5399619737

1.3. Fizyczne podstawy atomowej struktury materii, rozmiary atomów.

Prace Daltona, Gay-Lussaca, Avogadro, Faradaya i wielu innych chemików i fizyków pozwalają nam bez sięgania do eksperymentów współczesnej fizyki atomowej określić masę atomu wodoru (1.1), oraz masy innych atomów po pomnożeniu masy atomu wodoru przez odpowiednie masy atomowe, a także wielkość ładunku elementarnego (1.2) przenoszonego przez jednowartościowy jon w procesie elektrolizy. Znamy też stałą Avogadro i objętość molową gazu. Po podzieleniu objętości molowej przez stałą Avogadro uzyskamy objętość zajmowaną przez pojedynczy atom gazu.

..    22415cm³    22415cm³    _ln__!0    ,

6-10 /mol

= 3,7-10 cm

Po wyliczeniu objętości zajmowanej przez atom, już tylko krok do poznania rozmiarów liniowych atomu. Rozmiar liniowy takiej objętości to pierwiastek trzeciego stopnia z objętości (tak będzie dla objętości wypełnionej szczelnie sześcianami). Najprostszy szacunek takiego wymiaru liniowego daje, a = yj\ =\l37-10”²¹cm³ = 3,3-10“⁷cm. Jest to wymiar

liniowy objętości zajmowany przez atom gazu w warunkach normalnych. Prawdziwy rozmiar atomu uzyskamy z podobnych rozważań przeprowadzonych dla szczelnie upakowanych atomów ciała stałego.

Weźmy dla przykładu atomy glinu, Al (wybieram Al , ponieważ jest to metal z dobrze upakowanymi atomami, o masie atomowej glinu bliskiej 27). Glin ma ciężar właściwy p = 2,7g/cm³: biorąc 27 g Al., czyli lOcm³ uzyskujemy liczbę atomów równą liczbie

Avogadro. Objętość zajmowana przez pojedynczy atom Al i rozmiar liniowy atomu glinu będą więc równe:

V₀

10cm³

N_a

10cm³

6-10²³/mol

= 17- 10”²⁴cm³

a = \l\ = Vl7-10"^!4cm³ = 2,5 ■ 10"'cm

Promień atomu glinu można przybliżyć jako połowę rozmiaru liniowego elementarnej sześciennej komórki zajmowanej przez atom, co daje r^ »1,25- 10"⁸cm. Zauważmy, że

cząsteczka gazu w warunkach normalnych zajmuje objętość o trzy rzędy większą niż rozmiar atomu. Z obserwacji makroskopowych wiemy, że gęstość powietrza przekracza nieznacznie lmg/cm³, a gęstość wody to lg/cm³.

Dotychczasowe rozumowanie prowadzi nas do modelu atomu, który dla różnych pierwiastków ma różne masy, będące przybliżonymi wielokrotnościami masy najprostszego atomu wodoru. Nasze atomy w elektrolitach stają się jonami i przenoszą ładunki elektryczne w pewnych porcjach, które są wielokrotnościami ładunku elementarnego, co oznacza, że nasze atomy mogą tracić lub zyskiwać porcje ładunku elektrycznego, które możemy wstępnie nazwać cząstkami elektryczności. Rolę owych cząstek elektryczności w atomach wyjaśniły badania przechodzenia elektryczności przez rozrzedzone gazy.

1.4. Elektron, ładunek i masa elektronu

W eksperymentach nad przepływem prądu elektrycznego w rozrzedzonych gazach, po przyłożeniu napięcia do elektrod - ujemnej katody i dodatniej anody, w rurkach wypełnionych powietrzem pod niewielkim ciśnieniem pojawia się zielonkawe świecenie (Rys. 1.1), takie świecenie jest widoczne prawie w całym obszarze między elektrodami, ajeśli wstawimy przesłonę między elektrodami, to możemy zaobserwować wyraźny cień po stronie przeciwnej niż katoda.