Άτομο – Υποατομικά Σωματίδια – Ατομική Θεωρία – Οι αλλαγές στο ατομικό πρότυπο

Άτομο 

Άτομο στη φυσική και τη χημεία ονομάζεται η μικρότερη μονάδα στην οποία η ύλη μπορεί να χωριστεί χωρίς την απελευθέρωση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Είναι επίσης η μικρότερη μονάδα ύλης που έχει τις χαρακτηριστικές ιδιότητες ενός χημικού στοιχείου. Ως εκ τούτου, το άτομο είναι το βασικό δομικό στοιχείο της χημείας.

Τα άτομα αποτελούνται από τον πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια (νουκλεόνια) και τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα. Ο υπόλοιπος χώρος του ατόμου είναι κενός.

The Definition of Atomic Mass or Weight in Chemistry

Υποατομικά Σωματίδια

Why is the charge of a neutron zero? - Quora

Πρωτόνια

Το πρωτόνιο είναι ένα από τα υποατομικά σωματίδια, που θεωρούνταν παλιότερα-μέχρι την δεκαετία του ’70- στοιχειώδες σωμάτιο, αλλά αργότερα βρέθηκε ότι έχει εσωτερική δομή. Ως νουκλεόνιο, είναι ένας από τούς βασικούς δομικούς λίθους των πυρήνων των ατόμων και μαζί με τα νετρόνια είναι η κύρια μάζα του ατόμου.

Protons: Definition, Charge & Mass - Video & Lesson Transcript | Study.com

Τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και μάζα περίπου ίση με αυτή των νετρονίων, τα οποία είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Οπότε συμπεραίνουμε ότι το φορτίο του πυρήνα είναι θετικό. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και συνεπώς έλκονται από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα. Το φορτίο των ηλεκτρονίων ονομάζεται στοιχειώδες και είναι το μικρότερο που συναντάμε ελεύθερο στη φύση.

Αποτελoύνται από κουάρκ.

Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου ονομάζεται «ατομικός αριθμός» είναι μοναδικός για κάθε χημικό στοιχείο και επομένως καθορίζει το είδος του ατόμου και κατά συνέπεια τις χημικές του ιδιότητες.

Το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο σωμάτιο, με φορτίο αντίθετο από το φορτίο του ηλεκτρονίου (ίσο με 1.602 × 10-19 C, θεωρείται ως η στοιχειώδης μονάδα του θετικού ηλεκτρισμού ή του θετικού ηλεκτρικού φορτίου.

Η μάζα του είναι περίπου 1836 μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτρονίου και σχεδόν ίση με αυτή του νετρονίου (ελάχιστα μικρότερη)

Το πείραμα του Rutherford

Η έννοια του πρωτονίου επινοήθηκε το 1911 από τον φυσικό Ράδερφορντ ενώ πειραματιζόταν στο πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. Τότε είτε ο Ράδερφορντ είτε κάποιος φοιτητής του τοποθέτησε φύλλα χρυσού μπροστά από μια πηγή ακτίνων α (μορφή ραδιενεργής ακτινοβολίας). Παρατηρήθηκε ότι τα σωματίδια α (πυρήνες ηλίου He-4) επέστρεφαν πίσω στην ραδιενεργή πηγή, σαν κάτι να τα απωθούσε από τα φύλλα χρυσού. Ο Ράδερφορντ υπέθεσε ότι τα σωματίδια α καθώς συγκρούονταν με τα άτομα του χρυσού συναντούσαν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και έτσι απωθούνταν, οπότε φαντάστηκε την ύπαρξη θετικών σωματιδίων μέσα στο άτομο. Όμως για να δικαιολογήσει και το γεγονός ότι τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα-στην κανονική τους μορφή-υπέθεσε ότι υπάρχουν και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια μέσα στο άτομο (τα ηλεκτρόνια, τα οποία και περιφέρονταν γύρω από τα πρωτόνια). Μάλιστα, ο Ράδερφορντ ταύτιζε την έννοια του πρωτονίου με την έννοια του πυρήνα, στα άτομα υδρογόνου.

Rutherford's Gold Foil Experiment ~ ChemistryGod

Νετρόνια

Στη φυσική, το νετρόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο χωρίς ηλεκτρικό φορτίο (ουδετερόνιο) που μαζί με το πρωτόνιο συνιστούν τους πυρήνες των ατόμων. Ανακαλύφθηκε το 1935 από τον Τζέιμς Τσάντγουικ.

