Atom
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Atomul este cea mai mică particulă, care nu poate fi divizată prin metode fizice obişnuite. Este şi cea mai mică particulă care păstrează proprietăţile fizice şi chimice ale unui element chimic.
[modifică] Atomul la începuturi
Noţiunea de atom apare pentru prima dată către anul 450 î.Hr. Filozoful grec Leucip dezvoltă teoria conform căreia materia nu este infinit divizibilă şi introduce noţiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Câţiva ani mai târziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, defineşte materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile şi eterne: atomul. Această nouă concepţie nu a fost rezultatul unor observaţii sau experienţe, ci mai degrabă al unor intuiţii. Teoria a fost dezvoltată ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Laurenţiu. Au trecut însă 200 de ani până când teoria atomică a fost formulată ştiinţific.
În anul 1803, fizicianul şi chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomică proprie care explică Legea proporţiilor multiple, afirmând că din moment ce substanţele se combină numai în proporţii integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.
[modifică] Scurt istoric al teoriei atomice şi descoperirea structurii atomice
Meditaţiile filozofice atomiste datează încă de pe vremea vechilor gânditori greci şi indieni ai secolelor al VI-lea şi al V-lea î.d.Ch. Prima formulare filozofică a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltată de Democrit în Grecia secolului al VI-lea î.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, până la reaprinderea interesului ştiinţific din epoca Renaşterii.
În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg substanţele în constituenţi proporţionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, şi vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit şi tub Crookes) şi a fost primul care a observat particule încărcate negativ într-un astfel de tub. Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson, în urma cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parţial compuşi din particule foarte uşoare încărcate negativ (dovedite a avea proprietăţi identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai târziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, în care electronii sunt incluşi într-o bilă cu sarcină pozitivă precum „stafidele într-un cozonac”.
În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai uşor nucleu, pe care l-a numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă „primul”). Pentru a explica de ce electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate.
După descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbită circulară a fost înlocuit cu cel de „nor”, în interiorul căruia distribuţia electronilor a fost descrisă prin ecuaţii probabilistice. În sfârşit, după descoperirea în anul 1932 a neutronului, particulă neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni şi neutroni, aceste ultime rezultate completând concepţia modernă despre structura atomică. Protonul şi neutronul se mai numesc şi nucleoni.
[modifică] Structura atomului
[modifică] Modelul sferic
După acest model atomii au formă sferică, sunt complet elastici şi atomii aparţinând aceluiaşi element chimic au aceeaşi masa şi aceeasi formă.
[modifică] Modelul Thompson
Dezvoltat de J.J. Thompson (1856-1940) în anul 1904 şi care spune că: atomul este o masă incărcată pozitiv şi distribuită omogen sub o formă de sfera şi că în această masă există în unele locuri nişte sfere mai mici, care sunt încărcate negativ (aceste sfere mai mici au fost numite electroni). O proprietate de bază a acestui atom este că numărul sarcinilor negative este egal cu numărul masei pozitive, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
[modifică] Modelul Rutherford
Acest model a apărut in 1911 şi a fost dedus de Rutherford (1871-1937) după experienţele lui: Hertz, Lenard, Geiger. Noul model atomic are următoarele proprietăţi:
- aproape toată masa lui este concentrată în nucleu, care este încărcat pozitiv.
- nucleul este înconjurat de un înveliş de electroni, care sunt incărcaţi negativ.
- electronii sunt menţinuti de nucleu prin forţe electrostatice.
- electronii au o mişcare circulară, care îi împiedică să cadă pe nucleu.
- sarcina învelişului electronic se anulează cu sarcina nucleului, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
Conceput conform legilor mecanicii clasice, atomul lui Rutherford nu putea să explice de ce electronii nu cad de pe nucleu, ştiindu-se că orice sarcină electrică în mişcare pierde continuu din energia sa prin radiaţie electromagnetică.
Prin analogie cu Sistemul solar, nucleul este asemănat Soarelui, iar electronii planetelor ce orbitează in jurul acestuia, de unde şi numele de model atomic care îl mai poarta acest model.
Analogia cu planetele nu este valabila deoarece atat nucleul cat si electronul au sarcina electrica si conform teoriei electrodinamice clasice, aceea ca orice sarcina electrica in miscare pierde energie sub forma de radiatii. astfel electronii pierzand dontinuu energie capata o traiectorie in spirala si ar ajunge sa cada in nucleu.
