Atom

Atomet er den minste enheten av materie som har egenskapene til et kjemisk grunnstoff . [ 1 ] Ethvert fast stoff , væske , gass og plasma er sammensatt av nøytrale eller ioniserte atomer . Atomer er mikroskopiske ; typiske størrelser er rundt 100  pm (ti milliarddeler av en meter). [ 2 ] Atomer har imidlertid ikke veldefinerte grenser og det er forskjellige måter å definere størrelsen på som gir forskjellige, men nære verdier. Atomer er små nok til at klassisk fysikk gir resultater som er bemerkelsesverdig feil. Gjennom utviklingen av fysikk har atommodeller inkorporert kvanteprinsipper for å bedre forklare og forutsi deres oppførsel. Begrepet kommer fra det latinske atŏmus , en calque av det greske ἄτομον ( atom ) ἄτομος , forening av α ( a , som betyr "uten"), og τόμος ( Tomos , "seksjon"), som bokstavelig talt betyr "udelelig » ,, [ 3 ] og det var navnet som Demokrit fra Abdera , disippel til Leucippus av Milet , sies å ha gitt til partiklene som han unnfanget som de minste mulige. [ 4 ]

Hvert atom består av en kjerne og ett eller flere elektroner bundet til kjernen. Kjernen består av ett eller flere protoner og typisk et tilsvarende antall nøytroner . [ 5 ] Protonene og nøytronene kalles nukleoner . Mer enn 99,94 % av massen til atomet er i kjernen. Protoner har en positiv elektrisk ladning , elektroner har en negativ elektrisk ladning, og nøytroner har ingen elektrisk ladning. Hvis antallet protoner og elektroner er like, er det atomet elektrisk nøytralt. Hvis et atom har flere eller færre elektroner enn protoner, har det en samlet negativ eller positiv ladning, henholdsvis, og kalles et ion ( anion hvis negativt og kation hvis det er positivt).

Elektronene i et atom tiltrekkes av protonene i en atomkjerne av den elektromagnetiske kraften . Protonene og nøytronene i kjernen blir tiltrukket av hverandre av en annen kraft, kjernekraften , som generelt er sterkere enn den elektromagnetiske kraften som frastøter positivt ladede protoner fra hverandre. Under visse omstendigheter, mer aksentuert jo større antall protoner atomet har, blir den frastøtende elektromagnetiske kraften sterkere enn kjernekraften og nukleonene kan utvises eller kastes fra kjernen, og etterlate et annet element: kjernefysisk forfall som resulterer i kjernefysisk transmutasjon .

Antall protoner i kjernen definerer hvilket kjemisk grunnstoff atomet tilhører: [ 6 ] for eksempel inneholder alle kobberatomer 29 protoner. Antall nøytroner definerer isotopen til elementet. [ 7 ] Antall elektroner påvirker de magnetiske egenskapene til et atom. Atomer kan forbinde ett eller flere andre atomer ved kjemiske bindinger (der elektronene til atomene griper inn ) for å danne kjemiske forbindelser som molekyler og krystallgitter. Atomers evne til å assosiere og dissosiere er ansvarlig for de fleste fysiske endringene som observeres i naturen og er gjenstand for disiplinen kjemi .

Det er antimaterie , som også er sammensatt av atomer, men med ladningene omvendt; [ 8 ] Protoner har negativ ladning og kalles antiprotoner, og elektroner har positiv ladning og kalles positroner . Det er mye mindre vanlig i naturen. Når de kommer i kontakt med den respektive partikkelen (som protoner med antiprotoner og elektroner med positroner) utsletter de begge, og genererer et utbrudd av energi fra gammastråler og andre partikler.

Ikke all materie i universet består av atomer; faktisk består bare 5 % eller mindre av universet av disse. Mørk materie , som etter noen anslag utgjør mer enn 20% av universet, er ikke sammensatt av atomer, men av partikler av en foreløpig ukjent type. Også bemerkelsesverdig er mørk energi , som er en komponent som er distribuert over hele universet, og opptar omtrent 70 % av det.

Introduksjon

Konseptet om atomet som den grunnleggende og udelelige blokken som utgjør universets materie ble postulert av atomistskolen i antikkens Hellas , på 500-tallet f.Kr. C., Demokrit ( Abdera , Thrakia , ca. 460 f.Kr. – ca. 370 f.Kr. ) er en av dens eksponenter.

