Atomul este cea mai mică particulă ce caracterizează un element chimic, respectiv este cea mai mică particulă dintr-o substanţă care prin procedee chimice obişnuite nu poate fi fragmentată în alte particule mai simple. Acesta constă într-un nor de electroni care înconjoară un nucleu atomic dens. Nucleul conţine sarcini electrice încărcate pozitiv (protoni) şi sarcini electrice neutre (neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încărcat negativ. Când numărul electronilor şi al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; dacă acest lucru nu se întâmplă, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcină pozitivă sau negativă. Atomul este clasificat după numărul de protoni şi neutroni: numărul protonilor determină numărul atomic (Z) şi neutronii izotopii acelui element.
Atomul este cea mai mică particulă ce caracterizează un element chimic, respectiv este cea mai mică particulă dintr-o substanţă care prin procedee chimice obişnuite nu poate fi fragmentată în alte particule mai simple. Acesta constă într-un nor de electroni care înconjoară un nucleu atomic dens. Nucleul conţine sarcini electrice încărcate pozitiv (protoni) şi sarcini electrice neutre (neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încărcat negativ. Când numărul electronilor şi al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; dacă acest lucru nu se întâmplă, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcină pozitivă sau negativă. Atomul este clasificat după numărul de protoni şi neutroni: numărul protonilor determină numărul atomic (Z) şi neutronii izotopii acelui element.
Atomul la începuturi
Noţiunea de atom apare pentru prima dată către anul 450 î.e.n. Filozoful grec Leucip dezvoltă teoria conform căreia materia nu este infinit divizibilă şi introduce noţiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Câţiva ani mai târziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, defineşte materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile şi eterne: atomul. Această nouă concepţie nu a fost rezultatul unor observaţii sau experienţe, ci mai degrabă al unor intuiţii. Teoria a fost dezvoltată ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Lucreţiu. Au trecut însă 2000 de ani până când teoria atomică a fost formulată ştiinţific.
În anul 1803, fizicianul şi chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomică proprie care explică Legea proporţiilor multiple, afirmând că din moment ce substanţele se combină numai în proporţii integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.
Modele atomice
Modele atomice
Modelul sferic al atomului
După acest model atomii au formă sferică, sunt complet elastici şi atomii aparţinând aceluiaşi element chimic au aceeaşi masa şi aceeasi formă.
Modelul atomic Thomson
Dezvoltat de J.J. Thomson (1856-1940) în anul 1904 şi care spune că: atomul este o masă incărcată pozitiv şi distribuită omogen sub o formă de sfera şi că în această masă există în unele locuri nişte sfere mai mici, care sunt încărcate negativ (aceste sfere mai mici au fost numite electroni). O proprietate de bază a acestui atom este că numărul sarcinilor negative este egal cu numărul masei pozitive, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
Modelul atomic Rutherford
Acest model a apărut in 1911 şi a fost dedus de Rutherford (1871-1937) după experienţele lui: Hertz, Lenard, Geiger. Noul model atomic are următoarele proprietăţi:
aproape toată masa lui este concentrată în nucleu, care este încărcat pozitiv.
nucleul este înconjurat de un înveliş de electroni, care sunt incărcaţi negativ.
electronii sunt menţinuti de nucleu prin forţe electrostatice.
electronii au o mişcare circulară, care îi împiedică să cadă pe nucleu.
sarcina învelişului electronic se anulează cu sarcina nucleului, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
Conceput conform legilor mecanicii clasice, atomul lui Rutherford nu putea să explice de ce electronii nu cad pe nucleu, ştiindu-se că orice sarcină electrică în mişcare pierde continuu din energia sa prin radiaţie electromagnetică.
Prin analogie cu Sistemul solar, nucleul este asemănat Soarelui, iar electronii planetelor ce orbitează în jurul acestuia, de unde şi numele de model atomic planetar pe care îl mai poartă acest model.
Atomul
In limba greaca veche, cuvantul atom era folosit pentru a descrie cea mai mica parte dintr-o substanta. Aceasta “particula fundamentala”, asa cum este denumit astazi atomul, era considerata indestructibila; de fapt, cuvantul grecesc atom inseamna indivizibil.
Cunostintele despre marimea si natura atomului s-au imbogatit de-a lungul timpului, insa la inceputuri oamenii nu puteau decat sa speculeze aceste cunostinte.
Odata cu aparitia cercetarii stiintifice experimentale( in sec. XVI-XVII e.n.), procesul de cunoastere a teoriei atomice a progresat rapid.
Chimistii au recunoscut atunci ca toate substantele, indiferent de starea de agregare, pot fi analizate pana la cele mai mici componente elementare. De exemplu, s-a descoperit ca sarea este compusa din doua elemente distincte, sodiu si clor, care combinate formeaza un compus chimic. S-a descoperit de asemenea ca aerul este un amestec de azot si oxigen. Apa este simbolizata de formula H2O, ceea ce inseamna ca fiecarui atom de oxigen ii corespund doi atomi de hidrogen.
