Sarcina electrică a nucleului atomic: pozitivă sau negativă?

Sarcina este cuantificată. Aceasta înseamnă că sarcina electrică vine în cantități discrete și că există o cantitate cât mai mică de sarcină pe care o poate avea un obiect. În sistemul SI, această cantitate cea mai mică este e ≡ 1,602 × 10−19. Nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta și, prin urmare, sarcina oricărui obiect - sarcina tuturor obiectelor - trebuie să fie un multiplu întreg al acestei cantități. Mărimea sarcinii este independentă de tip. Exprimat în alt mod, cea mai mică sarcină pozitivă posibilă (la patru cifre semnificative) este +1,602 × 10−19 C, iar cea mai mică sarcină negativă posibilă este -1,602 × 10−19 C; aceste valori sunt exact egale. Sarcina este conservată. Sarcina nu poate fi nici creată, nici distrusă; ea poate fi transferată doar din loc în loc, de la un obiect la altul. Frecvent, vorbim de două sarcini de „care se anulează”; aceasta este expresia verbală. Înseamnă că dacă două obiecte care au sarcini egale și opuse sunt fizic aproape una de cealaltă, atunci forțele (direcționate opus) pe care le aplică asupra unui alt obiect încărcat se anulează, pentru o forță netă zero. Este important să înțelegeți că sarcinile de pe obiecte nu dispar în niciun caz. Sarcina este conservată în sisteme închise. În principiu, dacă o sarcină negativă ar dispărea de pe bancul de laborator și ar reapărea pe Lună, conservarea sarcinii ar rămâne în continuare. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă niciodată. Dacă sarcina totală pe care o aveți în sistemul local de pe bancul de laborator se modifică, va exista un flux măsurabil de sarcini în sau în afara sistemului. Din nou, sarcinile se pot muta și se mișcă, iar efectele lor se pot anula și se anulează, dar sarcina netă din mediul dvs. local (dacă este închis) este conservată.

Istoria și structura atomului: cum am ajuns la înțelegerea sarcinii în nucleu

Odată ce a devenit clar că toată materia era compusă din particule care au ajuns să fie numite atomi, a devenit rapid clar și că constituenții atomului includ atât particule încărcate pozitiv, cât și particule încărcate negativ. Particula încărcată negativ a fost prima care a fost descoperită. În 1897, fizicianul englez J. J. Thomson studia ceea ce atunci era cunoscut sub numele de raze catodice. Thomson a pregătit un fascicul pur al acestor particule și l-a trimis prin câmpuri electrice și magnetice încrucișate și a ajustat diferitele intensități ale câmpului până când deformarea netă a fasciculului a fost zero. Cu acest experiment, el a putut determina raportul sarcină-masă al particulei. Acest raport a arătat că masa particulei era mult mai mică decât a oricărei alte particule cunoscute anterior - de 1837 de ori mai mică, de fapt.

Întrucât atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, următoarea întrebare a fost să se determine cum sunt distribuite sarcinile pozitive și negative în interiorul atomului. Thomson însuși și-a imaginat că electronii săi erau încorporați într-un fel de pastă încărcată pozitiv, întinsă pe tot volumul atomului (modelul cozonacului cu stafide). Însă, în 1908, fizicianul neozeelandez Ernest Rutherford a arătat că sarcinile pozitive ale atomului existau într-un nucleu minuscul - nucleu - care ocupa doar o foarte mică parte din volumul total al atomului, dar deținea peste 99% din masă. În plus, el a arătat că electronii încărcați negativ orbitau permanent în jurul acestui nucleu, formând un nor încărcat electric care înconjoară nucleul (Figura 5.7).

Modelul lui Rutherford a fost îmbunătățit ulterior prin observațiile despre distribuția maselor atomice și a electricității. În 1932, James Chadwick a descoperit neutronul, un geamăn neutru al protonului. Prin urmare, nucleul de heliu are doi neutroni împreună cu cei doi protoni ai săi. Neutronul este neutru din punct de vedere electric și are masă (aproape) identică cu protonul. Astfel, atomii neutri din punct de vedere electric au un nucleu încărcat pozitiv (protoni) și un nor de electroni încărcați negativ înconjurător. Electronii au masa mult mai mică decât protonii și neutronii, iar numărul lor influențează proprietățile magnetice ale atomului. Progeniturile acestora, protonii și neutronii, sunt adesea denumiți nucleoni.

Electronii se află în jurul nucleului, în timp ce protonii și neutronii formează nucleul. În Modelul Standard, electronii sunt considerați particule elementare, în timp ce protonii și neutronii sunt compuși din quarkuri. Protonii sunt constituiți din doi quarkuri up (+2/3) și un quark down (-1/3), în timp ce neutronii sunt alcătuiți dintr-un quark up (+2/3) și două quarkuri down (-1/3). Forța care ține nucleonii împreună este forța tare, mediată de gluoni, iar nucleonii sunt ținuți împreună în nucleu de această forță reziduală. Raza nucleului este aproximativ 1.07 × 10^(-15) metri, adică mult mai mică decât raza atomului, de ordinul a 10^(-10) metri. Atomii pot forma legături chimice, prin care electronii sunt împărțiți sau transferați între atomi, definind comportamentul chimic al elementelor.