Aristoteles postulerer senere at materie var bygd opp av fire elementer, men benekter ideen om et atom. Den atomistiske teorien ble imidlertid opprettholdt av forskjellige filosofiske skoler, inkludert den epikuriske . For Epicurus er atomer udelelige enheter som har tre egenskaper: form, størrelse og vekt. De er permanent i bevegelse og slutter seg til hverandre i kraft av sine former. Antallet deres er uendelig og mengden av formene deres er også veldig stort (selv om det ikke nødvendigvis er uendelig). Egenskapene til legemer stammer fra atomegenskaper.

Etter den vitenskapelige revolusjonen ble den greske atomistiske skolen revurdert av de nye generasjonene av vitenskapsmenn på midten av det nittende århundre, da konseptene ble introdusert for å forklare kjemiske lover. Med utviklingen av kjernefysikk på 1900-tallet ble det funnet at atomet kan deles inn i mindre partikler . [ 9 ]​ [ 10 ]

Atomer er veldig små gjenstander med like små masser: deres diameter og masse er i størrelsesorden en ti milliarddel av en meter og en kvadrilliondel av et gram . De kan bare sees ved bruk av spesielle instrumenter som et skanningstunnelmikroskop . Mer enn 99,94 % av massen til atomet er konsentrert i kjernen, vanligvis fordelt omtrent likt mellom protoner og nøytroner. Kjernen til et atom kan være ustabil og gjennomgå transmutasjon gjennom radioaktivt forfall . Elektronene i atomskyen er fordelt på forskjellige energinivåer eller orbitaler , og bestemmer atomets kjemiske egenskaper. Overgangene mellom de ulike nivåene gir opphav til emisjon eller absorpsjon av elektromagnetisk stråling i form av fotoner , og er grunnlaget for spektroskopi .

Atomstruktur

Subatomære partikler

Selv om atom betyr "udelelig", består det faktisk av flere subatomære partikler. Atomet inneholder protoner , nøytroner og elektroner , med unntak av hydrogen-1- atomet , som ikke inneholder nøytroner, og hydrogen- eller hydronkationet , som ikke inneholder elektroner. Protonene og nøytronene til atomet kalles nukleoner , fordi de er en del av atomkjernen.

Elektronet er den letteste partikkelen av de som utgjør atomet, med en masse på 9,11 · 10 −31  kg. Den har en negativ elektrisk ladning, hvis størrelse er definert som den elementære elektriske ladningen , og hvorvidt den har understruktur er ukjent, så den regnes som en elementær partikkel . Protoner har en masse på 1,672 · 10 −27  kg, 1836 ganger elektronets masse, og en positiv ladning motsatt elektronets. Nøytroner har en masse på 1,69 · 10 −27  kg, 1839 ganger elektronets masse, og har ingen elektrisk ladning. Massene til begge nukleonene er litt lavere inne i kjernen, på grunn av dens potensielle energi , og størrelsene deres er like, med en radius i størrelsesorden 8 · 10 −16  m eller 0,8 femtometer (fm). [ 11 ]

Verken protonet eller nøytronet er elementærpartikler, men utgjør snarere en bundet tilstand av u- og d - kvarker , fundamentale partikler inkludert i standardmodellen for partikkelfysikk, med elektriske ladninger lik henholdsvis +2/3 og -1/3, med hensyn til elementær ladning. Et proton inneholder to u - kvarker og en d - kvark , mens nøytronet inneholder to d og en u , i samsvar med ladningen til begge. Kvarker holdes sammen av den sterke kjernekraften , formidlet av gluoner - akkurat som den elektromagnetiske kraften formidles av fotoner. I tillegg til disse er det andre subatomære partikler i standardmodellen: flere typer kvarker, ladede leptoner (lik elektronet), etc.

Atomkjernen

Protonene og nøytronene til et atom er bundet i atomkjernen, i den sentrale delen av den. Volumet av kjernen er omtrent proporsjonalt med det totale antallet nukleoner, massetallet A , [ 12 ] som er mye mindre enn størrelsen på atomet, hvis radius er i størrelsesorden 10 5 fm eller 1 ångstrøm (Å) . Nukleonene holdes sammen av kjernekraften , som er mye sterkere enn den elektromagnetiske kraften på korte avstander, noe som gjør at den elektriske frastøtningen mellom protoner kan overvinnes. [ 13 ]

Atomer av samme grunnstoff har samme antall protoner, som kalles atomnummeret og representeres av Z. Atomer av et gitt grunnstoff kan ha forskjellig antall nøytroner: de sies da å være isotoper . Begge tallene sammen bestemmer nuklidet .