[modifică] Modelul Bohr
În anul 1913 apare modelul atomic al lui Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Rutherford şi îi aplica teoria cuantelor. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă al nucleului)
Modelul atomic al lui Bohr se bazează pe doua ipoteze:
1)Prima ipoteză e legată de orbitele atomice şi presupune că electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare, permise, staţionare, fără a emite sau a absorbi energie radiantă. Electronul se menţine datorită compensării forţei centrifuge cu forţa de atracţie Columbiană.
2)A doua ipoteza emisă de Bohr se referea la faptul că, în mişcarea sa pe orbita permisă, electronul nu emite şi nici nu absoarbe energie radiantă de o anumită frecvenţă, numai discontinuu, corespunzând unor tranziţii electronice, care duc in final la liniile spectrale.
Acest model nu poate explica spectrele de emisie şi energia de ionizare decât pentru atomul de hidrogen si ionii hidrogenoizi.
[modifică] Modelul Bohr-Sommerfeld
În anul 1915, fizicianul german Arnold Sommerfeld a dezvoltat modelul atomic al lui Bohr, elaborând modelul Bohr-Sommerfeld. El a presupus că orbitele staţionare din jurul nucleului nu sunt numai circulare ci pot fi şi eliptice. În modelul său, unei orbite circulare cu număr cuantic principal (Vezi numere cuantice) n îi corespund n-1 orbite staţionare eliptice. În consecinţă, fiecare orbită circulară a lui Bohr se descompune în n-1 elipse cu excentrităţi diferite, rezultând o familie de orbite pentru fiecare număr cuantic principal n>1.
Deşi perfecţionat faţă de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld îşi limitează aplicabilitatea la hidrogen şi ionii hidrogenoizi, nepermiţând interpretarea spectrelor atomilor cu mai multi electroni, sau comportarea lor magnetică. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic (stările de energie staţionare sunt calculate cu relaţii clasice, numerele cuantice şi condiţiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).
[modifică] Modelul ondulatoriu staţionar
În anul 1926, Schrödinger elaborează prima lucrare de mecanică ondulatorie, redată prin Ecuaţia lui Schrödinger, prin care arată: caracterul ondulatoriu al mişcării electronului în atom, descris de o funcţie de undă, arată în termenii mecanicii cuantice că energia totală a unei particule (electronul) cu o anumită masă, care se mişcă in spaţiu, este suma dintre energia cinetică şi energia potenţială; ecuaţia are soluţii numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezintă energiile electronului în stările staţionare, stări caracterizate de numerele cuantice, energia în atom fiind cuantificată. În chimie şi fizică, atomul (în limba greacă ατομος înseamnă “indivizibil”) este cea mai mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietăţile chimice ale unui element (chimic). Dacă, iniţial, cuvântul atom însemna cea mai mică particulă indivizibilă, mai târziu, după ce termenul a căpătat o semnificaţie precisă în ştiinţă, atomii au fost găsiţi a fi divizibili şi compuşi din particule şi mai mici, subatomice.
Cei mai mulţi atomi sunt compuşi din trei tipuri de particule subatomice care guvernează proprietăţile lor externe:
- electronii, care au o sarcină electrică negativă şi sunt cele mai puţin masive particule subatomice;
- protonii, care au o sarcină electrică pozitivă şi sunt de aproape 1836 ori mai masive decât electronii; şi
- neutronii, care nu au sarcină electrică şi care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decât electronii.
Protonii şi neutronii creează un nucleu atomic dens şi masiv, ei fiind numiţi şi nucleoni. Electronii formează un larg nor electronic ce înconjoară nucleul.
Atomii pot să difere prin numărul fiecărui tip de particule subatomice pe care ei le conţin. Atomii aceluiaşi element au acelaşi număr de protoni (numit şi număr atomic). Pentru unul şi acelaşi element, numărul de neutroni poate să varieze determinând izotopii acelui element. Numărul de electroni asociaţi cu un atom este foarte uşor modificat, din cauza energiei de legătură a electronilor foarte scăzută. Numărul de protoni (şi neutroni) în nucleul atomic poate fi modificat prin intermediul fuziunii nucleare, a fisiunii nucleare sau a dezintegrării radioactive, cazuri în care atomul nu mai rămâne elementul care era la început.
Atomii sunt electric neutri dacă au acelaşi număr de protoni şi electroni. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferaţi unui atom din apropiere sau pot fi folosiţi în comun de doi sau mai mulţi atomi. Prin intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legaţi în molecule şi alte tipuri de compuşi chimici cum ar fi reţelele cristaline ionice şi covalente.
