gọi là quỹ đạo được phép.
Vì điện tích dương của hạt nhân nguyên tử hydro (điện tích của proton) và điện tích âm của electron bằng nhau về số lượng nên tổng điện tích của chúng bằng không. Điều này có nghĩa là nguyên tử hydro ở trạng thái bình thường là một hạt trung hòa về điện.
Điều này đúng với các nguyên tử của tất cả các nguyên tố hóa học: nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào ở trạng thái bình thường là một hạt trung hòa về điện do sự bằng nhau về số lượng của các điện tích dương và âm.
Vì hạt nhân của nguyên tử hydro chỉ chứa một hạt "cơ bản" - proton, nên cái gọi là số khối của hạt nhân này bằng một. Số khối của hạt nhân nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào là tổng số hạt proton và nơtron cấu tạo nên hạt nhân đó.
Hydro tự nhiên chủ yếu bao gồm một tập hợp các nguyên tử có số khối bằng một. Tuy nhiên, nó cũng chứa một loại nguyên tử hydro khác, với số khối bằng hai. Hạt nhân của những nguyên tử hydro nặng này, được gọi là deuteron, được tạo thành từ hai hạt, một proton và một neutron. Đồng vị này của hydro được gọi là deuterium.
Hydro tự nhiên chứa một lượng rất nhỏ đơteri. Cứ sáu nghìn nguyên tử hydro nhẹ (số khối bằng một) thì chỉ có một nguyên tử đơteri (hydro nặng). Có một đồng vị khác của hydro, hydro siêu nặng gọi là tritium. Trong hạt nhân nguyên tử của đồng vị hydro này, có ba hạt: một proton và hai neutron, liên kết với nhau bằng lực hạt nhân. Số khối của hạt nhân nguyên tử triti là ba, nghĩa là nguyên tử triti nặng hơn ba lần so với nguyên tử hydro nhẹ.
Mặc dù các nguyên tử của các đồng vị hydro có khối lượng khác nhau, nhưng chúng vẫn có các tính chất hóa học giống nhau, ví dụ, hydro nhẹ, tham gia phản ứng hóa học với oxy, tạo thành một chất phức tạp với nó - nước. Tương tự như vậy, đồng vị của hydro, deuterium, kết hợp với oxy để tạo thành nước, không giống như nước thông thường, được gọi là nước nặng. Nước nặng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất năng lượng hạt nhân (nguyên tử).
Do đó, tính chất hóa học của các nguyên tử không phụ thuộc vào khối lượng hạt nhân của chúng, mà chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử. Bởi vì các nguyên tử hydro nhẹ, đơteri và tritium có cùng số lượng electron (một cho mỗi nguyên tử), các đồng vị này có cùng tính chất hóa học.
Không phải ngẫu nhiên mà nguyên tố hóa học hydro chiếm vị trí đầu tiên trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.Thực tế là có một số mối quan hệ giữa số lượng của mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn các nguyên tố và độ lớn của điện tích trên hạt nhân của một nguyên tử của nguyên tố đó. Nó có thể được xây dựng như sau: số thứ tự của mỗi nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố bằng số với điện tích dương của hạt nhân của nguyên tố đó, và do đó bằng số lượng electron quay quanh nó.
Vì hydro chiếm số đầu tiên trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, điều này có nghĩa là điện tích dương của hạt nhân nguyên tử của nó bằng một và một electron quay quanh hạt nhân.
Nguyên tố hóa học helium đứng thứ hai trong bảng tuần hoàn các nguyên tố. Điều này có nghĩa là nó có điện tích dương của hạt nhân bằng hai đơn vị, nghĩa là hạt nhân của nó phải chứa hai proton và trong vỏ electron của nguyên tử - hai điện cực.
Heli tự nhiên bao gồm hai đồng vị - heli nặng và nhẹ. Số khối của helium nặng là bốn. Điều này có nghĩa là ngoài hai proton nói trên, hai neutron nữa phải đi vào hạt nhân của nguyên tử helium nặng. Đối với helium nhẹ, số khối của nó là ba, nghĩa là ngoài hai proton, một neutron nữa sẽ được đưa vào thành phần hạt nhân của nó.
Người ta đã phát hiện ra rằng trong heli tự nhiên, số nguyên tử heli nhẹ xấp xỉ bằng một phần triệu số nguyên tử gen nặng. Trong bộ lễ phục. 3 cho thấy một mô hình giản đồ của nguyên tử helium.
