Atom Models, τι είσαι;

Αναρωτηθήκατε ποτέ τι είναι τα πράγματα γύρω σας; Απλώς πείτε ότι κοιτάτε ένα τραπέζι, μπορείτε να καλέσετε ένα τραπέζι από ξύλο. Ακόμα κι αν κοιτάξετε τον καθρέφτη, θα πείτε ότι είναι κατασκευασμένο από γυαλί. Βασικά, αυτά τα δύο υλικά έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, αλλά ξέρατε ότι και τα δύο αποτελούνται από το ίδιο θέμα; Το όνομά του είναι άτομο.

Τα άτομα είναι τα μικρότερα σωματίδια ενός στοιχείου που συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις. Το εξαιρετικά μικρό τους μέγεθος τους καθιστά αδύνατο να δει κανείς χρησιμοποιώντας ακόμη και τα ισχυρότερα μικροσκόπια φωτός. Από αυτά, το μικρότερο είναι το άτομο υδρογόνου.

Μοντέλα Atom

Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια για αιώνες, αλλά δεν μπόρεσαν να προσδιορίσουν την εμφάνισή τους. Μόνο το 1808 ο Ντάλτον δημοσίευσε τη θεωρία του για τη δομή του ατόμου. Από τότε, τα ατομικά μοντέλα έχουν εξελιχθεί μαζί με τα τελευταία ευρήματα. Αυτή τη φορά, θα συζητήσουμε τα διάφορα ατομικά μοντέλα που προτείνουν οι επιστήμονες.

Η θεωρία του Ντάλτον

Ο John Dalton είναι Βρετανός χημικός, φυσικός και μετεωρολόγος που δημοσίευσε για πρώτη φορά έρευνα για την ύπαρξη ατόμων. Ο Dalton εξήγησε ότι η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα σωματίδια που ονομάζονται άτομα.

Δυστυχώς, περαιτέρω έρευνα απέδειξε ότι το ίδιο το άτομο είναι διαιρετό και αποτελείται από υποατομικά σωματίδια. Τα υποατομικά σωματίδια αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Έκτοτε, οι επιστήμονες προσπάθησαν να προτείνουν διαφορετικά μοντέλα λαμβάνοντας υπόψη τη θέση αυτών των υποατομικών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των JJ Thomson και Rutherford.

Το ατομικό μοντέλο δείχνει την ατομική δομή και διάταξη των υποατομικών σωματιδίων μέσα σε ένα άτομο. Η ανακάλυψη πρωτονίων και ηλεκτρονίων οδήγησε τους επιστήμονες να υποστηρίξουν ότι τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια που εξισορροπούν τα φορτία τους. Διαπίστωσαν ότι τα πρωτόνια βρίσκονταν στο εσωτερικό του ατόμου, ενώ τα ηλεκτρόνια ήταν έξω και εύκολα αποσπάστηκαν.

Υπάρχουν 4 ατομικά μοντέλα που προτείνουν οι επιστήμονες, δηλαδή το μοντέλο που προτείνουν οι Thomson, Rutherford, Bohr και το κβαντικό μηχανικό μοντέλο.

Thomson Μοντέλο Atom

Ο Joseph John Thomson ήταν ο Βρετανός φυσικός βραβευμένος με Νόμπελ που πρότεινε για πρώτη φορά το ατομικό μοντέλο. Στην πραγματικότητα, τα δημοσίευσε πριν από την ανακάλυψη του πρωτονίου και του ατομικού πυρήνα. Στη θεωρία του, ο Thomson θεώρησε ότι τα άτομα ήταν σαν ψωμί σταφίδας ή μοντέλο πουτίγκας δαμάσκηνου, επειδή τα ηλεκτρόνια στη σφαίρα θετικής φόρτισης έμοιαζαν με αποξηραμένα φρούτα στη χριστουγεννιάτικη πουτίγκα.

(Διαβάστε επίσης: Γνωρίστε τα στρώματα της Γης με βάση τα στρώματα και τη χημική τους σύνθεση)

Αυτό το μοντέλο υποθέτει ότι ένα άτομο αποτελείται από μια θετικά φορτισμένη μπάλα με ηλεκτρόνια ενσωματωμένα σε αυτό. Ένα άτομο μπορεί να έχει ουδέτερο φορτίο επειδή έχει τα ίδια αρνητικά και θετικά φορτία.

Το μοντέλο του πυρηνικού ατόμου του Rutherford

Ο Ernest Rutherford είναι φυσικός και χημικός γεννημένος στη Νέα Ζηλανδία με έδρα την Αγγλία. Πρότεινε το ατομικό μοντέλο αφού πραγματοποίησε ένα πείραμα γνωστό ως πείραμα σκέδασης Rutherford. Αυτός και δύο από τους μαθητές του πραγματοποίησαν πειράματα σκέδασης με ακτίνες άλφα σε μια λεπτή χρυσή πλάκα.

Ο Rutherford θεώρησε ότι το συνολικό θετικό φορτίο ενός ατόμου συγκεντρώνεται σε μια πολύ μικρή περιοχή γνωστή ως πυρήνας. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα με υψηλή ταχύτητα σε κυκλικές διαδρομές που ονομάζονται τροχιές. Η ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων διατηρεί τα ηλεκτρόνια στην τροχιά τους.

