Фізика. 7 клас. Шут

§ 3. Речовина і поле. Будова речовини

1. Матерія та її види — речовина і поле.

Матерія — це основне поняття природничо-наукової картини світу. Будь-яке тіло в природі є матеріальним.

У свою чергу, розрізняють два види матерії: речовину і поле. Речовина — це тверді тіла, рідини, гази. Речовинами є, наприклад, метали, пластмаси, вода, повітря та ін. Поле — інший вид матерії. Поля, як і речовини, теж бувають різними. Існують, зокрема, поле тяжіння Землі (гравітаційне), електричне та магнітне поля. Прикладами полів є світло, радіохвилі. Будь-яке поле можна виявити за його дією на певні тіла. Так, внаслідок дії гравітаційного поля всі тіла притягуються до Землі; магнітна стрілка компаса обертається під дією магнітного поля.

2. Як побудована речовина? Атоми і молекули. Первинні уявлення про будову речовини були одержані вами при вивченні природознавства. Так, наприклад, ви знаєте, що речовини складаються із дрібних частинок — атомів і молекул. Атоми і молекули перебувають у безперервному хаотичному русі і взаємодіють між собою. Залежно від розташування і взаємодії частинок, речовина може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах. Речовини поділяють на прості і складні.

Питання про будову речовини здавна цікавило людей. Так, давньогрецький учений і філософ Демокріт (близько 460-370 рр. до н.е.) вперше висловив здогадку про те, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок, які були названі ним атомами. Та лише у XIX ст. існування таких частинок підтвердилося експериментально, після чого було створено молекулярно-кінетичну теорію будови речовини.

Матерія — існує у двох видах — речовини та поля

Демокріт (бл. 460-370 рр. до н.е.)

Атом (від гр. ατομος [атомос]) — неподільний.

Атомів у природі багато і вони мають різні властивості. Відповідно до цього розрізняють хімічні елементи. Атом — це найменша частинка хімічного елемента, яка є носієм його хімічних властивостей. Зараз відомо 118 хімічних елементів, з них 89 виявлені в природі, інші отримані штучно (експериментальним шляхом). Найпростішим є атом хімічного елементу Гідрогену (скорочено Н — від початкової літери латинської назви хімічного елементу «hydrogene» — «той, що народжує воду»). Назва газу «водень», що складається з атомів Гідрогену, також відображає входження елементу до складу води).

Згідно з молекулярно-кінетичною теорією всі речовини складаються з дрібних частинок: молекул, атомів або йонів. Частинки безладно (хаотично ) рухаються і взаємодіють між собою

Усі відомі сьогодні хімічні елементи систематизовані за своїми фізико-хімічними властивостями в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва (рис. 15).

Атоми позначають умовними символами та зображають за допомогою схем-моделей — кружечків різних розмірів і кольорів. Це дуже зручно, особливо тоді, коли хочуть показати сукупність кількох різних атомів (рис. 16, а, б).

Зазвичай атоми об’єднані у групи — молекули.

Молекула — це найменша частинка речовини, яка зберігає її хімічні властивості. Молекула складається з одного або декількох атомів однакових або різних хімічних елементів. Атоми з’єднуються в молекулу за рахунок хімічних зв’язків.

Рис. 15. Періодична система хімічних елементів Д.І. Менделєєва

Молекула простої речовини складається з атомів одного хімічного елементу. Наприклад: газ водень — із двох атомів Гідрогену (H₂); газ кисень — із атомів Оксигену (від грецького οευγονο [оксионо] — кислий) — О₂.

Якщо молекула речовини утворена з атомів різних хімічних елементів — таку речовину називають складною речовиною. Зокрема, молекула вуглекислого газу СО₂ (рис. 16, а) складається із двох атомів Оксигену (О) й одного атома Карбону (С); молекула води H₂O (рис. 16, б) складається із двох атомів Гідрогену (Н) і одного атома Оксигену (О). Модель молекули складної речовини ви можете побачити на рис. 16, в.

Під час фізичних процесів склад молекул речовини залишається незмінним, хоча сама речовина може змінювати свій стан. Наприклад, вода може перебувати у рідкому, твердому (лід) і газоподібному (водяна пара) станах. При цьому склад молекул води, льоду та водяної пари залишається однаковим: відмінність полягає лише у розташуванні та взаємодії молекул.

Під час хімічних процесів руйнуються зв’язки між атомами, які з’єднують їх у молекули, самі атоми при цьому залишаються незмінними. Атоми об’єднуються у нові групи молекул, унаслідок чого утворюються нові речовини.