Atomii sunt „cărămizile” fundamentale ale chimiei şi ei se conservă în reacţiile chimice.
[modifică] Atomii şi moleculele
Pentru gaze şi unele lichide şi solide moleculare (cum ar fi apa şi zahărul), moleculele sunt cele mai mici diviziuni de substanţă care încă mai păstrează proprietăţile chimice; totuşi, există multe solide şi lichide care sunt compuse,de asemenea, din atomi, dar nu conţin molecule discrete (cum ar fi sărurile, rocile precum şi metalele solide şi lichide). Astfel, deşi moleculele sunt comune pe Pământ (intrând în formarea atmosferei şi a oceanelor), cea mai mare parte a Pământului (cea mai mare parte a crustei, întreaga manta şi tot miezul) nu este formată din molecule identificabile, ci, mai degrabă, reprezintă substanţă atomică dispusă în alte tipuri de aranjamente particulare de ordinu microscopic.
Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen. Termenul „moleculă” a fost utilizat iniţial ca un sinonim pentru „molecula fundamentală” de gaz, indiferent de structura acestuia. Această definiţie corespunde doar pentru câteva tipuri de gaze (de exemplu, elementele chimice inerte care nu formează compuşi, cum ar fi heliu), având „molecule” formate dintr-un singur atom.
[modifică] Particule subatomice
Înainte de 1961, se acceptau ca particulele subatomice doar electronii, protonii şi neutronii. Azi se cunoaşte că protonii şi neutronii înşişi sunt constituiţi din particule şi mai mici numite quarci. În plus, electronul are un partener neutru din punct de vedere electric, aproape fără masă, numit neutrino. Electronul şi neutrino sunt ambii leptoni. Prin urmare, atomii sunt compuşi numai din quarci şi leptoni. Protonul este format din doi quarci „up” şi un quarc „down”, iar neutronul este format din doi quarci „down” şi un quarc „up”. Deşi nu apar în substanţa ordinară, alte două generaţii mai grele de quarci şi leptoni pot fi generate în ciocnirile de înaltă energie.
O importanţă deosebită pentru atom o prezintă bozonii, adică particulele de transport al forţelor de interacţiune. Astfel, electronii sunt legaţi de nucleu prin intermediul fotonilor ce transportă forţa electromagnetică. Protonii şi neutronii sunt menţinuţi împreună în nucleu prin intermediul gluonilor ce transportă forţa nucleară.
|
Particule în fizică - particule elementare |
edit |
| Fermioni: Quarci | Leptoni | |
| Quarci: Up | Down | Strange | Charm | Bottom | Top | |
| Leptoni: Electron | Muon | Tau | Neutrino | |
| Bozoni Gauge: Foton | Bozoni W | Bozon Z | Gluoni | |
| Neobservate încă: Bozon Higgs | Graviton | Alte particule ipotetice | |
[modifică] Configuraţia electronică
Comportarea chimică a atomilor este datorată interacţiunilor dintre electroni. Electronii unui atom rămân în interiorul unor configuraţii electronice fixate, predictibile. Aceste configuraţii sunt determinate de mecanica (cinematica) cuantică a electronilor în potenţialul electric al atomului; numărul cuantic principal determină învelişuri electronice particulare cu nivele distincte de energie. În general, cu cât este mai înalt nivelul de energie, cu atât este electronul mai îndepărtat de nucleu. Electronii de pe cel mai îndepărtat înveliş, numiţi şi electroni de valenţă, au cea mai puternică influenţă în comportarea chimică a atomului. Electronii de pe învelişurile interioare, (deci nu cei de valenţă) joacă şi ei un rol cu efecte secundare datorate ecranării sarcinii pozitive din nucleul atomic.
Un înveliş electronic poate avea până la 2n2 electroni, unde n este numărul cuantic principal al învelişului. Învelişul ocupat cu cel mai mare n este învelişul de valenţă, chiar dacă acesta ar avea un singur electron. În cea mai stabilă stare, de bază, electronii unui atom vor umple învelişurile acestuia în ordinea crescătoare a energiei. În unele circumstanţe, un electron poate fi excitat pe un nivel de energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o sursă externă şi sare pe un înveliş mai înalt) lăsând un loc „gol” în învelişul energetic inferior. Electronii unui atom excitat vor cădea în mod spontan pe nivelul inferior, emiţând energia excedentă sub formă de fotoni, până la revenirea la starea de bază
Pe lângă numărul cuantic principal n, unui electron i se mai asociază încă trei numere cuantice: numărul cuantic secundar l (număr cuantic azimutal, ce descrie momentul unghiular orbital), numărul cuantic magnetic m (ce descrie direcţia vectorului moment unghiular) şi numărul cuantic de spin s (ce descrie direcţia momentului unghiular intrinsec al electronului). Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l şi m au învelişuri distincte, evidenţiate prin notaţia spectroscopică (configuraţii s, p, d şi f). În cei mai mulţi atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate exact ci separate printr-o structură fină. Orbitalii cu numere m diferite sunt degenerate dar pot fi separate doar aplicând un câmp magnetic, ceea ce se numeşte efect Zeeman. Electronii cu numere s diferite prezintă diferenţe energetice foarte slabe, caracterizând aşa-numita structură (despicare) hiperfină.
