Dodaj do listy

TEORIE ATOMISTYCZNE I BUDOWA ATOMU

Pojęcie atomu

Atomy stanowią ważny składnik materii, która nas otacza, są wszędzie, w zasięgu naszej ręki, np. w metalu, powietrzu czy wodzie. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że budowa ich jest ciągła i nie można wyróżnić mniejszych elementów. Materia składa się z atomów – cząstek będących w nieustannym ruchu.

Już za czasów starożytnych,  w IV w p.n.e., używano pojęcia atomu. Wyraz ten wywodzi się od greckiego terminu „athomos” i oznacza tyle co niepodzielny. 

Pierwsza teoria atomistyczna

Twórcą pierwszej atomistycznej teorii był grecki filozof Demokryt. Stopień zaawansowania ówczesnej nauki był zbyt mały, by można było udowodnić tezę Daltona.

Teoria Daltona

W 1808 r. angielski uczony  John Dalton przedstawił swoją teorię atomistyczno - cząsteczkowej budowy materii. Jej najważniejsze założenia to:

  •   atomy określonego pierwiastka posiadają identyczne masy oraz rozmiary,
  •   atomy wykazują kulisty kształt,
  •   atom stanowi najmniejszą cząstkę pierwiastka posiadającą charakterystyczne cechy danego pierwiastka,
  •   atomy łączą się z utworzeniem cząsteczek

Jak się później okazało atomy nie stanowią najmniejszych drobin materii, bo są podzielne.

Atom złożony jest z jądra oraz elektronów (w przypadku atomu wodoru  jednego elektronu).

Elektron (e) stanowi cząstkę elementarną posiadającą ładunek elektryczny ujemny, a jego masa wynosi

9,11 × 10-31 kg, ładunek 1,6 × 10-19 C, średnica to 10-14 m. Elektrony poruszają się w przestrzeni wokół jądra

z  bardzo dużą prędkością (wynoszącą ok. 1 000 000 metrów w ciągu sekundy).

Jądro umieszczone jest w centralnej części atomu. To tutaj skupiona jest prawie  cała masa atomu. Elektrony znajdują się wokół jądra tworząc "ujemnie naładowana chmurę elektronową". Promień jądra atomowego jest rzędu 10-15 - 10-14 i jest dużo mniejszy od promienia całego atomu. Składa się ono z nukleonów, czyli dodatnio naładowanych protonów i obojętnie elektrycznych neutronów. Masa protonu jest równa 1,673 × 10-27 kg,

a ładunek wynosi 1,6 × 10-19 C. Elektron posiada taką samą wartość bezwzględną ładunku. Masa neutronu, jest bardzo podobna jak protonu i osiąga wartość 1,675 × 10-27 kg. Suma protonów oraz neutronów stanowi masę jądra w jednostkach mas atomowych [u]. Masa nukleonów jest ok. 2000 razy większa niż elektronu. Ponieważ atom jest układem elektrycznie obojętnym, liczba protonów oraz elektronów jest taka sama. Do obojętnego atomu może przyłączyć się elektron (lub elektrony) lub może zostać oderwany jeden albo kilka elektronów, wówczas tworzą się jony. 

atom + elektron = jon ujemny

atom - elektron = jon dodatni

Trwałość struktury jądra jest determinowana przez wzajemnie przyciąganie się protonów, a także i neutronów siłami jądrowymi. Są one znacznie większe niż siły elektrycznego odpychania protonów, chociaż ich zasięg jest nie współmiernie mały. 

Model budowy atomu Rutherforda

W 1911r. Ernest Rutherford przedstawił tzw. planetarny model atomu (Rys 1). Uważał on, że atom złożony jest z  dodatnio naładowanego jądra (skupiającego niemal całą masę) i lekkich elektronów, które poruszają się wokół niego w próżni z bardzo dużą prędkością.

Rys.  Planetarny model atomu

Kwarki

Elementy atomu: protony oraz neutrony, uważane przez wiele wieków za niepodzielne, okazały się mieć jeszcze mniejsze części składowe. Te najmniejsze elementy to kwarki. Protony składają się z trzech kwarków.  Ich ładunek przyjmuje dwie wartości, może być równy 1/3 lub 2/3 wartości ładunku elementarnego. Kwarki istnieją wyłącznie w stanie związanym. 

