O budowie atomu

Wszystkie substancje zbudowane są z bardzo małych cząstek, nazywanych atomami. Potrafią się one ze sobą łączyć tworząc grupy atomów, nazywane cząsteczkami. Nieraz w skład cząsteczek mogą wchodzić tysiące atomów, tworząc bardzo skomplikowane struktury.

Rozwój teorii atomistycznych:

ATOM (z gr. - niepodzielny)- nazwa ta wywodzi się z czasów antycznych, kiedy uważano, że materia ma budowę ziarnistą oraz istnieje kres jej dzielenia. Atom miał być cząstką najmniejszą nie podlegającą dalszemu podziałowi, reprezentującą właściwości danej substancji.

Twórcami tej pierwszej teorii byli Leukippos i Demokryt, żyjący w V - IV w p.n.e.

Taki pogląd utrzymywał się przez wieki.

Pierwszą poważną teorią atomistyczną była teoria Johna Daltona z roku 1805. Postulował on, że:

-atom jest najmniejszą niepodzielną porcją materii zachowującą jej właściwości chemiczne i fizyczne

-atomy tego samego pierwiastka mają ściśle określoną masę

-atomy mogą się ze sobą łączyć w cząsteczki w prostych proporcjach liczbowych.

Dziś wiemy, iż wszystkie te postulaty są nieprawdziwe.

Do rozwoju teorii atomistycznych przyczyniły się odkrycia J. J. Thomsona, który w roku 1896 stwierdził istnienie swobodnego elektronu, a więc elementarnego ładunku ujemnego.

Wcześniej istnienie elektronu przewidział G. J. Stoney.

Odkrycie to obaliło, obowiązującą wówczas teorię, iż atomu jest niepodzielny. Rozpoczęto badania nad budową wewnętrzną atomu.

W tym samym roku J. J. Thomsona zaproponował tzw. "ciastkowy" model budowy atomu. Według niego atom był dodatnio naładowaną kulką, w środku której znajdują się drobne elektrony. Teoria ta szybko została obalona.

W 1896 fr. H. A. Becquerel odkrył promieniotwórczość naturalną uranu.

Odkrycie to pozwoliło na wyjaśnienie doświadczenia Heinricha Geisslera nad promieniowaniem kanalikowym (katodowym). Skonstruował on tzw. "rurkę Geisslera"- szklaną rurkę z wtopionymi metalowymi elektrodami. Wytwarzając wewnątrz niej próżnię oraz łącząc elektrody z cewką indukcyjną wywoływał wysokie napięcie i mógł obserwować na katodzie zieloną poświatę. Niemiecki fizyk Euglen Goldstein, w roku 1976 uznał, iż ta poświata jest efektem promieniowania katodowego (uderzenia pochodzącego od katody).

W roku 1911 brytyjski fizyk Ernst Rutherford zaproponował nowy model budowy atomu.

Twierdził, że atom zajmuje bardzo dużo miejsca w stosunku, do małego jądra, które jest centralnie zlokalizowane, ciężkie i dodatnio naładowane. Natomiast wokół niego krążą elektrony obdarzone ujemnym ładunkiem.

Swoją teorię oparł na podstawie doświadczenia, w czasie którego bombardował cząstkami alfa złotą folię (cząstki alfa są niewielkie).Wyniki obserwował na ekranie, i tak: najwięcej cząstek przeszło przez folie, nie zmieniając kierunku; mała ich liczba uległa odchyleniu o pewien kąt; bardzo mała liczba cząstek odbiła się od foli pod kątem 180°. Tam, gdzie były zlokalizowane elektrony cząstki alfa przenikały bez problemów, gdy napotykały jądra, odbijały się od niego.

W roku 1913 Niels Bohr stworzył kwantowo-mechaniczny model budowy atomu.

Oparł on swoją teorię na starej teorii kwantów Maxa Plancka. Postulował:

- elektrony znajdują się w specyficznych stanach, zwanych stanami stacjonarnymi. W stanach takich elektrony nie pobierają , ani nie wysyłają energii

- w atomie możliwe są przejścia elektronów między stanami stacjonarnymi o różnej energii.

Przejściu elektronu ze stanu stacjonarnego o energii niższej do stanu stacjonarnego o energii wyższej towarzyszy pobranie kwantu (porcji) energii, zaś przejściu elektronu ze stanu stacjonarnego o energii wyższej do stanu stacjonarnego o energii niższej towarzyszy wysłanie kwantu energii równego różnicy obu stanów.

Niestety model Bohra jest poprawny tylko dla atomu wodoru.

Obecnie poprawną budowę atomu opisuje mechanika kwantowa, będąca działem fizyki.

Dzięki niej jesteśmy wstanie wyjaśnić strukturę atomów oraz cząsteczek.

Mechanika kwantowa posługuje się matematyką wyższą oraz innymi prawami fizyki, niż tymi obowiązującymi w makroświecie (udowodnił to m.in. niemiecki fizyk Werner Heisenberg w roku 1925 przedstawiając tzw. "zasadę nieoznaczoności").

Współczesną, dokładną teorię budowy atomu zawdzięczamy Schrodingerowi i jego równaniom funkcji falowych. Teorię tą dopełnili jedynie w roku 1925 G. E. Uhlenberg i S. Goudshmit odkrywając spin elektronowy.

Funkcje falowe opisują prawdopodobieństwo, z jakim w danym obszarze można znaleźć elektron. Są scharakteryzowane za pomocą 5 liczb kwantowych.