Masa atomica
Determniarea masei unitatii de volum (care este de fapt o marime denumita densitate) pentru diferite gaze, permite comparatia directa a maselor moleculare ale acestor gaze.
Considerand oxigenul ca etalon cu valoarea de 16 unitati de masa atomica (UMA), atunci se constata ca heliul are 4.003 UMA, fluorul 19 UMA si sodiul 22.997 UMA.
Greutatea atomica este masurata in unitati de masa atomica (UMA). In procesele care apar intre nucleele atomice, cum este fisiunea nucleara, masa este transformata in energie.
Sistemul periodic al elementelor
Sistemul periodic al elementelor
La mijlocul secolului XIX, cativa chimisti considerau ca similitudinile dintre proprietatile chimice ale mai multor elemente, implicau o regularitate care putea fi demonstrata prin ordonarea elementelor intr-o forma tabelara sau periodica.
Chimistul rus Dimitri Mendeleev a propus o harta a elementelor, numita “tabel periodic”, in care elementele sunt aranjate in randuri si coloane, astfel incat, elementele cu proprietati chimice asemanatoare sa fie grupate. Potrivit acestui aranjament, fiecare element a primit un numar (numar atomic) ponind de la 1, pentru hidrogen, pana la 92, pentru uraniu.
Deoarece in acea perioada, nu erau cunoscute toate elementele chimice, au fost lasate spatii necompletate, fiecare corespunzand unui element necunoscut.
Cu ajutorul acestui tabel, cercetarile ulterioare au dus la descoperirea elementelor lipsa.
Marimea atomului
Curiozitatea privind marimea si greutatea atomului i-a urmarit pe oamenii de stiinta o lunga perioada in care lipsa instrumentelor si a tehnicilor adecvate i-a impiedicat sa obtina raspunsuri satisfacatoare. In consecinta, un mare numar de experimente ingenioase au avut ca scop determinarea marimii si greutatii atomului. Cel mai usor atom, cel de hidrogen are un diametru de1x10-8 cm si greutatea 1.7x10-24 g. Un atom este atat de mic incat o singura picatura de apa contine mai mult de un milion de milioane de miliarde de atomi.
Radioactivitatea
Faptul ca un atom nu este cea mai mica particula dintr-o subsatanta, a devenit evident odata cu descoperirea radioactivitatii. In 1896 fizicianul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit ca unele substante, ca sarurile de uraniu, emana raze penetrante cu origine necunoscuta. Cu doar un an mai inainte, savantul german Wilhelm Conrad Roentgen anuntase descoperirea unor raze care puteau penetra straturi de grafit, pe care le denumise raze X.
Savantii francezi Marie Curie si sotul Pierre Curie au contribuit la intelegerea profunda a substantelor radioactive.
Ca urmare a cercetarilor fizicianului englez Ernest Rutherford si a contemporanilor sai, s-a dovedit ca uraniul si alte elemente grele ca torul si radiul, emit trei tipuri diferite de radiatii, numite alfa, beta si gama ( α,β,γ).
S-a descoperit ca primele doua tipuri de raze erau formate din particule de materie incarcate electric si si-au pastrat denumirile initiale. Radiatiile gama au fost identificate ca unde electromagnetice, similare cu razele X, dar avand lungimi de unda mai mici.
MODELE ATOMICE
MODELE ATOMICE
Modelul Rutherford
Cunoasterea naturii emisiilor radioactive le-a permis fizicienilor sa elucideze misterul atomului.
S-a constatat ca, departe de a fi o particula solida de materie, atomul este mai mult o structura spatiala. In centrul acestei structuri se gaseste o “inima” infima denumita nucleu. Rutherford a stabilit ca masa atomului este concentrata in acest nucleu. De asemenea, el a considerat ca satelitii, numiti electroni, se deplaseaza in jurul nucleului, pe traiectorii numite orbite.
Nucleul este incarcat electronic pozitiv in timp ce fiecare electron este incarcat electric negativ. Suma sarcinilor electrice ale electronilor este egala cu sarcina electrica a nucleului, anulandu-se reciproc, si de aceea starea electrica normala a atomului este neutra.
Modelul Bohr
Pentru a explica structura atomului, fizicianul danez Niels Bohr a dezvoltat in 1913, o teorie cunoscuta sub denumirea de “ Teoria atomica a lui Bohr”. El a presupus ca electronii sunt aranjati in straturi sau nivele cuantice, la o distanta considerabila fata de nucleu. Acest mod de dispunere se mai numeste si configuratie electronica. Numarul acestor electroni este egal cu numarul atomic.