[modifică] Proprietăţile nucleonilor
Nucleele atomice pot suferi transformări care afectează numărul de protoni şi neutroni pe care îi conţin, proces numit dezintegrare radioactivă. Dacă transformările nucleelor au loc spontan, procesul se numeşte radioactivitate. Transformările radioactive au loc într-un număr mare de moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de heliu) şi dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrările ce implică electroni sau pozitroni sunt datorate interacţiunilor nucleare slabe.
În plus, ca şi electronii din atom, şi nucleonii din nucleu pot fi aduşi într-o stare excitată de înaltă energie. Totuşi, această tranziţie cere de sute de ori mai multă energie decât excitaţia electronilor. La revenirea în starea fundamentală, nucleul emite un foton de energie foarte înaltă, numit şi radiaţie gamma.
Transformările nucleare au loc de asemenea şi în cadrul reacţiilor nucleare. În fuziunea nucleară, două nuclee uşoare se unesc într-un singur nucleu mai greu. În fisiunea nucleară, un nucleu greu se divide în două sau mai multe nuclee.
[modifică] Dimensiunea atomului, viteze
Atomii sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii pe care văzul uman o poate detecta, fapt pentru care atomii nu pot fi văzuţi cu nici un fel de microscop optic. Cu toate acestea, există alte căi de detectare a poziţiilor atomilor pe suprafaţa unui solid sau a unui film subţire şi chiar pentru a obţine imagini ale acestora. Este vorba despre: microscoapele electronice (microscopia cu efect de tunel), microscopia atomică (atomic force microscopy), rezonanţa magnetică nucleară şi microscopia cu raze X.
Deoarece norul de electroni nu are o formă precisă, dimensiunea unui atom nu este uşor de definit. Pentru atomii care formează reţele cristaline solide, distanţa dintre centrele a doi atomi adiacenţi poate fi uşor determinată prin difracţie cu raze X, găsindu-se o estimare a dimensiunii atomului. Pentru orice atom, se poate folosi raza la care se pot găsi cel mai des electronii de pe stratul de valenţă. De exemplu, dimensiunea atomului de hidrogen este estimată ca fiind de aproximativ 1,06×10-10 m (de două ori raza Bohr). Comparaţi această valoare cu dimensiunea protonului (unica particulă din nucleul atomului de hidrogen), care este aproximativ 10-15 m. Deci raportul dintre dimensiunea atomului de hidrogen şi cea a nucleului său este de 100.000:1. Dacă un atom ar avea dimensiunea unui stadion de fotbal, atunci nucleul său ar trebui să fie de dimensiunea unei mărgele de sticlă. Aproape toată masa unui atom se găseşte în nucleu şi aproape tot spaţiul din atom este ocupat de electronii săi.
Atomii diferitele elemente variază în dimensiune, dar dimensiunea (volumul) nu este proporţională cu masa atomului. Atomii grei au tendinţa generală de a fi mai denşi. Diametrele atomilor sunt aproximativ aceleaşi până la un factor mai mic de trei în cazul atomilor grei, dar cel mai notabil efect al masei asupra dimensiunii este următorul: dimensiunea atomică descreşte cu creşterea masei pentru fiecare linie din tabelul periodic. Raţiunea acestor efecte este aceea că elementele grele au sarcină pozitivă mare în nucleu, care atrage puternic electronii către centrul atomului. Această forţă de atracţie contractează dimensiunea învelişului electronic, astfel încât un număr mai mare de electroni se pot afla într-un volum mai mic. Acest efect poate fi remarcabil: de exemplu, atomii elementului mai dens iridium (masă atomică 192) are aproximativ aceeaşi dimensiune ca atomii de aluminiu (masă atomică 27), fapt ce contribuie la stabilirea raportului densităţilor (mai mare de 8) dintre aceste metale.
