Atomul - SCURT ISTORIC AL TEORIEI ATOMICE SI DESCOPERIREA STRUCTURII ATOMICE

Atomul

Atomul este cea mai mica particula ce caracterizeaza un element chimic. Acesta consta intr-un nor de electroni care inconjoara un nucleu atomic dens. Nucleul contine sarcini electrice incarcate pozitiv(protoni) si sarcini electrice neutre(neutroni), fiind inconjurat de norul electronic incarcat negativ. Cand numarul electronilor si al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; daca acest lucru nu se intampla, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcina pozitiva sau negativa. Atomul este clasificat dupa numarul de protoni si neutroni: numarul protonilor determina numarul atomic(Z) si neutronii izotopii acelui element.

Atomul la inceputuri

Notiunea de atom apare pentru prima data catre anul 450 i.e.n. Filozoful grec Leucip dezvolta teoria conform careia materia nu este infinit divizibila si introduce notiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Cativa ani mai tarziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, defineste materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile si eterne: atomul. Aceasta noua conceptie nu a fost rezultatul unor observatii sau experiente, ci mai degraba al unor intuitii. Teoria a fost dezvoltata ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Lucretiu. Au trecut insa 2000 de ani pana cand teoria atomica a fost formulata stiintific.

In anul 1803, fizicianul si chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomica proprie care explica Legea proportiilor multiple, afirmand ca din moment ce substantele se combina numai in proportii integrale, atomii trebuie sa existe la baza materiei.

Scurt istoric al teoriei atomice si descoperirea structurii atomice

Meditatiile filozofice atomiste dateaza inca de pe vremea vechilor ganditori greci si indieni ai secolelor al VI-lea si al V-lea i.d.Ch. Prima formulare filozofica a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltata de Democrit in Grecia secolului al VI-lea i.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, pana la reaprinderea interesului stiintific din epoca Renasterii.

In secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut sa cunoasca de ce se sparg substantele in constituenti proportionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, si vice-versa. In ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit si tub Crookes) si a fost primul care a observat particule incarcate negativ intr-un astfel de tub. Aproape de trecerea catre secolul al XX-lea, J.J. Thomson, in urma cercetarilor sale privind razele catodice, a descoperit ca atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind partial compusi din particule foarte usoare incarcate negativ (dovedite a avea proprietati identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai tarziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, in care electronii sunt inclusi intr-o bila cu sarcina pozitiva precum "stafidele intr-un cozonac".

In 1911, Ernest Rutherford a descoperit ca electronii orbiteaza un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit ca hidrogenul poseda cel mai usor nucleu, pe care l-a numit proton (in limba greaca, προτου inseamna "primul"). Pentru a explica de ce electronii "nu cad, in spirala, pe nucleu", Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului in care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot sa parcurga decat orbite circulare fixate.

Dupa descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbita circulara a fost inlocuit cu cel de "nor", in interiorul caruia distributia electronilor a fost descrisa prin ecuatii probabilistice. In sfarsit, dupa descoperirea in anul 1932 a neutronului, particula neutra din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decat hidrogenul s-au gasit a fi formate din protoni si neutroni, aceste ultime rezultate completand conceptia moderna despre structura atomica. Protonul si neutronul se mai numesc si nucleoni.

Modele atomice

Modelul sferic al atomului

Dupa acest model atomii au forma sferica, sunt complet elastici si atomii apartinand aceluiasi element chimic au aceeasi masa si aceeasi forma.

Modelul atomic Thomson

Dezvoltat de J.J. Thomson (1856-1940) in anul 1904 si care spune ca: atomul este o masa incarcata pozitiv si distribuita omogen sub o forma de sfera si ca in aceasta masa exista in unele locuri niste sfere mai mici, care sunt incarcate negativ (aceste sfere mai mici au fost numite electroni). O proprietate de baza a acestui atom este ca numarul sarcinilor negative este egal cu numarul masei pozitive, rezultand un atom neutru din punct de vedere electric.

Modelul atomic Rutherford

Acest model a aparut in 1911 si a fost dedus de Rutherford (1871-1937) dupa experientele lui: Hertz, Lenard, Geiger. Noul model atomic are urmatoarele proprietati:

aproape toata masa lui este concentrata in nucleu, care este incarcat pozitiv.

nucleul este inconjurat de un invelis de electroni, care sunt incarcati negativ.

electronii sunt mentinuti de nucleu prin forte electrostatice.

electronii au o miscare circulara, care ii impiedica sa cada pe nucleu.

sarcina invelisului electronic se anuleaza cu sarcina nucleului, rezultand un atom neutru din punct de vedere electric.

