Budowa atomu i przegląd cząstek elementarnych

Według teorii Daltona atom miał stanowić najmniejsza i niepodzielną część pierwiastka przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich jego własności fizycznych i chemicznych. Tymczasem wiele odkryć pozwoliło na weryfikację tego stwierdzenia i przyniosło dowody na to, że atom ma złożoną strukturę wewnętrzną. Najwcześniej zidentyfikowano elektrony znajdujące się na powłokach elektronowych wokół jąder atomowych. Okazało się, że elektron jest cząstka obdarzoną ładunkiem ujemnym , o masie prawie dwa tysiące razy mniejszej od masy atomu wodoru. Do odkrycia elektronu doszło niejako przez przypadek, podczas badań nad promieniami katodowymi. Promieniowanie katodowe emitowane było przez metalową katodę w środowisku próżni . Na podstawie odchylania się wiązki promieni katodowych w polu elektrycznym i magnetycznym wyciągnięto wniosek, że wiązka ta składa się z ujemnie naładowanych cząstek. Po tym odkryciu intensywniej zajęto się badaniem jakiego rodzaju są to cząstki. Doprowadziło to do wyznaczenia stosunku ładunku elektrycznego cząstki do jej masy . Dokonał tego w roku 1897 Thomson. Uczony ten powtarzał ten eksperyment wymieniając katody zbudowane z różnych materiałów. Okazało się, że stosunek ten nie zależy od materiału katody.

Dokładny ładunek elektronu został wyznaczony dopiero w roku 1913 przez Millikana. Od tej pory ładunek elektronu uważany jest za elementarny ładunek w przyrodzie. Wynosi on .

Do odkrycia we wnętrzu atomu jądra atomowego doprowadziły eksperymenty prowadzone przez Rutherforda. Miało to miejsce w roku 1911. Wtedy to uczony eksperymentował z bombardowaniem cząstkami alfa folii wykonanej ze złota. Zauważył, że większość cząstek swobodnie przechodzi przez te folie. Niemniej jednak zdarzają się cząstki , które ulegają odchyleniu pod dużymi kątami. Może się tak zdarzyć tylko wtedy, gdy cząstka natrafi na obiekt o masie porównywalnej lub większej od jej własnej. Ponieważ jednak tych cząstek odbitych było mało można było wnioskować , że ta masa skupiona jest na małej objętości.

Natomiast na podstawie faktu, że obiekty te odbijają ładunki dodatnie można było wyciągnąć wniosek, że same również naładowane są dodatnio.

Dzięki tym obserwacjom Rutherford sformułował obowiązującą do dnia dzisiejszego koncepcje budowy atomu. Mianowicie centralna część atomu stanowi dodatnio naładowane jądro, które skupia prawie całą jego masę. Natomiast dookoła jądra na orbitach krążą elektrony czyli ujemnie naładowane cząstki o małych masach.

Elektrony utrzymywane są na orbitach na skutek oddziaływań elektrostatycznych.

Rozmiary atomu to około metra, natomiast promień jądra średnio wynosi metra. Dla porównania promień elektronu to rozmiary rzędu metra.

Ładunek ujemny elektronów zobojętnia dodatnio naładowane jądro i na skutek tego cały atom jest elektrycznie obojętny. Wobec tego skoro ładunki elektronu i protonu są równe co do wartości wobec tego ich liczba także musi być równa. Liczba określająca ilość protonów w jądrze to liczba atomowa. Została ona oznaczona symbolem Z. Decyduje ona również o liczbie elektronów w atomie i stanowi o jego własnościach chemicznych. Innymi słowy wyróżnia dany pierwiastek z całej grupy pierwiastków. Najmniejszą liczbę atomową ma wodór. Wynosi ona jeden.

Liczbę atomową próbował oszacować już Rutherford. Mianowicie zauważył on, że ilość cząstek alfa , które ulegają rozproszeniu pod określonym kątem jest proporcjonalna do liczby atomowej pierwiastka budującego folię , podniesionej do drugiej potęgi.

Znacznie bardziej dokładną metodę wyznaczania liczb atomowych podał kilka lat później Moseley. Mianowicie stwierdził on, że poszczególne pierwiastki emitują promieniowanie, którego częstość jest uzależniona od liczb atomowych. Wyprowadził nawet odpowiedni wzór, którym nadal można się posługiwać.

