MODELE ATOMICE

1. MODELE ATOMICE Mîinea Elena Cătălina

2. Definire 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 sarcinapozitivă sau negativă. Atomul este clasificat după numărul de protoni şi neutroni: numărul protonilor determină numarul atomic(Z) şi neutronii izotopii acelui element.

3. Masa atomului 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

4. 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 obtinaraspunsurisatisfacatoare. 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.

5. Structura atomului În chimie şi fizică, atomul (în limba greacă ατομος înseamnă “indivizibil”) este cea mai mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietăţile chimice ale unui element (chimic). Dacă, iniţial, cuvântul atom însemna cea mai mică particulă indivizibilă, mai târziu, după ce termenul a căpătat o semnificaţie precisă în ştiinţă, atomii au fost găsiţi a fi divizibili şi compuşi din particule şi mai mici, subatomice. Cei mai mulţi atomi sunt compuşi din trei tipuri de particule subatomice care guvernează proprietăţile lor externe: • electronii, care au o sarcină electrică negativă şi sunt cele mai puţin masive particule subatomice; • protonii, care au o sarcină electrică pozitivă şi sunt de aproape 1836 ori mai masive decât electronii; • neutronii, care nu au sarcină electrică şi care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decât electronii. • Protonii şi neutronii creează un nucleu atomic dens şi masiv, ei fiind numiţi şi nucleoni. Electronii formează un larg nor electronic ce înconjoară nucleul.

6. Scurt istoric al teoriei atomice şi descoperirea structurii atomice Meditaţiile filozofice atomiste datează încă de pe vremea vechilor gânditori greci şi indieni ai secolelor al VI-lea şi al V-lea î.d.Ch. Prima formulare filozofică a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltată de Democrit în Grecia secolului al VI-lea î.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, până la reaprinderea interesului ştiinţific din epoca Renaşterii. În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg substanţele în constituenţi proporţionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, şi vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit şi tub Crookes) şi a fost primul care a observat particule încărcate negativ într-un astfel de tub. Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson, în urma cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parţial compuşi din particule foarte uşoare încărcate negativ (dovedite a avea proprietăţi identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai târziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, în care electronii sunt incluşi într-o bilă cu sarcină pozitivă precum „stafidele într-un cozonac”. În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai uşor nucleu, pe care l-a numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă „primul”). Pentru a explica de ce electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate. După descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbită circulară afost înlocuit cu cel de „nor”, în interiorul căruia distribuţia electronilor a fost descrisă prin ecuaţii probabilistice. În sfârşit, după descoperirea în anul 1932 a neutronului, particulă neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni şi neutroni, aceste ultime rezultate completând concepţia modernă despre structura atomică. Protonul şi neutronul se mai numesc şi nucleoni.

7. MODELUL ATOMIC AL LUI DALTON (SFERA RIGIDA) Cel mai simplu model atomic este modelul sferei rigide, propus de Dalton: se considera ca atomii au forma sferica, sunt omogeni si identici intre ei pentru fiecare substanţa, dar diferiţi de la o substanţa la alta, se pot ciocni intre ei perfect elastic (adică fără pierdere de energie cinetica) sin nu sunt încărcaţi electric.Modelul lui Dalton al atomului: sfera rigida.Forţele de interacţiune sunt de respingere la distante foarte mici, se anulează la o anumita distanta, apoi devin atractive, dar scad foarte repede odată cu creşterea distantei dintre ei.Dependenta forţei de interacţiune dintre doi atomi de distanta dintre ei.Acestmodel este suficient pentru a explica, in mod calitativ, structura si unele proprietăţi simple ale substanţelor, unele fenomene simple: difuzia, schimbarea stării de agregare, schimbarea stării de încălzire si altele.Deşipermite efectuarea unor calcule ale căror rezultate se verifica destul de bine in practica, totuşi acest model este insuficient pentru deducerea unor relaţii cantitative precise.

8. Modelul Thomson Este un model clasic care presupune că atomul e alcătuit din electroni dispuşi în interiorul unei sfere cu raza de ordinul 10-10m, încărcate uniform cu o sarcină pozitivă. Modelul este denumit şi "cozonacul cu stafide" datorită asemănarii dintre dispunerea particulelor negative în norul de sarcină pozitivă şi a stafidelor în aluat. A fost propus de către J.J. Thomson în anul 1906, înainte de descoperirea nucleului atomic. El presupunea că electronii oscilează în jurul unei poziţii de echilibru atunci când li se comunică energie, atomul emiţând radiaţii de diverse frecvenţe.

9. Modelul atomic Rutherford • În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai uşor nucleu, pe care l-a numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă „primul”). Pentru a explica de ce electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate.

10. 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.

11. 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 planetarpe 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.

12. Modelul atomic Bohr • Modelul atomic Bohr este primul model de natură cuantică al atomului şi a fost introdus în anul 1913 de către fizicianul danez Niels Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Ernest Rutherfordşi îi aplică teoria cuantelor. Deşi ipotezele introduse de către Bohr sunt de natură cuantică, calculele efective ale mărimilor specifice atomului sunt pur clasice, modelul fiind, de fapt, semi-cuantic. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă a nucleului).

13. Postulatele lui Bohr • 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.

14. 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: hνmn = Em- En unde • 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.

15. Cuantificarea energiei totale • În modelul planetar, nucleul este considerat fix, iar energia totală a atomului este dată de suma energiilor cinetice şi potenţiale ale electronului aflat în mişcare circulară. Introducând cuantificarea razei calculată de Bohr în expresia energiei, se obţine pentru atomul de hidrogen unde: cu EH se notează energia atomului de hidrogen în stare fundamentală (n = 1). Se observă că energia este minimă pentru n = 1, adică starea fundamentală este o stare de echilibru şi are un timp de viaţă infinit. În acest caz, energia de legatură a electronului este maximă, fiind egală cu valoarea absolută a energiei unei stări legate. Celelalte stări (n > 1) se numesc stări excitate. Atomul are o infinitate de nivele de energie situate la intervale din ce în ce mai apropiate. La limită, pentru , energia tinde la valoarea zero. Valorile pozitive ale energiei sunt continue, iar electronul se deplasează liber pe o traiectorie deschisă, în afara nucleului.

16. 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.Savantiifrancezi Marie Curie si sotul Pierre Curie au contribuit la intelegerea profunda a substantelorradioactive. 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.

17. 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 elementpotcapata 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

18. Particule elementare Studiile facute la acceleratorul de atomi au stabilit ca fiecare tip de particula are o antiparticula, de aceeasi masa, dar are incarcatura si proprietatielectrmagnetice 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 controleazainteractiunile, 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 carorinteractiuni sunt purtate de corpusculi de tip particula numitigluoni. Aceasta teorie sta la baza investigatiilor curente si a folosit la anticiparea existentei altor subparticule atomice noi.