Conceput conform legilor mecanicii clasice, atomul lui Rutherford nu putea sa explice de ce electronii nu cad pe nucleu, stiindu-se ca orice sarcina electrica in miscare pierde continuu din energia sa prin radiatie electromagnetica.

Prin analogie cu Sistemul solar, nucleul este asemanat Soarelui, iar electronii planetelor ce orbiteaza in jurul acestuia, de unde si numele de model atomic planetar pe care il mai poarta acest model.

Analogia cu planetele nu este valabila, deoarece atat nucleul cat si electronul au sarcina electrica si, conform teoriei electrodinamicii clasice, orice sarcina electrica in miscare pierde energie sub forma de radiatii. Astfel electronii, pierzand continuu energie, ar trebui sa capete o traiectorie in spirala si ar ajunge sa cada pe nucleu.

Modelul atomic Bohr

In anul 1913 apare modelul atomic al lui Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Rutherford si ii aplica teoria cuantelor. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adica ionii care au un singur electron in campul de sarcina efectiva al nucleului)

Modelul atomic al lui Bohr se bazeaza pe doua postulate:

1) Primul postulat se refera la orbitele atomice si presupune ca electronul se roteste in jurul nucleului fara a emite sau a absorbi energie radianta numai pe anumite orbite circulare, permise, stationare. Electronul se mentine pe orbita datorita compensarii fortei centrifuge cu forta de atractie Coulombiana.

2) Al doilea postulat emis de Bohr se refera la faptul ca, in miscarea sa pe orbita permisa, electronul nu emite si nici nu absoarbe energie radianta intr-un spectru continuu de frecventa, ci numai discontinuu, corespunzand unor tranzitii electronice, care duc in final la liniile spectrale.

Acest model nu poate explica spectrele de emisie si energia de ionizare decat pentru atomul de hidrogen si ionii hidrogenoizi.

Modelul atomic Bohr-Sommerfeld

In anul 1915, fizicianul german Arnold Sommerfeld a dezvoltat modelul atomic al lui Bohr, elaborand modelul Bohr-Sommerfeld. El a presupus ca orbitele stationare din jurul nucleului nu sunt numai circulare, ci pot fi si eliptice. In modelul sau, unei orbite circulare cu numar cuantic principal (Vezi numere cuantice) n ii corespund n-1 orbite stationare eliptice. In consecinta, fiecare orbita circulara a lui Bohr se descompune in n-1 elipse cu excentritati diferite, rezultand o familie de orbite pentru fiecare numar cuantic principal n>1.

Desi perfectionat fata de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld isi limiteaza aplicabilitatea la hidrogen si ionii hidrogenoizi, nepermitand interpretarea spectrelor atomilor cu mai multi electroni, sau comportarea lor magnetica. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic (starile de energie stationare sunt calculate cu relatii clasice, numerele cuantice si conditiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).

Modelul ondulatoriu stationar al atomului

In anul 1926, Schrdinger elaboreaza prima lucrare de mecanica ondulatorie, in care apare Ecuatia lui Schrdinger, prin care arata: caracterul ondulatoriu al miscarii electronului in atom, descris de o functie de unda, arata in termenii mecanicii cuantice ca energia totala a unei particule (electronul) cu o anumita masa, care se misca in spatiu, este suma dintre energia cinetica si energia potentiala; ecuatia are solutii numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezinta energiile electronului in starile stationare, stari caracterizate de numerele cuantice, energia in atom fiind cuantificata.

Structura atomului

In chimie si fizica, atomul (in limba greaca ατομος inseamna "indivizibil") este cea mai mica particula posibila care inca mai pastreaza proprietatile chimice ale unui element (chimic). Daca, initial, cuvantul atom insemna cea mai mica particula indivizibila, mai tarziu, dupa ce termenul a capatat o semnificatie precisa in stiinta, atomii au fost gasiti a fi divizibili si compusi din particule si mai mici, subatomice.

Cei mai multi atomi sunt compusi din trei tipuri de particule subatomice care guverneaza proprietatile lor externe:

electronii, care au o sarcina electrica negativa si sunt cele mai putin masive particule subatomice;

protonii, care au o sarcina electrica pozitiva si sunt de aproape 1836 ori mai masive decat electronii;

neutronii, care nu au sarcina electrica si care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decat electronii.

Protonii si neutronii creeaza un nucleu atomic dens si masiv, ei fiind numiti si nucleoni. Electronii formeaza un larg nor electronic ce inconjoara nucleul.