Atomkjernen kan endres ved svært energiske prosesser sammenlignet med kjemiske reaksjoner . Ustabile kjerner gjennomgår forfall som kan endre antall protoner og nøytroner ved å sende ut stråling . En tung kjerne kan spaltes til lettere kjerne i en kjernefysisk reaksjon eller spontant . Med tilstrekkelig mengde energi kan to eller flere kjerner smelte sammen til en tyngre.

I atomer med lave atomtall har kjerner med et annet antall protoner og nøytroner en tendens til å desintegreres til kjerner med jevnere, mer stabile forhold. For større verdier av atomnummeret krever imidlertid den gjensidige frastøtingen av protonene en større andel nøytroner for å stabilisere kjernen. [ 14 ]

Elektronsky

Elektronene i atomet tiltrekkes av protonene gjennom den elektromagnetiske kraften. Denne kraften fanger dem i en brønn med elektrostatisk potensial rundt kjernen, og krever en ekstern strømkilde for å frigjøre dem. Jo nærmere et elektron er kjernen, desto større er tiltrekningskraften, og desto større energi kreves det for at det skal unnslippe.

Elektroner, som andre partikler, viser samtidig egenskapene til en punktpartikkel og en bølge , og har en tendens til å danne en viss type stående bølge rundt kjernen, i ro i forhold til den. Hver av disse bølgene er preget av en atomorbital , en matematisk funksjon som beskriver sannsynligheten for å finne elektronet ved hvert punkt i rommet. Settet med disse orbitalene er diskrete, det vil si at det kan telles opp, som er typisk i ethvert kvantesystem. Elektronskyen er området okkupert av disse bølgene, visualisert som en tetthet av negativ ladning rundt kjernen.

Hver orbital tilsvarer en mulig verdi av energi for elektronene, som er fordelt mellom dem. Pauli - eksklusjonsprinsippet forbyr mer enn to elektroner fra å være i samme orbital. Overganger mellom ulike energinivåer kan oppstå: hvis et elektron absorberer et foton med nok energi, kan det hoppe til et høyere nivå; også fra et høyere nivå kan det havne på et lavere nivå, og utstråle resten av energien i et foton. Energiene gitt av forskjellene mellom verdiene til disse nivåene er de som observeres i atomets spektrallinjer .

Atomets egenskaper

Masse

Det meste av atomets masse kommer fra nukleonene , protonene og nøytronene i kjernen. En liten del bidrar også med elektronenes masse, og nukleonenes bindingsenergi, i kraft av ekvivalensen mellom masse og energi . Masseenheten som vanligvis brukes for å uttrykke den er atommasseenheten (u). Dette er definert som en tolvtedel av massen til et fritt nøytralt karbon-12- atom , hvis kjerne inneholder 6 protoner og 6 nøytroner, og tilsvarer omtrent 1,66 · 10 −27  kg. Til sammenligning har det frie protonet og nøytronet en masse på 1,007 og 1,009 u. Massen til et atom er da omtrent lik antall nukleoner i kjernen - massetallet - multiplisert med atommasseenheten. Det tyngste stabile atomet er bly-208 , med en masse på 207,98 u. [ 15 ]

I kjemi brukes føflekken også som en masseenhet. Én mol atomer av et hvilket som helst grunnstoff er alltid lik det samme antallet av disse ( 6.022 · 10 23 ), noe som innebærer at én mol atomer av et grunnstoff med en atommasse på 1 u veier omtrent 1 gram. Generelt veier ett mol atomer av et bestemt grunnstoff omtrent like mange gram som atommassen til det elementet.

Størrelse

Atomer er ikke avgrenset av en klar grense, så størrelsen deres er lik størrelsen på elektronskyen deres. Et mål på dette kan imidlertid heller ikke fastsettes på grunn av elektronenes bølgeegenskaper. I praksis er atomradius definert ved å estimere den basert på et fysisk fenomen, for eksempel antall og tetthet av atomer i et gitt volum, eller avstanden mellom to kjerner i et molekyl .