Temperatura unei colecţii de atomi este o măsură a energiei medii de mişcare (energie cinetică) a acestor atomi, deasupra energiei minime a punctului de zero cerută de mecanica cuantică; la 0 K (zero absolut) atomii ar trebui să nu aibă extra-energie peste acest minim. Dacă temperatura sistemului creşte, energia cinetică a particulelor din sistem creşte, deci şi viteza de mişcare creşte. La temperatura camerei, atomii ce formează gazele din aer se mişcă cu o viteză medie de 500 m/s (aproximativ 1800 km/h).
[modifică] Elemente, izotopi şi ioni
Atomii cu acelaşi număr atomic Z contribuie la o varietate largă de proprietăţi fizice şi manifestă proprietăţi chimice aproape identice (un exemplu de excepţie de la acest principiu îl constituie deuteriul şi apa grea). Atomii sunt clasificaţi în elemente chimice prin numărul lor atomic Z, care corespunde numărului de protoni din nucleul atomic. De exemplu, toţi atomii ce conţin şase protoni (Z = 6) sunt clasificaţi drept carbon. Elementele pot fi sortate, conform tabelului periodic, în ordinea crescătoare a numărului atomic. Această metodă pune în evidenţă cicluri repetitive regulate în proprietăţile chimice şi fizice ale respectivelor elemente.
Numărul de masă A, sau numărul nucleonic al unui element este numărul total de protoni şi neutroni din atomul acelui element, denumit aşa deoarece fiecare proton şi neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = unitate atomică de masă). O colecţie particulară de Z protoni şi A – Z neutroni se numeşte nuclid.
Fiecare element poate să aibă numeroşi nuclizi diferiţi, cu acelaşi Z, dar cu un număr variabil de neutroni. Membrii unei astfel de familie de nuclizi se numesc izotopii elementului (izotop = acelaşi loc, deoarece nuclizi au acelaşi simbol chimic şi ocupă acelaşi loc în tabelul periodic). Când se scrie numele unui nuclid particular, numele elementului (care specifică Z) este precedat de numărul de masă dacă este scris ca indice superior, sau este urmat de numărul de masă dacă nu este indiciat superior. De exemplu, nuclidul carbon-14, care poate să fi scris şi 14C, este unul dintre izotopii carbonului şi conţine 6 protoni şi 8 neutroni în fiecare atom (număr de masă 14 = 6 + 8).
Cel mai simplu atom, protium, izotop al hidrogenului, are numărul atomic 1 şi numărul de masă 1; el constă dintr-un proton şi un electron. Izotopul hidrogenului care conţine şi un neutron se numeşte deuteriu sau hidrogen-2; izotopul hidrogenului cu doi neutroni se numeşte tritiu sau hidrogen-3. Tritiul este un izotop instabil care se dezintegrează prin procesul numit radioactivitate. Mulţi izotopi ai fiecărui element sunt radioactivi; numărul izotopilor stabili variază puternic de la un element la altul (de exemplu, staniul are 10 izotopi stabili). Plumbul (Z = 82) este ultimul element care are izotopi stabili. Elementele cu număr atomic 83 (bismut) şi mai mare nu au izotopi stabili şi sunt toţi radioactivi.
Virtual, toate elementele mai grele decât hidrogenul şi heliul au fost create prin fenomenul de nucleosinteză din stele şi supernove. Sistemul nostru solar s-a format din nori de elemente provenite de la multe astfel de supernove, acum 4,6 miliarde de ani. Cele mai multe elemente mai uşoare decât uraniu (Z = 92) au, fiecare, izotopi stabili sau cel puţin radioizotopi cu viaţă suficient de lungă ca să poată fi întâlniţi în mod natural pe Pământ. Două excepţii notabile de elemente uşoare dar radioactive cu viaţă scurtă sunt techneţiu, Z = 43 şi promeţiu, Z = 61, care se găsesc în mod natural numai în stele. Alte câteva elemente grele cu viaţă scurtă care nu apar pe Pământ au fost de asemenea găsite în stele. Elementele care nu se găsesc în mod normal pe Pământ au fost create artificial prin bombardament nuclear; până în anul 2006 s-a ajuns la elementul cu număr atomic 116 numit, temporar, „ununhexium”. Aceste elemente ultragrele sunt foarte instabile şi se dezintegrează rapid.
Atomii care au pierdut sau câştigat electroni se numesc ioni. Ionii se împart în cationi cu sarcină electrică pozitivă (+), şi anioni cu sarcină electrică negativă (-).
