Notiuni de structura a atomului

Notiuni de structura a atomului. Atomul este cea mai mica particula ce caracterizeaza un element chimic, respectiv este cea mai mica particula dintr-o substanța care prin procedee chimice obișnuite nu poate fi fragmentata in alte particule mai simple. Acesta consta intr-un nor de electroni care inconjoara un nucleu atomic dens.

Termenul de atom apare pentru prima data catre anul 450 i.e.n. Filozoful grec Leucip dezvolta teoria conform careia materia nu este infinit divizibila și introduce noțiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Cațiva ani mai tarziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, definește materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile și eterne: atomul. Aceasta noua concepție nu a fost rezultatul unor observații sau experiențe, ci mai degraba al unor intuiții. Teoria a fost dezvoltata ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Lucrețiu. Au trecut insa 2000 de ani pana cand teoria atomica a fost formulata științific.

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

Atomi sunt reprezentati prin modele atomice.

Primul model a fost descoperit de John Dalton la inceputul secolului al XIX-lea pentru a explica legile fundamentale de combinare a substantelor, dorind sa cunoasca de ce se sparg substanțele in constituenți proporționali. Dupa Dalton, toate corpurile sunt formate din particule foarte mici numite atomi, legati intre ei prin forte de atractie. El considera insa ca atomii au o structura sferica omogena, sunt indivizibili si cu neputinta de distrus. Atomii unui corp simplu sunt identici intre ei, avand aceeasi marime, greutate, culoare etc.

In ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice și a fost primul care a observat particule incarcate negativ intr-un astfel de tub.

Al doilea model atomic a fost descoperit de J.J. Thomson in anul 1904, care in urma cercetarilor sale privind razele catodice, a descoperit ca atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parțial compuși din particule foarte ușoare incarcate negativ (dovedite a avea proprietați identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai tarziu electroni. Modelul elaborat de J.J. Thomson explica in mod static asezarea electronilor in atom. Dupa acest model, atomul are forma unei sfere in care sarcinile electrice pozitive repartizate uniform sunt neutralizate de un numar egal de sarcini electrice negative (electroni) asezati dupa varfurile unor forme geometrice regulate. Acest model static a cedat curand locul unor modele dinamice.

Modelul atomic al lui Ernest Rutherford a aparut in 1911, fiind dedus de acesta dupa experientele lui Hertz, Lenard, Geiger. Noul model atomic are urmatoarele proprietați: aproape toata masa lui este concentrata in nucleu, care este incarcat pozitiv; nucleul este inconjurat de un inveliș de electroni, care sunt incarcați negative; electronii sunt menținuti de nucleu prin forțe electrostatic; electronii au o mișcare circulara, care ii impiedica sa cada pe nucleu; sarcina invelișului electronic se anuleaza cu sarcina nucleului, rezultand un atom neutru din punct de vedere electric. Tot Rutherford a descoperit ca hidrogenul poseda cel mai ușor nucleu, pe care l-a numit proton. 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.

In anul 1913 apare modelul atomic al lui Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Rutherford și ii aplica teoria cuantelor. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi.

Modelul atomic al lui Bohr se bazeaza pe doua postulate: primul postulat se refera la orbitele atomice și presupune ca electronul se rotește in jurul nucleului fara a emite sau a absorbi energie radiantanumai pe anumite orbite circulare, permise, staționare. Electronul se menține pe orbita datorita compensarii forței centrifuge cu forța de atracție Coulombiana. Al doilea postulat emis de Bohr se refera la faptul ca, in mișcarea sa pe orbita permisa, electronul nu emite și nici nu absoarbe energie radianta intr-un spectru continuu de frecvența, ci numai discontinuu, corespunzand unor tranziții electronice, care duc in final la liniile spectrale. Acest model nu poate explica spectrele de emisie și energia de ionizare decat pentru atomul de hidrogen și ionii hidrogenoizi.

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

Deși perfecționat fața de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld iși limiteaza aplicabilitatea la hidrogen și ionii hidrogenoizi, nepermițand interpretarea spectrelor atomilor cu mai mulți electroni, sau comportarea lor magnetica. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic.

In anul 1926, Schrödinger elaboreaza prima lucrare de mecanica ondulatorie, in care apare ecuația lui Schrödinger, prin care arata: caracterul ondulatoriu al mișcarii electronului in atom, descris de o funcție de unda, arata in termenii mecanicii cuantice ca energia totala a unei particule (electronul) cu o anumita masa, care se mișca in spațiu, este suma dintre energia cinetica și energia potențiala; ecuația are soluții numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezinta energiile electronului in starile staționare, stari caracterizate de numerele cuantice, energia in atom fiind cuantificata.