De ulike eksisterende metodene gir verdier for atomradius mellom 0,5 og 5 Å. Innenfor grunnstoffenes periodiske system har størrelsen på atomer en tendens til å avta over en periode — en rad — for så å plutselig øke i begynnelsen av en ny, ettersom elektroner opptar høyere energinivåer. [ 16 ]

Dimensjonene til atomet er tusenvis av ganger mindre enn bølgelengden til lys (400-700  nm ), så de kan ikke observeres ved hjelp av optiske instrumenter. Til sammenligning tilsvarer tykkelsen på et menneskehår en million karbonatomer . Hvis et eple var på størrelse med jorden , ville atomene i det vært like store som det opprinnelige eplet. [ 17 ]

Effektnivåer

Et elektron bundet i atomet har en potensiell energi som er omvendt proporsjonal med avstanden fra kjernen og har et negativt fortegn, som betyr at den øker med avstanden. Størrelsen på denne energien er mengden som trengs for å løsne den, og enheten som vanligvis brukes for å uttrykke den er elektronvolt (eV). I den kvantemekaniske modellen er det bare et diskret sett med tilstander eller nivåer der et bundet elektron kan bli funnet - det vil si tallrike -, hver med en viss energiverdi. Nivået med lavest verdi kalles grunntilstanden , mens resten kalles eksiterte tilstander.

Når et elektron gjør en overgang mellom to forskjellige tilstander, absorberer eller sender det ut et foton, hvis energi er nettopp forskjellen mellom de to nivåene. Energien til et foton er proporsjonal med dets frekvens , så hver overgang tilsvarer et smalt bånd av det elektromagnetiske spekteret kalt spektrallinjen .

Hvert kjemisk element har et karakteristisk linjespekter. Disse oppdages som emisjonslinjer i strålingen fra atomene. Omvendt, hvis stråling med et kontinuerlig frekvensspektrum sendes gjennom dem, absorberes fotoner med riktig energi. Når de eksiterte elektronene senere henfaller, sender de ut i tilfeldige retninger, så de karakteristiske frekvensene blir sett på som mørke absorpsjonslinjer. Spektroskopiske målinger av intensiteten og bredden til disse linjene gjør det mulig å bestemme sammensetningen av et stoff.

Noen spektrallinjer vises veldig nær hverandre, så mye at de ble forvekslet med bare én historisk, inntil deres understruktur eller fine struktur ble oppdaget . Årsaken til dette fenomenet ligger i de ulike korreksjonene som skal vurderes i samspillet mellom elektronene og kjernen. Tar man kun hensyn til den elektrostatiske kraften, hender det at noen av de elektroniske konfigurasjonene kan ha samme energi selv om de er forskjellige. De gjenværende små effektene og kreftene i elektron-kjernesystemet bryter denne redundansen eller degenerasjonen , og gir opphav til den endelige strukturen. Disse inkluderer de relativistiske korreksjonene til elektronbevegelsen, samspillet mellom dets magnetiske moment med det elektriske feltet og med kjernen, etc. [ 18 ]

I tillegg, i nærvær av et eksternt felt, modifiseres energinivåene av interaksjonen av elektronet med det, som vanligvis produserer eller øker delingen mellom energinivåene. Dette fenomenet er kjent som Stark-effekten når det gjelder et elektrisk felt, og Zeeman-effekten når det gjelder et magnetfelt.

Overgangene til et elektron til et høyere nivå skjer i nærvær av ekstern elektromagnetisk stråling, som forårsaker absorpsjon av det nødvendige fotonet. Hvis frekvensen til nevnte stråling er veldig høy, er fotonet veldig energisk og elektronet kan frigjøres, i den såkalte fotoelektriske effekten .

Overganger til et lavere nivå kan skje spontant, og sender ut energi gjennom et utgående foton; eller på en "stimulert" måte , igjen i nærvær av stråling. I dette tilfellet fører et passende "innkommende" foton til at elektronet henfaller til et nivå med en energiforskjell lik energiforskjellen til det innkommende fotonet. På denne måten sendes det ut et utgående foton hvis tilhørende bølge er synkronisert med den til den første, og i samme retning. Dette fenomenet er grunnlaget for lasere .