Cơm. 3. Sơ đồ cấu tạo nguyên tử heli
Sự phức tạp hơn nữa của cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố hóa học là do sự gia tăng số lượng proton và neutron trong hạt nhân của các nguyên tử này, đồng thời làm tăng số lượng electron quay quanh hạt nhân (Hình 4). Sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố, thật dễ dàng để xác định số lượng electron, proton và neutron tạo nên các nguyên tử khác nhau.
Cơm. 4. Sơ đồ cấu tạo hạt nhân nguyên tử: 1 — heli, 2 — carbon, 3 — oxy
Số chính quy của một nguyên tố hóa học bằng số proton trong hạt nhân nguyên tử, đồng thời bằng số electron quay quanh hạt nhân. Đối với trọng lượng nguyên tử, nó xấp xỉ bằng số khối của nguyên tử, nghĩa là số lượng proton và neutron kết hợp với nhau trong hạt nhân. Do đó, bằng cách lấy khối lượng nguyên tử của một nguyên tố trừ đi một số bằng số hiệu nguyên tử của nguyên tố đó, có thể xác định được có bao nhiêu neutron chứa trong một hạt nhân nhất định.
Người ta đã xác định rằng hạt nhân của các nguyên tố hóa học nhẹ, có số lượng proton và neutron bằng nhau trong thành phần của chúng, được phân biệt bởi độ bền rất cao, vì lực hạt nhân trong chúng tương đối lớn. Ví dụ, hạt nhân của nguyên tử helium nặng cực kỳ bền vì nó bao gồm hai proton và hai neutron liên kết với nhau bằng lực hạt nhân mạnh mẽ.
Hạt nhân của các nguyên tử của các nguyên tố hóa học nặng hơn đã chứa trong thành phần của chúng một số lượng proton và neutron không bằng nhau, đó là lý do tại sao liên kết của chúng trong hạt nhân yếu hơn trong hạt nhân của các nguyên tố hóa học nhẹ. Hạt nhân của các nguyên tố này có thể bị tách ra tương đối dễ dàng khi bị bắn phá bằng các "đạn" nguyên tử (neutron, hạt nhân helium, v.v.).
Đối với các nguyên tố hóa học nặng nhất, đặc biệt là các nguyên tố phóng xạ, hạt nhân của chúng được đặc trưng bởi độ bền thấp đến mức chúng tự phân rã thành các bộ phận cấu thành của chúng. Ví dụ, các nguyên tử của nguyên tố phóng xạ radium, bao gồm sự kết hợp của 88 proton và 138 neutron, tự phân rã, trở thành các nguyên tử của nguyên tố phóng xạ radon. Đến lượt mình, các nguyên tử của nguyên tử sau lại vỡ thành các bộ phận cấu thành của chúng, đi vào các nguyên tử của các nguyên tố khác.
Sau một thời gian ngắn làm quen với các bộ phận cấu thành của hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố hóa học, chúng ta hãy xem xét cấu trúc của lớp vỏ electron của nguyên tử. Như bạn đã biết, các electron chỉ có thể xoay quanh hạt nhân của các nguyên tử theo những quỹ đạo được xác định nghiêm ngặt. Hơn nữa, chúng được nhóm lại trong lớp vỏ điện tử của mỗi nguyên tử nên có thể phân biệt được các lớp vỏ điện tử riêng lẻ.
Mỗi lớp vỏ có thể chứa một số lượng điện tử nhất định, không vượt quá một số lượng nhất định. Vì vậy, ví dụ, trong lớp vỏ electron đầu tiên gần hạt nhân nguyên tử nhất có thể có tối đa hai electron, trong lớp thứ hai - không quá tám electron, v.v.
Những nguyên tử trong đó lớp vỏ electron bên ngoài được lấp đầy hoàn toàn có lớp vỏ electron ổn định nhất. Điều này có nghĩa là một nguyên tử giữ chắc chắn tất cả các electron của nó và không cần nhận thêm một lượng chúng từ bên ngoài. Ví dụ, một nguyên tử helium có hai electron lấp đầy hoàn toàn lớp vỏ electron đầu tiên và một nguyên tử neon có mười electron, trong đó hai electron đầu tiên lấp đầy hoàn toàn lớp vỏ electron thứ nhất và phần còn lại - lớp thứ hai (Hình 5).