Caracterizarea atomilor: numărul atomic, izotopii și configurarea electronică

Atomii unui element au același număr atomic, adică același număr de protoni în nucleu. Însă numărul de neutroni poate varia, ceea ce dă naștere la izotopi ai aceluiași element. Configurația electronică este ceea ce stabilește modul în care un atom interacționează în reacțiile chimice. Un atom poate pierde sau câștiga electroni pentru a forma ioni: electronii îndepărtați de la un atom formează ioni pozitivi, iar electronii adăugați formează ioni negativi. Între timp, numărul de protoni rămâne invariabil în timpul reacțiilor chimice, astfel încât elementul rămâne identificat de numărul său atomic.

Ilustrarea unei fuziuni nucleare și a fisunii nucleare explică alternativ modul în care masele și energia sunt legate. În fuziune, mai multe nuclee se unesc pentru a forma nuclee mai grele, eliberând energie dacă masa nucleului rezultant este mai mică decât suma maselor componentelor separate. Această pierdere de masă este transpusă în energie conform E = mc^2. Fisiunea nucleară albeste în mod similar, în care un nucleu greu se divide în nuclee mai mici, eliberând energie.

Imersiunea istorică în dezvoltarea teoriei atomice

Ideea că materia este alcătuită din unități discrete este o idee foarte veche, apărând în Grecia antică și în India. Cuvântul „atom” a fost inventat de vechii filosofi greci. La începutul secolului al XIX-lea, John Dalton a propus conceptul de atom pentru a explica relațiile cuantice în reacțiile chimice, iar exemplele de proporții întregi în reacții au fost motivele principale pentru a accepta existența atomilor. În 1827, Robert Brown a descris mișcarea browniană a particulelor în apă, demonstrând efecte ale moleculelor. Thomson a demonstrat existența electronilor ca particule subatomice, iar Rutherford a deschis calea înțelegii structurii nucleare. Ulterior, Moseley, Bohr, Schrödinger, Heisenberg și alți savanți au consolidat modelul atomic modern, care explică distribuția sarcinilor, structura orbitală, proprietățile izotopilor și desfășurarea reacțiilor chimice. De la dezvoltarea spectrometriei de masă la descoperirea neutronului și a fuziunii nucleare, înțelegerea noastră despre nucleonii și sarcinile lor a evoluat semnificativ, trecând de la o simplă idee despre electroni într-un nor de sarcină la un model complex de interacțiuni între particule subatomice.

Concepte-cheie legate de sarcina electrică în nucleu

• Sarcina electrică este cuantificată în unități discreete bazate pe sarcina elementară e = 1,602 × 10−19 C.
• Sarcina totală a unui atom este nulă în stare neutră, deoarece numărul de electroni egal numărului de protoni.
• Ionii sunt atomi cu un număr dezechilibrat de electroni, ceea ce produce o încărcare netă.
• Nucleul conține protoni și neutroni, nucleoni, iar sarcina pozitivă a nucleului este produsul protonilor.
• Electronii formează un nor înconjurător în care sarcina totală a norului este egală cu sarcina nucleului, dar distribuția este probabilistică, nu exactă în spațiu.
• Forța nucleară tare menține nucleonii împreună, în timp ce forța electromagnetică păstrează electronii legați de nucleu.

Este important să înțelegem că sarcina este o proprietate a unei particule, nu o particulă în sine. În formulări uzuale, oamenii spun „o sarcină de 3 μC” sau „șase sarcini pe vârfuri ale unui hexagon”, deși în realitate se referă la proprietățile particulelor respective. Sursa materialului de referință este contextualizată în University Physics (OpenStax) cu adaptări românești.

Numărul total de protoni și neutroni determină nuclidul, iar numărul de protoni definește elementul chimic. Există numeroase experimente și teorii care explică distribuția sarcinilor în atom, precum și modul în care izotopii difera prin masă raportată și numărul de neutroni. În final, înțelegerea sarcinilor noastre la nivel atomic ne permite să înțelegem reacțiile chimice și procesele nucleare care alimentează stelele și tehnologia noastră.

tags: #nucleul #atomic #are #sarcina #electrica #pozitiva

Postări populare:

• Indemnizația de maternitate în contabilitate: aspecte fiscale românești
• Încălțăminte tradițională pentru botez: opincile perfecte pentru bebeluși
• Experiențe ale mămicilor cu bebelușii în uter
• Ce înseamnă cea mai mare pensie de paternitate în România: cifre și context
• Instrucțiuni detaliate privind folosirea maternitatea eclozatorului termostatat pentru pui de prepeliță