Elektriske interaksjoner mellom protoner og elektroner

Før Rutherfords eksperiment aksepterte det vitenskapelige samfunnet Thomsons atommodell , en situasjon som endret seg etter Ernest Rutherfords erfaring . Senere modeller er basert på en struktur av atomer med en positivt ladet sentralmasse omgitt av en sky med negativ ladning. [ 19 ]

Denne typen struktur av atomet førte til at Rutherford foreslo sin modell der elektronene skulle bevege seg rundt kjernen i baner. Denne modellen har en vanskelighet som stammer fra det faktum at en akselerert ladet partikkel, som ville være nødvendig for å holde seg i bane, ville utstråle elektromagnetisk stråling og miste energi. Newtons lover , sammen med Maxwells elektromagnetismelikninger brukt på Rutherford-atomet, fører til at i en tid i størrelsesorden 10 −10 s , ville all energien til atomet ha blitt utstrålet, med påfølgende fall av elektronene på kjernen. [ 20 ]

Historie om atomteori

Atombegrepet har eksistert siden antikkens Hellas , foreslått av de greske filosofene Democritus , Leucippus og Epicurus , men konseptet ble ikke generert gjennom eksperimentering, men som en filosofisk nødvendighet som forklarte virkeligheten, siden, som disse foreslåtte tenkerne, "materie ikke kan være delt på ubestemt tid, så det må være en udelelig og uforgjengelig enhet eller blokk som, når den kombineres på forskjellige måter, vil skape alle de makroskopiske kroppene som omgir oss» , [ 21 ] svært aktuelle konsepter, siden egenskapen til uforgjengelighet og udelelighet var bærebjelken . av moderne kjemi og fysikk .

Det neste betydelige fremskrittet ble ikke gjort før i 1773 postulerte den franske kjemikeren Antoine-Laurent de Lavoisier sin uttalelse: "Materien er verken skapt eller ødelagt, den blir ganske enkelt forvandlet." Loven om bevaring av masse eller loven om bevaring av materie ; senere demonstrert av eksperimentene til den engelske kjemikeren John Dalton som i 1804 , etter å ha målt massen til reaktantene og produktene av en reaksjon, konkluderte med at stoffer er sammensatt av sfæriske atomer som er identiske for hvert element, men forskjellige fra ett element til et annet. [ 22 ]

Så i 1811 postulerte den italienske fysikeren Amedeo Avogadro at ved en gitt temperatur, trykk og volum, inneholder en gass alltid det samme antall partikler, det være seg atomer eller molekyler, uavhengig av gassens natur, og danner på samme tid hypotesen om at gassene er polyatomiske molekyler med det som begynte å skille mellom atomer og molekyler. [ 23 ]

Den russiske kjemikeren Dmítri Ivánovich Mendeléyev opprettet i 1869 en klassifisering av de kjemiske elementene i økende rekkefølge av deres atommasse, og understreket at det var en periodisitet i de kjemiske egenskapene. Dette arbeidet var forløperen til grunnstoffenes periodiske system slik vi kjenner det i dag. [ 24 ]

Moderne innsikt i dens interne struktur måtte vente til Rutherfords eksperiment fra 1911 . Dette eksperimentet førte til Rutherford-atommodellen som ikke tilstrekkelig kunne forklare stabiliteten til atomer eller atomspektre, så Niels Bohr formulerte sin Bohr- atommodell i heuristiske termer, som redegjorde for disse fakta uten å forklare dem ordentlig. Senere vitenskapelige oppdagelser, som kvanteteori og teknologiske fremskritt, som elektronmikroskopet , har tillatt en større forståelse av de fysiske og kjemiske egenskapene til atomer. [ 25 ]

Evolusjon av atommodellen

Oppfatningen av atomet som har vært gjennom historien har variert i henhold til oppdagelsene gjort innen fysikk og kjemi. Deretter vil det være en utstilling av atommodellene foreslått av forskere fra forskjellige tider. Noen av dem er helt utdaterte for å forklare for tiden observerte fenomener, men er inkludert som en historisk oversikt.

Dalton modell

Det var den første atommodellen med verifiserbare vitenskapelige baser, den ble formulert i 1803 av John Dalton , som forestilte atomer som små kuler. [ 26 ] Denne første atommodellen postulerte:

Imidlertid forsvant den før Thomson-modellen siden den ikke forklarer katodestråler, radioaktivitet eller tilstedeværelsen av elektroner (e-) eller protoner (p+).