Particule subatomice

Inainte de 1961, se acceptau ca particulele subatomice doar electronii, protonii si neutronii. Azi se cunoaste ca protonii si neutronii insisi sunt constituiti din particule si mai mici numite quarkuri. In plus, electronul are un partener neutru din punct de vedere electric, aproape fara masa, numit neutrino. Electronul si neutrino sunt ambii leptoni. Prin urmare, atomii sunt compusi numai din quarkuri si leptoni. Protonul este format din doua quarkuri "up" si un quark "down", iar neutronul este format din doua quarkuri "down" si un quark "up". Desi nu apar in substanta ordinara, alte doua generatii mai grele de quarkuri si leptoni pot fi generate in ciocnirile de inalta energie.

O importanta deosebita pentru atom o prezinta bosonii, adica particulele de transport al fortelor de interactiune. Astfel, electronii sunt legati de nucleu prin intermediul fotonilor ce transporta forta electromagnetica. Protonii si neutronii sunt mentinuti impreuna in nucleu prin intermediul gluonilor ce transporta forta nucleara.

Proprietatile nucleonilor

Nucleele atomice pot suferi transformari care afecteaza numarul de protoni si neutroni pe care ii contin, proces numit dezintegrare radioactiva. Daca transformarile nucleelor au loc spontan, procesul se numeste radioactivitate. Transformarile radioactive au loc intr-un numar mare de moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de heliu) si dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrarile ce implica electroni sau pozitroni sunt datorate interactiunilor nucleare slabe.

In plus, ca si electronii din atom, si nucleonii din nucleu pot fi adusi intr-o stare excitata de inalta energie. Totusi, aceasta tranzitie cere de sute de ori mai multa energie decat excitatia electronilor. La revenirea in starea fundamentala, nucleul emite un foton de energie foarte inalta, numit si radiatie gamma.

Transformarile nucleare au loc de asemenea si in cadrul reactiilor nucleare. In fuziunea nucleara, doua nuclee usoare se unesc intr-un singur nucleu mai greu. In fisiunea nucleara, un nucleu greu se divide in doua sau mai multe nuclee.

Atomii pot sa difere prin numarul fiecarui tip de particule subatomice pe care ei le contin. Atomii aceluiasi element au acelasi numar de protoni (numit si numar atomic). Pentru unul si acelasi element, numarul de neutroni poate sa varieze determinand izotopii acelui element. Numarul de electroni asociati cu un atom este foarte usor modificat, din cauza energiei de legatura a electronilor foarte scazuta. Numarul de protoni (si neutroni) in nucleul atomic poate fi modificat prin intermediul fuziunii nucleare, a fisiunii nucleare sau a dezintegrarii radioactive, cazuri in care atomul nu mai ramane elementul care era la inceput.

Atomii sunt electric neutri daca au acelasi numar de protoni si electroni. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferati unui atom din apropiere sau pot fi folositi in comun de doi sau mai multi atomi. Prin intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legati in molecule si alte tipuri de compusi chimici cum ar fi retelele cristaline ionice si covalente.

Atomii sunt "caramizile" fundamentale ale chimiei si ei se conserva in reactiile chimice.

Configuratia electronica

Comportarea chimica a atomilor este datorata interactiunilor dintre electroni. Electronii unui atom raman in interiorul unor configuratii electronice fixate, predictibile. Aceste configuratii sunt determinate de mecanica (cinematica) cuantica a electronilor in potentialul electric al atomului; numarul cuantic principal determina invelisuri electronice particulare cu nivele distincte de energie. In general, cu cat este mai inalt nivelul de energie, cu atat este electronul mai indepartat de nucleu. Electronii de pe cel mai indepartat invelis, numiti si electroni de valenta, au cea mai puternica influenta in comportarea chimica a atomului. Electronii de pe invelisurile interioare, (deci nu cei de valenta) joaca si ei un rol cu efecte secundare datorate ecranarii sarcinii pozitive din nucleul atomic.

