Dodaj do listy

Budowa atomu

  • Definicja

Atom jest zdefiniowany jako najmniejsza, niepodzielna cząstka danej substancji zachowująca wszystkie właściwości charakterystyczne dla tej substancji. Wszystkie atomy złożone są z dużego jądra i okrążającej je chmury elektronowej. Jądro ma ładunek dodatni i , pomimo małych rozmiarów, skupia w sobie większość masy całego układu. Elektrony są dużo mniejsze od protonów i neutronowo (składników jądra) i posiadają sumaryczny ładunek elektryczny ujemny. Właściwości substancji, jaką budują atomy danego pierwiastka, zależne są w dużej mierze od liczbie protonów w jądrze atomowym. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy ładunek ujemny elektronów znosi się z ładunkiem dodatnim jądra. Nie zawsze tak jest. Czasem liczba ładunków danego rodzaju jest różna od ładunków drugiego rodzaju i wówczas atomy stanowią jony.

  • Historia odkryć; modele atomu

1. Na pomysł istnienia niepodzielnych cząstek materii wpadł jako pierwszy grecki filozof Demokryt ok. 400 lat przed Naszą Erą. W jego modelu świat był kombinacja próżni i wielkiej ilości mikroskopijnych cząstek materii, dość zróżnicowanych pod względem wielkości i kształtu. To on wprowadził do nauki pojęcie atomu.

2. Rozwój chemii w wieku XVIII i XIX zapoczątkował odkrycie nowych, nieznanych dotąd pierwiastków. Doprowadziło to do sformułowania teorii atomistycznej przez angielskiego fizyka Johna Daltona (rok 1805.) W tym naiwnym jeszcze modelu atom stanowił sztywną, niepodzielna kulkę, a znane substancje były zbiorami takich kulek. Dalton uważał, że łączenie się danych substancji polega na mikroskopowym łączeniu się tworzących je, niepodzielnych cząstek. Atomy w teorii Daltona zachowywały własności fizyczne przy reakcjach chemicznych, co zgadzało się w ówczesnymi obserwacjami. Ponadto dla każdego pierwiastka atomy nie różniły się między sobą, a atomy odmiennych pierwiastków były rozróżnialne na podstawie masy i zachowania przy przemianach fizycznych i chemicznych. Jedynym problemem były zaobserwowane ładunki dodatnie i ujemne podczas przemian. Ich obecność przemawiała za bardziej skomplikowaną budową atomu.

3. Istnienie elektronu (pojedynczego ładunku ujemnego) zostało przewidziane w 1874 roku przez Irlandczyka George'a Stoney'a. Podjął się on oszacowania elementarnej jednostki elektryczności, występującej w procesie elektrolizy. Wartość ładunku elementarnego, obliczona przez Stoneya, była wprawdzie około 20 razy mniejsza od obecnie przyjmowanej, ale teoretyczne podwaliny umożliwiły późniejsz3e odkrycie cząstki. Stoney wprowadził też sam termin "elektron". W 1898 roku Joseph "J.J." Thompson wyznaczył dalsze własności cząstki i w późniejszych latach przy okazji zmodyfikował model budowy atomu. Jego model to tzw. "ciasto z rodzynkami", przy czym rolę ciasta pełni tu rozłożony dość równomiernie ładunek dodatni, a rodzynki to ładunki ujemne - elektrony. Model ten tłumaczył przez pewien czas dość dobrze wyniki doświadczeń.

4. Ernest Rutherford (fizyk pochodzący z Nowej Zelandii) zaproponował w roku 1911 pierwszy jądrowy model budowy atomu, w którym większość masy i ładunek dodatni skupione są w bardzo niewielkiej przestrzeni w centrum atomu, a elektrony krążą w dość znacznej odległości od tego centrum (jądra atomowego.) Model ten nie wyjaśniał, dlaczego w swym ruchu obrotowym, elektrony nie wytracają prędkości i nie spadają w rezultacie na jądro.

5. Niels Bohr, genialny duński fizyk, zaproponował rozszerzenie modelu Rutherforda. Według niego elektrony mogą się poruszać wokół jądra jedynie po ściśle określonych orbitach wraz z odpowiadającymi im odpowiednimi energiami. Zjawisko to wyjaśniła dopiero mechanika kwantowa, według której pochłanianie i emisja energii elektronu w atomie może odbywać się jedynie skokowo, poprzez emisja i absorpcję pewnej określonej ilości (kwantu) energii.

6. Ernest Rutherford wykazał istnienie ładunków dodatnich (protonów) w jądrze atomu w roku 1919.

7. Kolejne modele wyjaśniły budowę jądra atomowego. W roku 1921 sformułowano zaczątki teorii sił jądrowych - sil utrzymujących jądro atomowe jako całość, mimo odpychania się poszczególnych protonów w jądrze (James Chadwick, E.S. Bieler.) Kilka lat później Wolfgang Pauli odkrył prawo, według którego żadne dwa elektrony w atomie nie mogły znaleźć się na tym samym poziomie energii (tzw. Zakaz Pauliego.)

8. James Chadwick wykazał, że obok dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym występują neutrony - podobne do protonów ciężkie cząstki o ładunku elektrycznym zerowym (1931 rok.) Niemal w tym samym czasie równania teoretyczne Paula Diraca wskazały na istnienie tak zwanych antycząstek - pozytonów (elektronów o ładunku dodatnim.)

9. Znano już elektrony, protony, neutrony, antycząstki, miony oraz neutrina (małe, wysokoenergetyczne cząstki o niewykrywalnej masie.) W 1938 roku pojawia się zagadnienie trwałości protonu i neutronu. E.C.G. Stuckelberg zwrócił uwagę świata fizyki na fakt, że cząstki te nie rozdają się spontanicznie na elektrony, pozytony i neutrina, choć rozpad taki jest jak najbardziej możliwy i spełnia wszelkie niezbędne prawa zachowania. Nie mogąc zrozumieć natury zjawiska, Stuckelberg wysunął przypuszczenie, że dla cząstek tych obowiązują nowe, nieznane jeszcze prawa zachowania.

10. W 1941 roku formalnie zaczęto protony i neutrony uznawać za dwa stany tej samej cząstki - nukleonu. Nazwę tę wprowadzili C. MollerAbraham Pais.

11. lata 1950-1960 -aż do dziś: odkrycie wewnętrznej struktury nukleonów, cząstki te nie są już elementarne, ale składają się z kwarków. Eksperymenty z rozpraszaniem wiązki elektronów na jądrach atomowych wykazały istnienie złożonej budowy protonów i neutronów. Odkrycie poszczególnych sześciu kwarków, rozwój teorii. Obecnie: poszukiwanie bozonu Higgsa - hipotetycznej, ale zgodnej z wieloma założeniami teoretycznymi cząstki nadającej innym cząstkom elementarnym masę.