Atomy mogą łączyć się ze sobą (chmury elektronowe przenikają się nawzajem) z utworzeniem nowych struktur, czyli  cząsteczek.

Rozmiary atomów

Rozmiary atomów są bardzo małe i wynoszą przeciętnie jedną dziesięciomiliardową metra (jednostkę tą nazwano "angstremem" i oznaczono Å). Żeby sobie uzmysłowić, jak mały jest to rząd wielkości podajmy kilka przykładów: na 1 mm wzdłuż mieści się rzędu 10 milionów atomów, na 1 mm2 zawiera ok. 1014 (100 bilionów) atomów, a w 1mm3 (ziarenko piasku) zmieści się 1021 atomów. Jak łatwo się domyśleć pojedynczy atom posiada bardzo małą masę. Trudno jest zauważyć obiekty zbudowane z  ok. miliardów atomów np. wirusy, tak więc i trudno będzie dostrzec atomy. Obecnie ludziom udało się podglądnąć naturę i są już techniki pozwalające dostrzec atom.

Masy atomów są wyrażane w specjalnych jednostkach, głównie ze względu na wygodę ich stosowania. Jednostką masy atomowej stanowi 1u, który jest 1/12 masy atomu węgla

(masa atomu węgla = 1,99 × 10-23 g).

1 u = 1,66057 × 10-27 kg = 1,66 × 10-24 g.

Jednostka masy atomowej wynosi mniej więcej masie atomu wodoru.

Każdy pierwiastek charakteryzuje liczba masowa, będąca masą atomów określoną w jednostkach masy atomowej. Liczba ta jest sumą nukleonów (protonów oraz neutronów) wchodzących w skład jądra atomowego danego pierwiastka. Oznaczono ją symbolem A. Liczba protonów, a tym samym i elektronów

w atomie danego pierwiastka oznaczano jako Z i nazwano liczbą atomową. Liczbę neutronów danego atomu wyznacza się z różnicy liczby masowej A i liczby atomowej Z.

n = A - Z

Symboliczny zapis liczby cząstek elementarnych budujących określony atom:

, gdzie:

E - symbol Symbol motyw bądź zespół motywów, pojęć, obrazów, które oprócz znaczenia dosłownego posiadają także znaczenie ukryte - symboliczne. W przeciwieństwie do alegorii, która może być odczytana tylko... Czytaj dalej Słownik terminów literackich pierwiastka

Izotopy

Atomy danego pierwiastka mogą występować w paru odmianach, o różnej masie. Odmiany te stanowią izotopy danego pierwiastka. Posiadają one identyczną liczbę atomową, a różną liczbę masową, a więc inna jest liczba neutronów wchodząca w skład jądra. Izotopy danego pierwiastka mają takie same (jedynie czasem występują minimalne różnice) właściwości chemiczne i fizyczne. Ich zasadnicza różnica polega na tendencji

do samorzutnego rozpadania się oraz emisji promieniowania, czyli promieniotwórczością. Wiele izotopów wykazuje promieniotwórczość. 

Przykłady izotopów:

  •   Węgla:
    • izotop węgla 12C nie wykazuje tendencji do radioaktywności (6 protonów i 6 neutronów)
    • odmiana 14C jest promieniotwórcza (6 protonów i 8 neutronów)
  •   Wodór:
  •   wodór zwykły (występuje w przyrodzie w przeważającej ilości) - 1H posiada jądro zbudowane z 1 protonu,
  •   deuter (w naturze stanowi 0,01% ) -  2H posiada jądro zbudowane z 1 protonu oraz 1 neutronu,
  •   tryt (w naturze  jest go najmniej z izotopów wodoru) - 3H posiada jądro zbudowane
  •   z 1 protonu oraz  2 neutronów

Różne izotopy zapisuje się symboliczne umieszczając przy symbolu określonego pierwiastka odpowiednie liczby masową:

AE

gdzie E - symbol pierwiastka

A - liczba masowa określonego izotopu

W zasadzie każdy pierwiastek posiada swoje izotopy. Przypuszczalnie część izotopów promieniotwórczych uległa  dawno rozpadowi, dlatego obecnie dość mało jest radioaktywnych substancji w naturze.