Un invelis electronic poate avea pana la 2n2 electroni, unde n este numarul cuantic principal al invelisului. Invelisul ocupat cu cel mai mare n este invelisul de valenta, chiar daca acesta ar avea un singur electron. In cea mai stabila stare, de baza, electronii unui atom vor umple invelisurile acestuia in ordinea crescatoare a energiei. In unele circumstante, un electron poate fi excitat pe un nivel de energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o sursa externa si sare pe un invelis mai inalt) lasand un loc "gol" in invelisul energetic inferior. Electronii unui atom excitat vor cadea in mod spontan pe nivelul inferior, emitand energia excedenta sub forma de fotoni, pana la revenirea la starea de baza

Pe langa numarul cuantic principal n, unui electron i se mai asociaza inca trei numere cuantice: numarul cuantic secundar l (numar cuantic azimutal, ce descrie momentul unghiular orbital), numarul cuantic magnetic m (ce descrie directia vectorului moment unghiular) si numarul cuantic de spin s (ce descrie directia momentului unghiular intrinsec al electronului). Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l si m au invelisuri distincte, evidentiate prin notatia spectroscopica (configuratii s, p, d si f). In cei mai multi atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate exact ci separate printr-o structura fina. Orbitalii cu numere m diferite sunt degenerate dar pot fi separate doar aplicand un camp magnetic, ceea ce se numeste efect Zeeman. Electronii cu numere s diferite prezinta diferente energetice foarte slabe, caracterizand asa-numita structura (despicare) hiperfina.

Atomii si moleculele

Pentru gaze si unele lichide si solide moleculare (cum ar fi apa si zaharul), moleculele sunt cele mai mici diviziuni de substanta care inca mai pastreaza proprietatile chimice; totusi, exista multe solide si lichide care sunt compuse,de asemenea, din atomi, dar nu contin molecule discrete (cum ar fi sarurile, rocile precum si metalele solide si lichide). Astfel, desi moleculele sunt comune pe Pamant (intrand in formarea atmosferei si a oceanelor), cea mai mare parte a Pamantului (cea mai mare parte a crustei, intreaga manta si tot miezul) nu este formata din molecule identificabile, ci, mai degraba, reprezinta substanta atomica dispusa in alte tipuri de aranjamente particulare de ordin microscopic.

Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula de apa este formata din doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. Termenul "molecula" a fost utilizat initial ca un sinonim pentru "molecula fundamentala" de gaz, indiferent de structura acestuia. Aceasta definitie corespunde doar pentru cateva tipuri de gaze (de exemplu, elementele chimice inerte care nu formeaza compusi, cum ar fi heliu), avand "molecule" formate dintr-un singur atom.

Dimensiunea atomului, viteze

Atomii sunt mult mai mici decat lungimea de unda a luminii pe care o poate detecta vazul uman, fapt pentru care atomii nu pot fi vazuti cu nici un fel de microscop optic. Cu toate acestea, exista alte cai de detectare a pozitiilor atomilor pe suprafata unui solid sau a unui film subtire si chiar pentru a obtine imagini ale acestora. Este vorba despre: microscoapele electronice (microscopia cu efect de tunel), microscopia atomica (atomic force microscopy), rezonanta magnetica nucleara si microscopia cu raze X.

Deoarece norul de electroni nu are o forma precisa, dimensiunea unui atom nu este usor de definit. Pentru atomii care formeaza retele cristaline solide, distanta dintre centrele a doi atomi adiacenti poate fi usor determinata prin difractie cu raze X, gasindu-se o estimare a dimensiunii atomului. Pentru orice atom, se poate folosi raza la care se pot gasi cel mai des electronii de pe stratul de valenta. De exemplu, dimensiunea atomului de hidrogen este estimata ca fiind de aproximativ 1,0610-10 m (de doua ori raza Bohr). Comparand aceasta valoare cu dimensiunea protonului (unica particula din nucleul atomului de hidrogen), care este aproximativ 10-15 m, raportul dintre dimensiunea atomului de hidrogen si cea a nucleului sau este de 100.000:1. Daca un atom ar avea dimensiunea unui stadion de fotbal, atunci nucleul sau ar trebui sa fie de dimensiunea unei margele de sticla. Aproape toata masa unui atom se gaseste in nucleu si aproape tot spatiul din atom este ocupat de electronii sai.

Atomii diferitelor elemente variaza in dimensiune, dar dimensiunea (volumul) nu este proportionala cu masa atomului. Atomii grei au tendinta generala de a fi mai densi. Diametrele atomilor sunt aproximativ aceleasi pana la un factor mai mic de trei in cazul atomilor grei, dar cel mai notabil efect al masei asupra dimensiunii este urmatorul: dimensiunea atomica descreste cu cresterea masei pentru fiecare linie din tabelul periodic. Ratiunea acestor efecte este aceea ca elementele grele au sarcina pozitiva mare in nucleu, care atrage puternic electronii catre centrul atomului. Aceasta forta de atractie contracteaza dimensiunea invelisului electronic, astfel incat un numar mai mare de electroni se pot afla intr-un volum mai mic. Acest efect poate fi remarcabil: de exemplu, atomii elementului mai dens iridiu (masa atomica 192) au aproximativ aceeasi dimensiune ca atomii de aluminiu (masa atomica 27), fapt ce contribuie la stabilirea raportului densitatilor (mai mare de 8) dintre aceste metale.