Należy wprowadzić również pojęcie liczby masowej. Określa ona liczbę nukleonów w jądrze danego pierwiastka . Pod nazwa nukleony kryją się protony i neutrony. Proton to inaczej jądro najlżejszego izotopu wodoru . Posiada on ładunek dodatni i masę równą 1.0072764 u. Natomiast neutrony są elektrycznie obojętne, a ich masa jest nieznacznie większa od masy protonu i wynosi: 1.008665 u.

Atomy tego samego pierwiastka, które różnią się liczbą neutronów w jądrze nazywa się izotopami. Natomiast pierwiastki różniące się liczbą atomową , ale jąder takiej samej liczbie masowej noszą nazwę izobarów.

Większość jąder charakteryzuje się dużą trwałością . Tłumaczy się to występowaniem w jądrze sił znacznie silniejszych od elektrostatycznego odpychania dodatnich ładunków. Siły takie nazywa się siłami jądrowymi. Są to siły krótkiego zasięgu. Miarą energii wiązania nukleonów w jądrze jest tzw. defekt masy. Jest to różnica między suma mas poszczególnych składników jądra a masą całego jądra, która jest mniejsza. Ta masa wydzieliła się w postaci energii w trakcie syntezy jądra. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon wynosi od 1.5 do 8.8 MeV. Jądra około 60 % pierwiastków składają się z parzystej liczby protonów i neutronów. Takie pierwiastki są trwałe i to one są głównymi składnikami materii. Znacznie mniej jest jąder parzysto - nieparzystych i są one zarazem mniej trwałe. Natomiast najmniejsza jest liczba jąder zawierających nieparzystą liczbę neutronów i nieparzystą liczbę protonów. Są one przeważnie nietrwałe.

Budowę jąder atomowych opisuje kilka modeli. Jeden z nich to tzw. powłokowy model jądra.

Model powłokowy jądra stanowi analogię do modelu powłokowego elektronów w atomach. Stwierdza on istnienie tzw. magicznych liczb charakteryzujących jądra. Mianowicie, jeśli jądra mają 2,8,20,50,82,100 nukleonów jednego rodzaju to charakteryzują się dużą trwałością i maja wiele trwałych izotopów. Model powłokowy tłumaczy, iż wtedy maja one całkowicie "zapełnione" powłoki protonowe, neutronowe lub obie, podobnie jak zapełnione powłoki walencyjne warunkują bierność chemiczną. Energia nukleonów w jądrach zależy przede wszystkim od głównej jądrowej liczby kwantowej N. Nukleony analogicznie do elektronów, które podczas przechodzenia miedzy orbitalami mogą absorbować lub emitować promieniowanie, mogą na skutek zderzeń wypromieniowywać część energii.

Model powłokowy dobrze sprawdza się do opisu jąder w stanie podstawowym. Jest to zatem model statyczny.

Szacuje się, ze rozmiary orbit nukleinowych są około 10razy mniejsze od rozmiarów powłok elektronowych.

Innym modelem jest model kroplowy. Model kroplowy traktuje jądro jako kroplę cieczy, a nukleony jako jej molekuły. Według tego modelu jądro zawdzięcza swój sferyczny kształt swoistemu napięciu powierzchniowemu. I dzięki temu przy minimalnej objętości osiąga maksymalne upakowanie cząstek. Model kroplowy jest modelem dynamicznym i dobrze nadaje się do opisu jąder w stanie wzbudzonym.

Jest to dobry model do opisu jąder ciężkich i zjawisk w nich zachodzących (np. rozszczepienie).

Na koniec rozważań warto jeszcze przypomnieć sobie jak wyrażana jest masa atomowa. Mianowicie podstawową jednostką jest tzw. jednostka masy atomowej. Jest to 1/12 masy atomu węgla C12. Oznacza się ją symbolem u.

Natomiast ilość substancji , która zawiera taką liczbę cząsteczek, atomów , jonów ile atomów zawiera 12 gramów węgla C12 nosi nawę mola. Tak ilość węgla zawiera 6.02atomów. Jest to tzw. liczba Avogadra.