3. Які розміри молекул? Численні експерименти свідчать про те, що вони дуже малі. Встановлено, що діаметр, наприклад, молекули води дорівнює приблизно 0,0000000003 м (0,3 • 10^-9 м). Якщо розмістити молекули води щільно одна до одної в ряд, то в одному метрі вміститься близько 3,3 мільярди молекул! Тепер окремі молекули й атоми можна спостерігати за допомогою спеціальних (електронних, йонних та скануючих) мікроскопів. На рис. 17 показано мікрофотографію атомів золота зі збільшенням у 30000000 разів, одержану за допомогою електронного мікроскопу (рис. 18). На рис. 19 ви можете побачити мікрофотографію логотипу (IBM) найкрупнішого у світі постачальника апаратного і програмного забезпечення, викладеного з 35 атомів хімічного елементу Ксенону (Хе).

Рис. 16. Молекули складних речовин: а) вуглекислий газ; б) вода; в) модель молекули складної речовини

Рис. 17. Мікрофотографія атомів золота

Рис. 18. Електронний мікроскоп

Дослідами встановлено, що молекули й атоми не мають чітких меж. Тому про їх лінійні розміри й об’єм можна говорити лише наближено.

Лінійні розміри атомів усіх хімічних елементів приблизно однакові — близько 10^-10 м або 0,0000000001 м. Але за масою вони значно відрізняються один від одного. Найменшу масу має атом Гідрогену (Н) — 1,67 • 10^-27 кг. Маса атома Карбону (С) у 12 разів, а маса атома золота (Au) — майже у 200 разів більші за масу атома Гідрогену.

4. Внутрішня будова атома. Атоми також мають певну внутрішню будову і є подільними.

Проте вчені не відразу дійшли правильних уявлень про будову атома — це був довгий шлях, на якому висловлювалися різні думки і будувалися різні моделі.

У 1911 р. завдяки дослідам англійського вченого Ернеста Резерфорда (1871—1937) вдалося установити, що в центрі атома знаходиться маленьке позитивно заряджене ядро (рис. 20 а, б), а навколо нього негативно заряджена оболонка. Цю оболонку можна уявити як своєрідну хмаринку, утворену з електронів, що надзвичайно швидко обертаються навколо ядра атома. Таку модель будови атома назвали ядерною (планетарною) моделлю атома. Дійсно, внутрішня будова атома дещо схожа на будову Сонячної системи. Але, на відміну від неї, взаємодія частинок в атомі зумовлена не гравітаційними, а електромагнітними силами.

Рис. 19. Мікрофотографія літер IBM (англ. — [ай], [бі], [ем]). викладених з 35 атомів Ксенону

Ернест Резерфорд (1871-1937)

Рис. 20. Модельні уявлення про будову і розміри атома

Як ви вже знаєте, навколо ядра атома обертаються електрони. Що це за частинка? Електрон — елементарна частинка, що має найменші негативний електричний заряд і масу. Примітка: електрон був відкритий у 1897 р. англійським фізиком Джоном Джозефом Томсоном (див. фото с. 31).

Порівняно з розмірами атома (близько 10^-10 м) ядро атома ще менше — приблизно 10^-14 — 10^-15 м. Тобто ядро менше за атом у 10 000 разів. Щоб уявити собі, що це означає, приймемо ядро атома за кульку діаметром 1 мм, тоді діаметр атома буде становити 10 м!

5. Чи можна розділити ядро? Модель атома, запропонована Резерфордом, дала поштовх у подальшому дослідженні атома. Частинка, що довгий час вважалась неподільною, виявляється, складається з позитивно зарядженого ядра й електронів! Закономірно виникли запитання: чи існують ще менші частинки? чи можна «розділити ядро»?

Джеймс Чедвік (1891-1974)

У 1932 році учень Ернеста Резерфорда, англійський фізик Джеймс Чедвік (1891—1974) відкрив нейтрон. Ця елементарна частинка не має електричного заряду. У тому самому році український фізик Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) запропонував протонно-нейтронну модель будови ядра атома (протон — це елементарна частинка, яка має найменший позитивний заряд). Згодом цю гіпотезу було підтверджено й дослідним шляхом.

Таким чином, ядро атома також має складну будову: його утворюють ще менші частинки речовини — протони та нейтрони або нуклони (від лат. nucleus — ядро).