Particule elementare sunt cele mai mici caramizi ale materiei au atat proprietati de corpuscul, cat si de unda. In anumite conditii propii, dintr-o particula sau din mai multe particule pot aparea altele. La cele mai multe particule elementare transformarile au loc spontan (bozoni – foton; leptoni – electron; nucleoni – proton si neutron).

Proton. Particula cu masa (relativa =1) si cu sarcina electrica pozitiva din nucleul atomic.Numarul protonilor este caracteristic pentru toti atomii unui element .El reprezinta numarul de sarcini nucleare Z (numarul de sarcini electrice pozitive ).Numarul de protoni stabileste pozitia elementului in sistemul periodic .

Nr. Protoni = Nr. de sarcini nucleare =Nr. de ordine

Neutron. Particula cu masa (relativa =1) neutra din punct de vedere electric din nucleul atomic .Numarul neutronilor , N , ai unui atom  poate fi diferit pentru nucleele atomice ale aceluiasi element.Asa se formeaza izotopii.

Izotopi:Specii de atomi ai aceluias element chimic , care au acelas numar de protoni (acelas numar atomic, A, ), dar numar diferit de neutroni (numar de masa , Z, diferit ). Din punct de vedere chimic se comporta la fel.

Electron. Particula cu masa (relativa=1/1823;)si sarcina electrica negativa .Electroni atomilor se afla in spatiul din jurul nucleului atomic si se misca cu viteza foarte mare.Numarul electronilor din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor din nucleului atomic .Pentru un atom este valabil:

Nr. protonilor = Nr. sarcinilor nucleare = Nr. electronilor = Nr. de ordine

Nucleu atomic este parte a atomului care se afla in centrul atomului si este incarcata pozitiv din punct de vedere electric, reuneste aproape intreaga masa a atomului este format din nucleoni (protoni si neutroni ). Suma dintre numarul protonilor , Z si numarul neutronilor, N, reprezinta numarul nucleonilor. Ea corespunde numarului de masa, A, al atomului

Nr. protonilor + Nr. neutronilor = Nr. nucleonilor = Numarul de masa

Nuclid esre specie atomica a unui element chimic cu nu anumit numar de protoni si de neutroni. Nuclizi se marcheaza prin simbolul elementului si prin numarul de masa A (numarul nucleonilor): A simbolul elementului. Poate fi indicat suplimentar si numarul de ordine Z (numarul de protoni): simbolul elementului.

Transformari nucleare au loc spontan sau sunt provocate sub influenta unor efecte exterioare in nucleele atomice, sunt legate , de cele mai multe ori ,de transformarea unui element in altul.

Radioactivitatea este transformarea nucleara spontana a radionuclizilor cu emisie de diferite radiatii. Radionuclid: specie atomica radioactiva.

Invelisul electronic este spatiul din jurul nucleului atomic , in care se gasesc electroni atomului respectiv.

Stratul electronic (nivel energetic) este fornat din electronii din invelisul electronic cu aproximativ aceeasi energie sunt ordonati pe un anumit nivel energetic. Acesta stare energetica a electronilor se numeste si strat electronic.

Sraturile eletronice (nivelurile energetice) sunt numerotate in ordinea crescatoare a energiei , numarului stratului fiind egal cu numarul cuantic principal, n .Straturile electronice pot fi notate, d asemenea, cu literele K, L, M, N, O, P, Q. Fiecarui nivel energetic ii poate fi atribuit numai un anumit numar maxim de electroni : Z=2×(n×n).

Nivelurile energetice (straturile electronice) se subimpart pe baza diferentierii fine a energiei electronilor in subniveluri ( substraturi ). Unui nivel energetic cu numarul cuantic princupal n ii apartin n niveluri.Fiecare subnivel corespunde unui numar cuantic secundar l .Subnivelurile se noteaza cu literele s(l=o), p(l=1), d(l=2), f(l=3). (eng: Sharp, Principal, Diffus, Fundamental) Fiecarui subnivel ii poate fi atribuit numai un anumit numar maxim de electroni Z: Z = 4l + 2.

Nivelurile energetice pot fi reprezentate sub forma schemei nivelurilor energetice. Schema nivelurilor energetice este valabila pentru invelisurile electronice ale atomilor in stare fundamentala.