Cơm. 5. Sơ đồ cấu tạo của nguyên tử neon
Do đó, các nguyên tử helium và neon có lớp vỏ electron khá ổn định, chúng không có xu hướng thay đổi chúng theo bất kỳ cách định lượng nào. Các nguyên tố này trơ về mặt hóa học, nghĩa là chúng không tham gia vào tương tác hóa học với các nguyên tố khác.
Tuy nhiên, hầu hết các nguyên tố hóa học đều có các nguyên tử mà lớp vỏ electron bên ngoài không được lấp đầy hoàn toàn bằng các electron. Ví dụ, một nguyên tử kali có mười chín electron, mười tám trong số đó lấp đầy hoàn toàn ba lớp vỏ đầu tiên và electron thứ mười chín nằm trong lớp electron chưa được lấp đầy tiếp theo. Sự lấp đầy yếu của lớp vỏ electron thứ tư bằng các electron dẫn đến thực tế là hạt nhân của nguyên tử giữ rất yếu lớp ngoài cùng - electron thứ mười chín, và do đó, lớp thứ hai có thể dễ dàng bị loại bỏ khỏi nguyên tử. …
Hoặc, ví dụ, nguyên tử oxy có tám electron, hai trong số đó lấp đầy hoàn toàn lớp vỏ thứ nhất và sáu electron còn lại nằm trong lớp vỏ thứ hai. Do đó, để hoàn thành việc xây dựng lớp vỏ electron thứ hai trong nguyên tử oxy, nó chỉ thiếu hai electron. Do đó, nguyên tử oxy không chỉ giữ chắc sáu electron của nó trong lớp vỏ thứ hai mà còn có khả năng hút hai electron bị thiếu về mình để lấp đầy lớp vỏ electron thứ hai của nó. Anh ta đạt được điều này bằng cách kết hợp hóa học với các nguyên tử của các nguyên tố trong đó các electron bên ngoài liên kết yếu với hạt nhân của chúng.
Các nguyên tố hóa học có nguyên tử không có lớp electron bên ngoài chứa đầy electron, theo quy luật, hoạt động hóa học, nghĩa là chúng sẵn sàng tham gia vào tương tác hóa học.
Vì vậy, các electron trong nguyên tử của các nguyên tố hóa học được sắp xếp theo một trật tự xác định nghiêm ngặt và bất kỳ sự thay đổi nào về cách sắp xếp không gian hoặc số lượng của chúng trong vỏ electron của nguyên tử đều dẫn đến sự thay đổi tính chất hóa lý của nguyên tố sau.
Sự bằng nhau về số lượng electron và proton trong hệ thống nguyên tử là lý do tại sao tổng điện tích của nó bằng không. Nếu sự bằng nhau về số lượng electron và proton trong hệ thống nguyên tử bị vi phạm, thì nguyên tử trở thành một hệ thống tích điện.
Một nguyên tử trong hệ mà sự cân bằng của các điện tích trái dấu bị xáo trộn do nó đã mất đi một phần electron hoặc ngược lại, đã thu được quá nhiều electron, được gọi là ion.
Ngược lại, nếu một nguyên tử thu được bất kỳ số lượng electron dư thừa nào, nó sẽ trở thành một ion âm. Ví dụ, một nguyên tử clo đã nhận thêm một electron trở thành ion clo âm tích điện đơn Cl-... Một nguyên tử oxy đã nhận thêm hai electron trở thành ion oxy âm tích điện kép O, v.v.
Một nguyên tử đã trở thành ion trở thành một hệ tích điện đối với môi trường bên ngoài. Và điều này có nghĩa là nguyên tử bắt đầu sở hữu một điện trường, cùng với đó nó tạo thành một hệ thống vật chất duy nhất và thông qua trường này, nó thực hiện tương tác điện với các hạt vật chất tích điện khác - ion, electron, hạt nhân nguyên tử tích điện dương, vân vân.
Khả năng hút lẫn nhau của các ion khác nhau là lý do chúng kết hợp với nhau về mặt hóa học, tạo thành các hạt vật chất phức tạp hơn - các phân tử.
Tóm lại, cần lưu ý rằng kích thước của nguyên tử rất lớn so với kích thước của các hạt thực mà chúng được cấu tạo. Hạt nhân của nguyên tử phức tạp nhất, cùng với tất cả các electron, chiếm một phần tỷ thể tích của nguyên tử. Một phép tính đơn giản cho thấy rằng nếu một mét khối bạch kim có thể được ép chặt đến mức không gian bên trong và giữa các nguyên tử biến mất, thì sẽ thu được một thể tích bằng khoảng một milimét khối.