Протони та нейтрони об’єднуються один із одним усередині ядер за допомогою дуже потужних ядерних взаємодій (ядерних сил). У атомі число протонів ядра дорівнює числу електронів навколо ядра.

А чи є подільними протони та нейтрони? Відповідь на це запитання фізики шукають досі.

На рис. 21 а, б показано моделі будови атомів Протію (H¹₁) та Гелію (Не⁴₂) відповідно. (Примітка: запис Не⁴₂ означає, що ядро атома Гелію складається із двох протонів і двох нейтронів — разом чотирьох нуклонів).

6. Що відбувається, коли певним чином «видалити» електрон із атома? За звичайних умов атоми є електрично нейтральними, оскільки число позитивно заряджених протонів у ядрі дорівнює числу негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра. Тому їх електричні заряди взаємно компенсуються. Проте, якщо певним чином «видалити» електрон із атома, то кількість електронів зменшиться і заряди вже не будуть компенсуватися, а отже, атом стає позитивно зарядженим і має спеціальну назву — позитивний йон. І навпаки: якщо електрично нейтральний атом приєднує до себе інший електрон, то він стає негативно зарядженим і називається негативним йоном.

Дмитро Іваненко (1904-1994)

Рис. 21. Моделі будови атомів: а) атом Протію; б) атом Гелію

Отже, речовина — це вид матерії з якої побудовані фізичні тіла; речовина має складну будову.

Джон Джозеф Томсон (1856-1940)

Це треба знати

Спосіб рядів

Ще в 1905 р. французький фізик Жан Батіст Перрен досліджував хаотичний рух у рідині дрібних тіл (частинок квіткового пилу) під дією, як згодом було встановлено, молекул. Для цього йому потрібно було якомога точніше виміряти розміри цих частинок. Вчений скористався способом рядів. Він щільно розмістив частинки квіткового пилу в ряд і виміряв довжину ряду. Поділивши довжину ряду на число частинок Перрен розрахував середній розмір частинки.

Спосіб рядів дозволяє отримати більш-менш точний розмір малого тіла та зменшити похибку вимірювання.

У наш час способом рядів вимірюють розміри дуже малих (мікроскопічних) тіл, використовуючи їх мікрофотографії. Такі фотографії отримують за допомогою сучасних мікроскопів (див. рис. 18). При такому вимірюванні необхідно спочатку підрахувати кількість частинок в одному ряду та виміряти довжину ряду (по фотографії). Після цього результат прямого вимірювання довжини ряду ділять на кількість частинок, а потім ще й на збільшення мікроскопа. Обчислений таким чином результат є середнім розміром мікрочастинки.

Розширте науковий кругозір

Перша модель будови атома була запропонована у 1903 р. англійським фізиком Джоном Джозефом Томсоном (ви вже знаєте, що він відкрив електрон). За цією моделлю атом представляє собою позитивно заряджену сферу, всередину якої, як родзинки в пудинг, вкраплені електрони. Інколи цю модель так і називають — «модель пудинга». Модель атома Томсона виявилася неспроможною у поясненні багатьох питань, які на той час стояли перед фізиками. Але вона мала величезне значення для подальших досліджень!

Рис. 22. Модель атома Томсона

Подумайте і дайте відповідь

• 1. Що означають терміни «матерія»? «речовина»?
• 2. Чим відрізняється одна речовина від іншої?
• 3. Що являє собою атом? молекула?
• 4. Поясніть, які речовини називають простими, а які — складними? Наведіть приклади.
• 5. Що ви знаєте про будову атома? про лінійні розміри атомів і молекул?
• 6. Якою є внутрішня будова ядра атома? Що таке нуклони?
• 7. Як утворюються позитивні та негативні йони?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 3.

• 1. Слово «атом» у перекладі з давньогрецької мови означає «неподільний». Чи справді це так? Відповідь обґрунтуйте.
• 2. Слово «молекула» в перекладі з латинської мови означає «маленька маса». Поясніть, чому частинки речовини одержали таку назву.
• 3. У чому полягає відмінність молекули кисню (O₂) та молекули вуглекислого газу (CO₂)? (С — хімічний символ атома Карбону — від лат. carboneum — вугілля).
• 4. Запишіть символічне позначення Оксигену (О), якщо його ядро складається з 8 протонів і 8 нейтронів.
• 5. Краплина масла, об’єм якої становить 0,003 мм³, розтікається поверхнею води тонким шаром і займає площу 300 см². Вважаючи, що товщина утвореного шару дорівнює діаметру молекули масла, визначте цей діаметр.