De exemplu hidrogenul are un singur electron orbital, heliul are 2 iar uraniul are 92. Straturile electronice sunt asezate regulat, fiind in numar de 7, fiecare acceptand un numar limita de electroni. Primul strat este completat cu doi electroni, al doilea cu maximum 8 iar straturile succesive urmatoare pot accepta un numar mai mare de electroni.
Numarul de electroni de pe ultimul strat determina caracterul chimic al atomului. Gazele inerte sau cele nobile ( heliu, neon, argon, kripton, xenon si radon) au ultimele straturi completate cu electroni. Aceste gaze nu intra in combinatii chimice in natura, desi trei dintre cele mai grele gaze inerte ( kripton, xenon si radon) au format compusi chimici in laborator.
Pe de alta parte stratul exterior al unor elemente ca litiul, sodiul si potasiul, contine un singur electron. Aceste elemente se combina foarte usor cu alte elemente ( transferandu-le acestora electronul de pe ultimul lor strat ) formand un mare numar de compusi chimici.
Conventional atomului i se atribuie atomului imaginea unui sistem planetar in care electronii se rotesc in jurul nucleului precum planetele in jurul soarelui. Deoarece nu se poate defini pozitia momentana a unui electron pe orbita, pentru a rezolva aceasta incertitudine i se atribuie electronului forma de nor electronic.
Radioactivitatea artificiala
Radioactivitatea artificiala
Experimentele facute la inceputul anilor 1930 de catre fizicienii francezi Frederic si Irene Joliot-Curie au relevat faptul ca atomi stabili ai unui elementpot capata artificial proprietati radioactive, in urma unui bombadament cu particule nucleare sa cu anumite raze. Asemenea izotopi radioactivi ( radioizotopi ) sunt produsi in urma unei reactii nucleare sau a unei transformari. In asemenea reactii, mai mult de 270 de izotopi intalniti in natura au functia de tinte pentru proiectilele nucleare.
Dezvoltarea spargatoarelor si a acceleratoarelor de atomi a facut posibila observarea a mii de reactii nucleare.
Studiile facute la acceleratorul de atomi au stabilit ca fiecare tip de particula are o antiparticula, de aceeasi masa, dar are incarcatura si proprietati electrmagnetice opuse. Fizicienii au cautat multa vreme o teorie care sa puna in ordine aceasta multitudine de particule.
La ora actuala particulele sunt grupate in functie de forta care le controleaza interactiunile, astfel : hadronii ( forte nucleare puternice ) care includ hiperoni, mezoni, neutroni si protoni; leptonii ( forte electromagnetice slabe ) includ particulele tau, muon, electronii si neutrinii; bosonii ( obiecte de tip particula asociate cu interactiuni ) include fotonii si ipotetic purtatorii unei forte slabe si de gravitatie.
Forta nucleara slaba este evidenta in reactii radioactive sau de descompunere de tip alfa ( eliberarea nucleului de heliu dintr-un nucleu atomic stabil ).
In 1963 fizicienii americani Murray Gell-Mann si George Zweig au propus ideea ca hadronii sunt combinatii de particule mai mici numite quarci, ale caror interactiuni sunt purtate de corpusculi de tip particula numiti gluoni.
Aceasta teorie sta la baza investigatiilor curente si a folosit la anticiparea existentei altor subparticule atomice noi.
Scurt istoric
Scurt istoric
Descoperirea electronului a fost prima indicaţie că atomul are o structură internă. La trecerea dintre secolele al XIX-lea şi al XX-lea modelul acceptat de atom a fost „cozonacul cu stafide” al lui J.J. Thomson, în care atomul era considerat o bilă mare încărcată pozitiv, în care erau incluse mici sarcini negative. În scurt timp, fizicienii au descoperit, de asemenea, şi trei tipuri de radiaţii provenind din atomi, pe care ei le-au numit radiaţii alfa, beta şi gamma. Experimentele din 1911 ale lui Lise Meitner şi Otto Hahn, şi cele ale lui James Chadwick din 1914 au condus la descoperirea că interpretarea caracteristicilor spectrale ale dezintegrării beta ar presupune admiterea neconservării energiei. Această problemă a condus la descoperirea, mai târziu, a neutrinului.
În aceeaşi perioadă Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil în care Hans Geiger şi Ernest Marsden, sub supravegherea lui Rutherford, au bombardat cu particule alfa (nuclee de heliu) o foiţă subţire din aur. Modelul „cozonacului cu stafide” prezicea că particulele alfa ar fi trebuit să iasă din foiţa de aur pe o traiectorie, eventual, puţin curbată. Ei au fost şocaţi să descopere că unele particule au fost împrăştiate sub unghiuri mari, în unele cazuri chiar întoarse înapoi. Descoperirea a condus la modelul Rutherford, în care atomul are un nucleu foarte mic şi foarte dens, constituit din particule grele cu sarcină pozitivă şi înconjurate de sarcini negative. De exemplu, în acest model, azotul-14 consta dintr-un nucleu cu 14 protoni şi 7 electroni, iar nucleul era orbitat de alţi 7 electroni.