Thomson-modell

Etter oppdagelsen av elektronet i 1897 av Joseph John Thomson , ble det bestemt at materie var bygd opp av to deler, en negativ og en positiv. Den negative delen var bygd opp av elektroner, som ifølge denne modellen var nedsenket i en masse positiv ladning på samme måte som rosiner i en kake (fra analogien til den engelske plommepuddingmodellen ) eller druer i gelé. Senere foreslo Jean Perrin en modell modifisert fra Thomsons hvor "rosinene" (elektronene) var plassert på utsiden av "kaken" (protoner).

For å forklare dannelsen av ioner, positive og negative, og tilstedeværelsen av elektroner i atomstrukturen, utviklet Thomson et atom som ligner en fruktkake. En positiv sky som inneholdt de små negative partiklene (elektronene) suspendert i den. Antall negative ladninger var tilstrekkelig til å nøytralisere den positive ladningen. I tilfelle at atomet mistet et elektron, ville strukturen forbli positiv; og hvis han vant, ville den endelige ladningen være negativ. På denne måten forklarte han dannelsen av ioner; men han lot eksistensen av de andre strålingene være uforklarlig.

Nagaoka modell

Nagaoka avviste Thomsons modell, fordi ladninger er ugjennomtrengelige av hverandres motsetning. På grunn av hans uenighet foreslo han en alternativ modell der et senter med positiv ladning var omgitt av en rekke spinnende elektroner, noe som gjorde likheten med Saturn og dens ringer.

I 1904 utviklet Nagaoka en av de første planetariske modellene av atomet. 1 Slik som Rutherford Atomic Model. Nagaoka-modellen var basert på analogien med planeten Saturn, og med teoriene som forklarte stabiliteten og gravitasjonsforholdet mellom den og dens ringer. Saken var denne: ringene er veldig stabile fordi planeten de går i bane er veldig massiv. Denne modellen ga to spådommer:

En veldig massiv kjerne (i analogi med en veldig massiv planet). Elektroner som roterer rundt atomkjernen, bundet til den banen av elektrostatiske krefter (i analogi med ringene som roterer rundt Saturn, bundet til den av gravitasjonskraften).

Rutherford modell

Denne modellen ble utviklet av fysikeren Ernest Rutherford fra resultatene oppnådd i det som nå er kjent som Rutherfords eksperiment i 1911. Den representerer et fremskritt i forhold til Thomsons modell, siden den hevder at atomet består av en positiv del og en negativ. I motsetning til den forrige postulerer den imidlertid at den positive delen er konsentrert i en kjerne, som også inneholder praktisk talt all massen til atomet, mens elektronene befinner seg i et skall som kretser rundt kjernen i sirkulære eller elliptiske baner med en tomhet i rommet. mellom dem. Til tross for at den er en utdatert modell, er den den vanligste oppfatningen av atomet hos den ikke-vitenskapelige offentligheten.

Rutherford spådde eksistensen av nøytronet i år 1920 , av den grunn er det ikke nevnt i den forrige modellen (Thomson).

Dessverre hadde Rutherfords atommodell flere inkonsekvenser:

Bohr modell

Denne modellen er strengt tatt en modell av hydrogenatomet som tar utgangspunkt i Rutherford-modellen. Niels Bohr prøver å innlemme fenomenene absorpsjon og utslipp av gasser, så vel som den nye teorien om energikvantisering utviklet av Max Planck og fenomenet den fotoelektriske effekten observert av Albert Einstein .

"Atomet er et lite solsystem med en kjerne i sentrum og elektroner som beveger seg rundt kjernen i veldefinerte baner." Baner er kvantiserte (elektroner kan bare være i visse baner)

Bohrs største suksess var å forklare emisjonsspekteret til hydrogen, men bare lyset til dette grunnstoffet gir grunnlag for lysets kvantekarakter, fotonet sendes ut når et elektron faller fra en bane til en annen, og er en puls av utstrålt energi.

Bohr var ikke i stand til å forklare eksistensen av stabile baner og for kvantiseringstilstanden.

Bohr fant at vinkelmomentet til elektronet var h/2π ved en metode som han ikke kunne rettferdiggjøre.

