Modele atomice

1. Modele atomice Vasile Irina-Georgiana

2. Primul postulat al lui Bohr • Este legat de orbitele atomice şi presupune că electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare permise, fără a emite sau a absorbi energie radiantă. Aceste stări se numesc staţionare şi au un timp de viaţă infinit şi energie constantă, atomul trecând pe alte nivele energetice doar dacă este perturbat din exterior. Electronul se menţine pe o orbită staţionară datorită compensării forţei centrifuge cu forţa de atracţie coulombiană. • Primul postulat a fost introdus pentru explicarea stabilităţii atomului. El este în contradicţie cu fizica clasică. Conform teoriilor acesteia, o sarcină electrică în mişcare accelerată emite radiaţie electromagnetică. Aceasta ar duce la scăderea energiei sistemului, iar traiectoria circulară a electronului ar avea raza din ce în ce mai mică, până când acesta ar "cădea" pe nucleu. Experimental se constată, însă, că atomul este stabil şi are anumite stări în care energia sa se menţine constantă

3. Al doilea postulat al lui Bohr • Afirmă faptul că un atom emite sau absoarbe radiaţie electromagnetică doar la trecerea dintr-o stare staţionară în alta. Energia pe care o primeşte sau o cedează este egală cu diferenţa dintre energiile celor două nivele între care are loc tranziţia. Radiaţia emisă sau absorbită are frecvenţa dată de relaţia obţinută în cadrul teoriei lui Max Planck • νmn frecvenţa radiaţiei emise/absorbite; • Em,En energiile stărilor staţionare între care are loc tranziţia. • Atomul trece dintr-o stare staţionară în alta cu energie superioară doar dacă i se transmite o cuantă de energie corespunzătoare diferenţei dintre cele două nivele. La revenirea pe nivelul inferior se emite o radiaţie de aceeaşi frecvenţă ca şi la absorbţie. Acest fapt exprimă natura discontinuă a materiei şi energiei la nivel microscopic. De asemenea, frecvenţele radiaţiilor atomice depind de natura şi structura atomului şi au valori discrete, spectrele lor fiind spectre de linii

4. Modelul atomic Rutherford • Modelul atomic Rutherford, elaborat de Ernest Rutherford în 1911, este primul model planetar al atomului. Conform acestui model, atomul este format din nucleu, în care este concentrată sarcina pozitivă, şi electroni care se rotesc în jurul nucleului pe orbite circulare, asemeni planetelor în Sistemul Solar

5. Elaborarea modelului • Modelul a fost dezvoltat în urma experimentelor realizate de către Hans Geiger şi Ernest Marsden în anul 1909. Ei au studiat, sub îndrumarea lui Ernest Rutherford, împrăştierea particulelor αla trecerea printr-o foiţă subţire din aur. Conform modelului atomic elaborat de Thomson, particulele trebuiau să fie deviate cu câteva grade la trecerea prin metal din cauza forţelor electrostatice. S-a constatat, însă, că unele dintre ele erau deviate cu unghiuri mai mari decât 90° sau chiar cu 180°. Aceast fapt a fost explicat prin existenţa unei neuniformităţi a distribuţiei de sarcină electrică în interiorul atomului. Pe baza observaţiilor efectuate, Rutherford a propus un nou model în care sarcina pozitivă era concentrată în centrul atomului, iar electronii orbitau în jurul acesteia. • Noul model introducea noţiunea de nucleu, fără a-l numi astfel. Rutherford se referea, în lucrarea sa din 1911, la o concentrare a sarcinii electrice pozitive: • "Se consideră trecerea unei particule de mare viteză printr-un atom având o sarcină pozitivă centrală N e, compensată de sarcina a N electroni." • El a estimat, din considerente energetice, că, pentru atomul de aur, aceasta ar avea o rază de cel mult 3.4 x 10-14metri (valoarea actuală este egală cu aproximativ o cincime din aceasta). Mărimea razei atomului de aur era estimată la 10-10 metri, de aproape 3000 de ori mai mare decât cea a nucleului. • Rutherford a presupus că mărimea sarcinii pozitive ar fi proporţională cu masa atomică exprimată în unităţi atomice, având jumătate din valoarea acesteia. A obţinut pentru aur o masă atomică de 196 (faţă de 197, valoarea actuală). El nu a făcut corelaţia cu numărul atomic Z, estimând valoarea sarcinii la 98 e, faţă de 79, unde e reprezintă sarcina electronului.