Modelul lui Rutherford a „mers” destul de bine până la studiile privind spinul nuclear, efectuate în 1929 de Franco Rasetti la California Institute of Technology. Încă din 1925 se ştia că protonul şi electronul au spini 1/2. În modelul Rutherford al atomului de azot-14 cei 14 protoni şi 6 electroni trebuie să formeze perechi unii cu alţii, astfel încât ultimul electron să confere nucleului un spin 1/2. Rasetti a descoperit că azotul-14 are spin 1.
Modelul lui Rutherford a „mers” destul de bine până la studiile privind spinul nuclear, efectuate în 1929 de Franco Rasetti la California Institute of Technology. Încă din 1925 se ştia că protonul şi electronul au spini 1/2. În modelul Rutherford al atomului de azot-14 cei 14 protoni şi 6 electroni trebuie să formeze perechi unii cu alţii, astfel încât ultimul electron să confere nucleului un spin 1/2. Rasetti a descoperit că azotul-14 are spin 1.
În 1930, neputând să ajungă în oraşul german Tübingen, la o întâlnire pe probleme de radioactivitate, Wolfgang Pauli le trimite participanţilor o scrisoare prin care sugera că există posibilitatea ca în nucleu să existe o a treia particulă pe care el o denumea „neutron”. El sugera că această particulă trebuie să fie foarte uşoară (mai uşoară decât un electron), că nu are sarcină electrică şi nu interacţionează cu substanţa (fapt pentru care încă nu fusese detectată). Această cale disperată a rezolvat ambele probleme: cea a conservării energiei şi ceea a spinului nucleului de azot-14, mai întâi deoarece „neutronul” lui Pauli transporta cu el extra-energia dezintegrării beta şi apoi pentru că un extra-„neutron” împerecheat cu al şaptelea electron în nucleul azotului-14 dădea spinul 1. „Neutronul” lui Pauli a fost redenumit neutrino de Enrico Fermi în 1931, dar abia după 30 de ani s-a demonstrat că neutrino există cu adevărat în dezintegrarea beta.
În 1932 Chadwick a realizat că radiaţia pe care o observaseră Walther Bothe, Herbert Becker, Irène şi Frédéric Joliot-Curie se datora unei particule masive pe care el a numit-o neutron. În acelaşi an Dmitrij Iwanenko a sugerat că neutronii sunt particule cu spin 1/2 şi că nucleul conţine neutroni şi că în nucleu nu există electroni. La rândul său Francis Perrin a sugerat că neutrino nu sunt particule nucleare, dar erau create în timpul dezintegrării beta. La sfârşitul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei Nature (al cărui editor a respins-o deoarece era „prea departe de realitate”). Fermi a continuat să lucreze la teoria sa şi în 1934 a publicat o lucrare care plasa neutrino pe solide fundamente teoretice. În acelaşi an Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a forţelor nucleare tari pentru a explica menţinerea împreună a nucleonilor.
În 1932 Chadwick a realizat că radiaţia pe care o observaseră Walther Bothe, Herbert Becker, Irène şi Frédéric Joliot-Curie se datora unei particule masive pe care el a numit-o neutron. În acelaşi an Dmitrij Iwanenko a sugerat că neutronii sunt particule cu spin 1/2 şi că nucleul conţine neutroni şi că în nucleu nu există electroni. La rândul său Francis Perrin a sugerat că neutrino nu sunt particule nucleare, dar erau create în timpul dezintegrării beta. La sfârşitul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei Nature (al cărui editor a respins-o deoarece era „prea departe de realitate”). Fermi a continuat să lucreze la teoria sa şi în 1934 a publicat o lucrare care plasa neutrino pe solide fundamente teoretice. În acelaşi an Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a forţelor nucleare tari pentru a explica menţinerea împreună a nucleonilor.
Cu lucrările lui Fermi şi Yukawa s-a completat modelul modern al atomului. Centrul atomului constă dintr-o bilă compactă de neutroni şi protoni care sunt menţinuţi împreună de către forţele nucleare tari. Nucleele instabile pot suferi dezintegrări alfa, în care ele emit nuclee energetice de heliu, sau dezintegrări beta, în care ele emit electroni sau pozitroni. După una dintre aceste dezintegrări, nucleul rezultat poate să fie şi el într-o stare excitată şi în acest caz se dezintegrează şi el către o stare de bază emiţând fotoni de înaltă energie (dezintegrare gamma).