Το μοντέλο Rutherford αποκάλυψε επίσης ότι ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και είναι γνωστός ως ατομικός αριθμός. Εν τω μεταξύ, εάν ο αριθμός των πρωτονίων και ο αριθμός των νετρονίων συνδυάζονται, η τιμή είναι ίδια με τον αριθμό ατομικής μάζας.

Δυστυχώς, το μοντέλο του Rutherford δεν μπόρεσε να εξηγήσει τη σταθερότητα του ατόμου. Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, τα φορτισμένα σωματίδια χάνουν ενέργεια κατά την επιτάχυνση. Η απώλεια ενέργειας μπορεί να επιβραδύνει την ταχύτητα των ηλεκτρονίων και τελικά, τα ηλεκτρόνια θα έλκονται στον πυρήνα και τα άτομα καταστρέφονται. Εκτός από αυτό, το μοντέλο του Rutherford δεν εξήγησε τίποτα για την κατανομή των ηλεκτρονίων και των ενεργειών των ηλεκτρονίων. Επιπλέον, αυτό το ατομικό μοντέλο δεν μπορεί επίσης να εξηγήσει το φάσμα γραμμής που παρέχεται από κάθε στοιχείο.

Το ατομικό μοντέλο του Bohr

Για να απαντήσει στις αδυναμίες του ατομικού μοντέλου του Rutherford, ειδικά όσον αφορά το φάσμα γραμμής και την ατομική σταθερότητα, ο Niels Bohr δημοσίευσε τότε το δικό του ατομικό μοντέλο. Είπε ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου σε ορισμένες κυκλικές τροχιές που ονομάζονται ενεργειακά κελύφη ή επίπεδα ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται στο ενεργειακό κέλυφος συνδέονται με μια σταθερή ποσότητα ενέργειας. Αυτά τα ενεργειακά κελύφη αριθμούνται 1, 2, 3 και ούτω καθεξής από τον ατομικό πυρήνα ή καθορίζονται ως κελύφη k, l, m και ούτω καθεξής.

Η διάταξη των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι γνωστή ως η διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων μπορεί να σας βοηθήσει να εξηγήσετε πώς τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους. Η πλήρωση ηλεκτρονίων σε ατομικά κελύφη ξεκινά από την πλήρωση του εσωτερικού κελύφους ή με την χαμηλότερη ενέργεια. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορούν να καταλάβουν το κέλυφος είναι 2n2.

Κβαντική Μηχανική Ατομική Θεωρία

Δυστυχώς, το ατομικό μοντέλο που πρότεινε ο Bohr δεν μπόρεσε να εξηγήσει το φάσμα των ατόμων υδρογόνου τόσο σε μαγνητικά όσο και σε ηλεκτρικά πεδία. Ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger προσπάθησε να το απαντήσει. Ανέπτυξε μια ατομική θεωρία βασισμένη στις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Το μοντέλο που πρότεινε ο Schrödinger δεν είναι πολύ διαφορετικό από το Bohr's, καθώς το άτομο έχει θετικά φορτισμένο πυρήνα και περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η διαφορά είναι στη θέση των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον ατομικό πυρήνα.

Στη θεωρία του, ο Bohr υποστήριξε ότι τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν τον ατομικό πυρήνα σε τροχιές με μια ορισμένη απόσταση από τον ατομικό πυρήνα που ονομάζεται ατομική ακτίνα. Αλλά στην κβαντική μηχανική θεωρία, η θέση των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον ατομικό πυρήνα δεν μπορεί να είναι γνωστή με βεβαιότητα, σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Επομένως, η μεγαλύτερη πιθανότητα της θέσης ενός ηλεκτρονίου είναι σε αυτήν την τροχιά. Δηλαδή, μπορεί να ειπωθεί ότι η περιοχή με τη μεγαλύτερη πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίων σε άτομα βρίσκεται σε τροχιά.

Το κβαντικό μηχανικό μοντέλο αναφέρει επίσης ότι η κίνηση ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα έχει την ιδιότητα του δυϊσμού, όπως προτείνεται από τον de Broglie. Δεδομένου ότι η κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα έχει κυματοειδή φύση, η εξίσωση για την κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα πρέπει να σχετίζεται με τη λειτουργία κύματος.

Ο Schrödinger συμπληρώνει τη θεωρία του με μια εξίσωση που αναφέρει ότι η κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα που σχετίζεται με τη δυαδική φύση της ύλης μπορεί να εκφραστεί με όρους καρτεσιανών συντεταγμένων. Αυτή η εξίσωση έγινε γνωστή ως εξίσωση Schrödinger.

Από αυτήν την εξίσωση, ο Schrödinger παρήγαγε τρεις κβαντικούς αριθμούς, δηλαδή το κύριο κβαντικό (n), το κβαντικό αζιμουθίου (A) και το μαγνητικό κβαντικό (m). Αυτοί οι τρεις κβαντικοί αριθμοί είναι απλοί ακέραιοι που δείχνουν την πιθανότητα ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Η λύση στην εξίσωση Schrödinger αποδίδει τρεις κβαντικούς αριθμούς. Το τροχιακό προέρχεται από την εξίσωση Schrödinger, έτσι ώστε να υπάρχει σχέση μεταξύ του τροχιακού και των τριών αριθμών.