Sommerfeld modell

Bohrs atommodell fungerte veldig bra for hydrogenatomet , men i spektra laget for atomer av andre elementer, ble det observert at elektroner med samme energinivå hadde forskjellige energier, noe som viser at det var en feil i modellen. Hans konklusjon var at innenfor samme energinivå var det subnivåer, det vil si litt forskjellige energier. Også fra et teoretisk synspunkt hadde Sommerfeld funnet ut at i visse atomer nådde elektronenes hastighet en betydelig brøkdel av lysets hastighet . Sommerfeld studerte spørsmålet for relativistiske elektroner.

Den tyske fysikeren Arnold Sommerfeld gjorde til slutt , ved hjelp av Albert Einsteins relativitetsteori , følgende modifikasjoner av Bohr-modellen:

  1. Elektroner beveger seg rundt i kjernen, i sirkulære eller elliptiske baner.
  2. Fra det andre energinivået er det to eller flere undernivåer på samme nivå.
  3. Elektronet er en liten elektrisk strøm.

Følgelig er Sommerfelds atommodell en generalisering av Bohrs atommodell fra et relativistisk synspunkt, selv om han ikke kunne demonstrere emisjonsformene til elliptiske baner, utelukket han bare deres sirkulære form.

Schrödinger modell

Etter at Louis-Victor de Broglie foreslo materiens bølgenatur i 1924 , som ble generalisert av Erwin Schrödinger i 1926 , ble modellen av atomet oppdatert igjen.

Schrödinger-modellen forlater forestillingen om elektroner som små ladede kuler som kretser rundt kjernen, som er en ekstrapolering av erfaring på makroskopisk nivå til atomets små dimensjoner. I stedet beskriver Schrödinger elektroner med en bølgefunksjon , hvis kvadrat representerer sannsynligheten for deres tilstedeværelse i et avgrenset område av rommet. Denne sannsynlighetssonen er kjent som en orbital . Grafen nedenfor viser orbitalene for de første tilgjengelige energinivåene i hydrogenatomet.

Dirac-modell

Dirac-modellen bruker svært like forutsetninger som Schrödinger-modellen, selv om utgangspunktet er en relativistisk ligning for bølgefunksjonen, Dirac-ligningen . Dirac-modellen lar oss mer naturlig inkorporere elektronets spinn . Den forutsier energinivåer som ligner på Schrödinger-modellen ved å gi passende relativistiske korreksjoner.

Senere modeller

Etter etableringen av Dirac-ligningen, utviklet kvanteteorien seg til en skikkelig kvantefeltteori . Modellene som dukket opp fra 1960- og 1970-tallet tillot konstruksjonen av teorier om samspillet mellom nukleonene. Den gamle atomteorien var begrenset til forklaringen av den elektroniske strukturen som fortsatt blir tilstrekkelig forklart av Dirac-modellen supplert med korreksjoner som oppstår fra kvanteelektrodynamikk . På grunn av komplikasjonen av sterke interaksjoner, eksisterer bare omtrentlige modeller av strukturen til atomkjernen. Blant modellene som forsøker å redegjøre for strukturen til atomkjernen er væskedråpemodellen og skallmodellen .

Senere, fra 1960- og 1970-tallet, dukket det opp eksperimentelle bevis og teoretiske modeller som antydet at selve nukleonene (nøytroner, protoner) og mesoner ( pioner ) som utgjør atomkjernen, ville bestå av mer elementære fermioniske bestanddeler kalt kvarker . Det sterke samspillet mellom kvarker reiser kompliserte matematiske problemer, hvorav noen ennå ikke er nøyaktig løst. Uansett, det som er kjent i dag gjør det klart at strukturen til atomkjernen og til partiklene som utgjør kjernen er mye mer komplisert enn den elektroniske strukturen til atomer. Siden de kjemiske egenskapene utelukkende avhenger av egenskapene til den elektroniske strukturen, anses gjeldende teorier å på en tilfredsstillende måte forklare de kjemiske egenskapene til materie, hvor studiet var opphavet til studiet av atomstruktur.