6. Deficienţe ale modelului • Principalul neajuns al modelului consta în faptul că acesta nu explica stabilitatea atomului. Fiind elaborat în concordanţă cu teoriile clasice, presupunea că electronii aflaţi în mişcare circulară, deci accelerată, emit constant radiaţie electromagnetică pierzând energie. Prin urmare, în timp, electronii nu ar mai avea suficientă energie pentru a se menţine pe orbită şi ar "cădea" pe nucleu. • De asemenea, frecvenţa radiaţiei emise ar fi trebuit să ia orice valoare, în funcţie de frecvenţa electronilor din atom, fapt infirmat de studiile experimentale asupra seriilor spectrale.

7. 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.

8. 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. • Analogia cu planetele nu este valabilă, deoarece atât nucleul cât şi electronul au sarcină electrică şi, conform teoriei electrodinamicii clasice, orice sarcină electrică în mişcare pierde energie sub formă de radiaţii. Astfel electronii, pierzând continuu energie, ar trebui să capete o traiectorie în spirală şi ar ajunge să cadă pe nucleu.

9. Modelul atomic Bohr-Sommerfeld • În anul 1915, fizicianul german Arnold Sommerfeld a dezvoltat modelul atomic al lui Bohr, elaborând modelul Bohr-Sommerfeld. El a presupus că orbitele staţionare din jurul nucleului nu sunt numai circulare, ci pot fi şi eliptice. În modelul său, unei orbite circulare cu număr cuantic principal (Vezi numere cuantice) n îi corespund n-1 orbite staţionare eliptice. În consecinţă, fiecare orbită circulară a lui Bohr se descompune în n-1 elipse cu excentrităţi diferite, rezultând o familie de orbite pentru fiecare număr cuantic principal n>1. • Deşi perfecţionat faţă de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld îşi limitează aplicabilitatea la hidrogen şi ionii hidrogenoizi, nepermiţând interpretarea spectrelor atomilor cu mai mulţi electroni, sau comportarea lor magnetică. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic (stările de energie staţionare sunt calculate cu relaţii clasice, numerele cuantice şi condiţiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).

10. Desi primele idei referitoare la faptul ca materia ar putea fi compusa din atomi dateaza din secolul al V-lea i.e.n., apartinand lui Leucip din Milet, abia in secolul al VII-lea au inceput sa se stranga dovezi ale existentei lor. De exemplu, Robert Boyle a presupus ca substantele gazoase sunt compuse din particule mici, datorita reactiei lor la comprimare.In 1803, Dalton a demonstrat ca teoria atomica explica legea proportiilor definite. Un "atom al unui compus (molecula) contine mereu un numar definit de atomi mai mici. W. Prout a constatat, in 1816, ca atomii elementelor, ca si moleculele, pot formati din particule si mai mici. In 1897, J. Thamson a masurat devierea radiatiilor catodice in camp electric si a demonstrat ca, fiind deviate, sunt compuse din particule. Mai mult, masurand valoarea devierii, el a determinat masa electronilor, care este de aproximativ 2000 de ori mai mica decat cea a atomilor de hidrogen. Cum electronii proveneau din componenta unor materiale, s-a presupus ca ei apartin atomilor. In 1898, Thompson a lansat modelul de atom de tip "cozonac cu stafide", adica: o sfera cu sarcina electrica pozitiva uniform distribuita este plina cu electroni precum un cozonac cu stafide. Scosi din pozitia de echilibru, electronii oscileaza in jurul acestor pozitii si emit lumina. Raza sferei este de ordinul a 10(-10)m. S-a stabilit ca electronii sunt,simultan,si unde,si particule.Astazi,imaginea unui atom contine regiuni incetosate,in care,potrivit legilor probabilitatii si mecanicii cuantice,se pot gasi electroni “undo-particula’’.