Temperatura unei colectii de atomi este o masura a energiei medii de miscare (energie cinetica) a acestor atomi, deasupra energiei minime a punctului de zero ceruta de mecanica cuantica; la 0 K (zero absolut) atomii ar trebui sa nu aiba extra-energie peste acest minim. Daca temperatura sistemului creste, energia cinetica a particulelor din sistem creste, deci si viteza de miscare creste. La temperatura camerei, atomii ce formeaza gazele din aer se misca cu o viteza medie de 500 m/s (aproximativ 1800 km/h).

Elemente, izotopi si ioni

Atomii cu acelasi numar atomic Z contribuie la o varietate larga de proprietati fizice si manifesta proprietati chimice aproape identice (un exemplu de exceptie de la acest principiu il constituie deuteriul si apa grea). Atomii sunt clasificati in elemente chimice prin numarul lor atomic Z, care corespunde numarului de protoni din nucleul atomic. De exemplu, toti atomii ce contin sase protoni (Z = 6) sunt clasificati drept carbon. Elementele pot fi sortate, conform tabelului periodic, in ordinea crescatoare a numarului atomic. Aceasta metoda pune in evidenta cicluri repetitive regulate in proprietatile chimice si fizice ale respectivelor elemente.

Numarul de masa A, sau numarul nucleonic al unui element este numarul total de protoni si neutroni din atomul acelui element, denumit asa deoarece fiecare proton si neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = unitate atomica de masa). O colectie particulara de Z protoni si A - Z neutroni se numeste nuclid.

Fiecare element poate sa aiba numerosi nuclizi diferiti, cu acelasi Z, dar cu un numar variabil de neutroni. Membrii unei astfel de familii de nuclizi se numesc izotopii elementului (izotop = acelasi loc, deoarece nuclizi au acelasi simbol chimic si ocupa acelasi loc in tabelul periodic). Cand se scrie numele unui nuclid particular, numele elementului (care specifica Z) este precedat de numarul de masa daca este scris ca indice superior, sau este urmat de numarul de masa daca nu este indiciat superior. De exemplu, nuclidul carbon-14, care poate sa fi scris si 14C, este unul dintre izotopii carbonului si contine 6 protoni si 8 neutroni in fiecare atom (numar de masa 14 = 6 + 8).

Cel mai simplu atom, protium, izotop al hidrogenului, are numarul atomic 1 si numarul de masa 1; el consta dintr-un proton si un electron. Izotopul hidrogenului care contine si un neutron se numeste deuteriu sau hidrogen-2; izotopul hidrogenului cu doi neutroni se numeste tritiu sau hidrogen-3. Tritiul este un izotop instabil care se dezintegreaza prin procesul numit radioactivitate. Multi izotopi ai fiecarui element sunt radioactivi; numarul izotopilor stabili variaza puternic de la un element la altul (de exemplu, staniul are 10 izotopi stabili). Plumbul (Z = 82) este ultimul element care are izotopi stabili. Elementele cu numar atomic 83 (bismut) si mai mare nu au izotopi stabili si sunt toti radioactivi.

Virtual, toate elementele mai grele decat hidrogenul si heliul au fost create prin fenomenul de nucleosinteza din stele si supernove. Sistemul nostru solar s-a format din nori de elemente provenite de la multe astfel de supernove, acum 4,6 miliarde de ani. Cele mai multe elemente mai usoare decat uraniu (Z = 92) au, fiecare, izotopi stabili sau cel putin radioizotopi cu viata suficient de lunga ca sa poata fi intalniti in mod natural pe Pamant. Doua exceptii notabile de elemente usoare dar radioactive cu viata scurta sunt technetiu, Z = 43 si prometiu, Z = 61, care se gasesc in mod natural numai in stele. Alte cateva elemente grele cu viata scurta care nu apar pe Pamant au fost de asemenea gasite in stele. Elementele care nu se gasesc in mod normal pe Pamant au fost create artificial prin bombardament nuclear; pana in anul 2006 s-a ajuns la elementul cu numar atomic 116 numit, temporar, "ununhexium". Aceste elemente ultragrele sunt foarte instabile si se dezintegreaza rapid.

Atomii care au pierdut sau castigat electroni se numesc ioni. Ionii se impart in cationi cu sarcina electrica pozitiva (+), si anioni cu sarcina electrica negativa (-).