Se også

Notater og referanser

Notater

Referanser

  1. ^ "Atom" . Compendium of Chemical Terminology (IUPAC Gold Book) . IUPAC . Hentet 25. april 2015 . 
  2. ↑ Ghosh, D.C.; Biswas, R. (2002). "Teoretisk beregning av absolutte radier av atomer og ioner. Del 1. Atomradiusene». Int. J. Mol. Sci. 3 : 87-113. doi : 10.3390/i3020087 . 
  3. ↑ Royal Spanish Academy og Association of Academies of the Spanish Language. "atom" . Dictionary of the Spanish Language (23. utgave) . Hentet 20. juli 2009 . 
  4. ^ Asimov, I. (2014). En kort historie om kjemi: en introduksjon til kjemiens ideer og begreper . Madrid: Editorial Alliance / The Pocket Book. s. 26. ISBN 978-84-206-6421-7
  5. ^ "Public Health Brief: Ionizing Radiation" (PDF) . Department of Health and Human Services - Agency for Toxic Substances and Disease Registry (USA). september 1999 . Hentet 28. august 2022 . 
  6. ↑ Di Risio, Cecilia D.; Roverano, Mario; Vasquez, Isabel M. (2018). Grunnleggende kjemi (6. utgave). Buenos Aires, Argentina: Universitetet i Buenos Aires. s. 58-59. ISBN  9789508070395 . 
  7. ↑ Leigh, GJ, red. (1990). International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on the Nomenclature of Inorganic Chemistry, Nomenclature of Organic Chemistry – Recommendations 1990 . Oxford: Blackwell Scientific Publications. s. 35. ISBN  0-08-022369-9 . «Et atom er den minste enhetsmengden av et grunnstoff som er i stand til å eksistere enten alene eller i kjemisk kombinasjon med andre atomer av samme eller andre grunnstoffer. » 
  8. ↑ Longair, Malcolm S. (10. februar 1999). Utviklingen av universet vårt . Akal Editions. ISBN  9788483230312 . Hentet 6. februar 2018 . 
  9. ↑ Haubold, Hans; Mathai, AM (1998). "Mikrokosmos: Fra Leucippus til Yukawa" . Universets struktur . Sunn fornuftsvitenskap. Arkivert fra originalen 1. oktober 2008 . Hentet 17. januar 2008 . 
  10. ↑ Harrison (2003:123-139).
  11. ↑ Dette er radiusen til ladningsfordelingen observert i nukleoner. Se Cottingham og Greenwood, 2004 , §3.1.
  12. ^ Den nøyaktige formelen er 1,12 ³√ A fm. Se Cottingham og Greenwood, 2004 , §4.3.
  13. ↑ Kramer, 1988 , s. 80.
  14. ↑ Kramer, 1988 , s. 67,68.
  15. ↑ «Resultater av kjernefysiske lommebøker. Z=82» . 2012.  (Satt sammen av National Nuclear Data Center ). De siterer også vismut-209 som stabil , men det er bevis på at den er ustabil. Se Marcillac, Pierre de; Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic (april 2003). "Eksperimentell påvisning av α-partikler fra radioaktivt forfall av naturlig vismut". Nature 422 (6934): 876-878. Bibcode : 2003Natur.422..876D . PMID  12712201 . doi : 10.1038/nature01541 . 
  16. ↑ For atomradius, se Demtröder, 2006 , §2.4, §6.2.3.
  17. ↑ Feynman, Richard ; Leighton, R.; Sands, M. (1970). Feynman-forelesningene om fysikk (på engelsk) 1 . s. 1-3. ISBN  0-201-02115-3 . 
  18. ↑ En diskusjon av effektene som er ansvarlige for fin og hyperfin struktur i hydrogenlignende atomer finnes i Bransden og Joachain, 1983 , §5.
  19. ↑ Rañada, Antonio (1990), Klassisk dynamikk . Madrid, Editorial Alliance, SA 84-206-8133-4
  20. ↑ Bransden, BH og CJ Joachain (1992), Physics of Atoms and Molecules . Harlow-Essex-England, Longman Group Limited. 0-582-44401-2
  21. ↑ presocraticos/Atomistas/atomis.html Presokratiske filosofer: Atomister, Leucippus og Demokritos
  22. ↑ Revolusjonens hovedpersoner: Lavoisier, AL
  23. ↑ Amedeo Avogadro (på italiensk)
  24. ↑ Elementer og atomer: Kapittel 12 : Mendeleevs første periodiske system
  25. ↑ Rutherford-eksperiment
  26. ↑ Rincón Arce, Álvaro (1983) ABC of Chemistry First Course, Editorial Herrero, Mexico, ISBN 968-420-294-6 .

Bibliografi

Eksterne lenker