Symbol liczby kwantowej	Nazwa liczby kwantowej	Wartości, jakie może przyjmować	Maksymalna ilość tych wielkości	Znaczenie liczby kwantowej
n	Główna liczba kwantowa	1,2,3,4,5,6,7	7	Wyznacza powłokę elektronową, oznaczaną kolejno symbolami (począwszy od powłoki najbliższej jądru): K, L, M, N, O, P, Q
l	Orbitalna (poboczna) liczba kwantowa	0,1,2,…(n-1)	n	Wyznacza podpowłoki, oznaczane symbolami: s, p, d, f, g, h
ml	Magnetyczna orbitalna liczba kwantowa	-l ≤ m ≤ l	2 l + 1	Wyznacza ilość poziomów orbitalnych w podpowłoce
s	Spinowa liczba kwantowa		1	-
ms	Magnetyczna spinowa liczba kwantowa	,	2	-

Uwagi!:

Zgodnie z zakazem Pauliego:

W atomie nie mogą istnieć dwa elektrony opisane funkcjami falowymi o identycznej kombinacji 5 liczb kwantowych.

Zgodnie z regułą Hunda:

Na niezdegenerownych poziomach orbitalnych (na ostatniej podpowłoce) elektrony muszą posiadać ten sam kierunek spinu.

Na każdej powłoce znajduje się maksymalnie 2n² elektronów (a więc kolejno: 2, 8,18,32…)

Na każdej podpowłoce może znajdować się maksymalnie (na s: 2 elektrony; na p: 6; na d: 10; na f: 14…).

Dopełnieniem aktualnej wiedzy na temat budowy atomów było odkrycie anglika Jamesa Chadwicka w roku 1932 nowej cząstki elementarnej, jaką jest neutron. Stwierdził on istnienie neutronu na podstawie doświadczenia, podczas którego bombardował beryl cząstkami alfa. W wyniku eksperymentu powstały nowe cząstki o masie zbliżonej do masy protony, jednak elektrycznie obojętne. Tą nową cząstkę Chadwick nazwał neutronem.

Parę słów o atomie:

Atom reprezentuje właściwości chemiczne i fizyczne danego pierwiastka chemicznego.

Każdy atom jest opisany za pomocą dwóch liczb: liczby atomowej (Z) i liczby masowej (A).

Liczba masowa jest równa sumie protonów i neutronów znajdujących się w jądrze atomowym.

Liczba atomowa określa liczbę protonów oraz jednocześnie liczbę elektronów znajdujących się wokół jądra atomowego w atomie elektrycznie obojętnym.

Naturalnie atomy są elektrycznie obojętne- ładunek elektryczny jądra jest zrównoważony ujemnie naładowanymi elektronami.

Jeśli atom utraci część swoich elektronów, stanie się cząstką dodatnio naładowaną- nazwiemy go kationem.

Jeśli atom zyska elektrony , stanie się cząstką ujemnie naładowana - nazwiemy go anionem.

Protony i neutrony w jądrze związane są za pomocą sił jądrowych o charakterze przyciągającym, mocnym i o krótkim zasięgu.

Elektrony i protony oddziaływają między sobą, przyciągając się dzięki siłom elektrostatycznym.

Rozmiar całego atomu to ok. 10^-10m, natomiast wielkość jądra to ok. 10^-15m.

Cała masa atomu zlokalizowana jest w jądrze atomowym, ponieważ masa elektronu stanowi jedynie 1/1830 masy protonu i jest zaniedbywana (przyjmuje się ją równą zeru).

Istnieją atomy, które posiadają taką samą liczbę atomową, ale różnią się ilością neutronów- atomy takie nazywamy izotopami. Izotopy tego samego pierwiastka posiadają takie same właściwości chemiczne, ale różne właściwości fizyczne.

Obecnie znanych jest ok. 110 pierwiastków chemicznych, z czego 83 tworzą jądra stabilne (znamy 273 trwałe izotopy).

Większość atomów ma zdolność łączenia się w większe struktury tworząc cząsteczki, reprezentujące właściwości chemiczne i fizyczne związków chemicznych.

Istnieją cząsteczki pierwiastków, powstające przez połączenie dwóch takich samych atomów (np. H₂) oraz cząsteczki związków chemicznych, będące połączeniem różnych atomów (np. H₂O). Niektóre pierwiastki są tak reaktywne, że występują w przyrodzie jedynie w postaci związków chemicznych (np. Na). Inne potrafią tworzyć bardzo skomplikowane struktury złożone nawet z tysięcy atomów (np. białka).

Łączenie się atomów jest możliwe dzięki wytworzeniu wiązana chemicznego między atomami. Istnieją dwa podstawowe sposoby wytworzenia wiązanie chemicznego: wiązanie kowalencyjne i wiązanie jonowe.

Wiązanie kowalencyjne polega na uwspólnieniu pary elektronów pochodzących od dwóch atomów. Np. w cząsteczkach tlenu uwspólnine są dwie pary elektronowe ( po dwa elektrony pochodzące od każdego z atomów tlenu).

Wiązanie jonowe wiązanie jonowe polega na przekazaniu przez jeden atom elektronów walencyjnych (znajdujących się na ostatniej powłoce) lub ich części drogiemu atomowi. Dzięki temu wytwarza się pole elektryczne wokół tych atomów, wiążące je ze sobą.

Istniejące inne wiązania chemiczne są tylko kombinacją tych dwóch tzn. możemy określić procent wiązania jonowego i procent wiązania kowalencyjnego.

Do dziś naukowcy odkrywają nowe cząstki elementarne. Badania nad budową świata, dostarczają wielu emocji.

Jednak obecna wiedza pozwala na zrozumienie większości właściwości substancji.