Ο πυρήνας των περισσότερων ατόμων (όλων εκτός του πρώτιου, του πιο κοινού ισοτόπου του υδρογόνου, το οποίο αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο) αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Στα πρώτα 20 χημικά στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα ο αριθμός των νετρονίων είναι ίσος (ή σχεδόν ίσος) με τον αριθμό των πρωτονίων, όσο όμως αυξάνεται ο ατομικός αριθμός Ζ ενός στοιχείου, τόσο περισσότερα γίνονται τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα.

Neutrons: Definition & Concept | Study.com

Όταν βρίσκονται έξω από τον πυρήνα του ατόμου, είναι ασταθή και έχουν μέσο χρόνο ζωής περίπου 15 λεπτά.

Ο αριθμός των νετρονίων καθορίζει το ισότοπο ενός στοιχείου. (Για παράδειγμα, το ισότοπο του άνθρακα-12, έχει 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια, ενώ το ισότοπο του άνθρακα-14 έχει 6 πρωτόνια και 8 νετρόνια). Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου στοιχείου τα οποία έχουν δηλαδή τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον μαζικό αριθμό λόγω του διαφορετικού αριθμού νετρονίων.

Το νετρόνιο παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές πυρηνικές αντιδράσεις.

Ηλεκτρόνια

Η κβαντομηχανική από τον Bohr μέχρι τον Schrödinger | Μέρες Παράξενες...

Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια της ύλης, το οποίο φέρει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.

Σήμερα δεν θεωρείται πως τα ηλεκτρόνια περιφέρονται πραγματικά στις τροχιές που καθορίζουν ενεργειακά οι στιβάδες αλλά πως βρίσκονται σε θέσεις που δεν είναι δυνατό να είναι απόλυτα γνωστές και έχουν σχήμα νέφους πιθανοτήτων. Ακόμα και στην περίπτωση που έχουμε ένα ηλεκτρόνιο γύρω από ένα πρωτόνιο, (δηλαδή σε ένα άτομο υδρογόνου), το ηλεκτρόνιο περιγράφεται ως ένα νέφος γύρω από τον πυρήνα που είναι πιο πυκνό κοντά στην απόσταση της στιβάδας που του αναλογεί ενεργειακά.

Η προσανατολισμένη κίνηση των ηλεκτρονίων ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα νουκλεόνια (ένας άλλος τρόπος για να αναφερθούμε στα πρωτόνια και τα νετρόνια) έχουν ιδιοπεριστροφή (spin) ίση με 1/2 (ή με – 1/2).

 

Δημόκριτος

Δημόκριτος - ΑΦΟΡΜΕΣ, ΣΚΕΨΕΙΣ, ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ

Τα άτομα του Δημόκριτου θα πρέπει να τα φανταστούμε ως τις ελάχιστες μονάδες της ύλης – «άτομο» άλλωστε σημαίνει το άτμητο, αυτό που δεν μπορεί να διαιρεθεί σε μικρότερα μέρη. Το μικροσκοπικό τους μέγεθος τα κάνει αόρατα, απρόσιτα στις αισθήσεις. Για την ύπαρξη των ατόμων και του κενού ο Δημόκριτος δεν έχει καμία αμφιβολία. Και, αφού στα άτομα και στο κενό δεν φτάνει κανείς μέσω των αισθήσεων, υποθέτουμε ότι η βεβαιότητα του Δημόκριτου θα πρέπει να στηριζόταν σε κάποιο νοητικό συλλογισμό, σαν αυτούς που διατύπωσε πρώτος ο Παρμενίδης.

Τα άτομα τώρα είναι άπειρα στο πλήθος και διαφορετικά μεταξύ τους ως προς το σχήμα και το μέγεθος. Αν και κάθε άτομο είναι τόσο μικροσκοπικό ώστε να είναι αόρατο, η συνένωση πολλών ατόμων δημιουργεί τις ορατές μάζες, τα ποικίλα ορατά αντικείμενα που βλέπουμε και αισθανόμαστε. Όπως οι άμεσοι προκάτοχοί του, έτσι και ο Δημόκριτος θεωρεί ότι η γέννηση ενός πράγματος είναι στην πραγματικότητα ανάμειξη προϋπαρχόντων στοιχείων: είναι συμπλοκή πολλών ατόμων, οπότε και ο θάνατος είναι διάσπαση ενός συμπλέγματος ατόμων.

Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο. - ppt κατέβασμα

(https://slideplayer.gr/slide/13852955/)

Ατομική Θεωρία

Η ατομική θεωρία του Ντάλτον

Διακόσια χρόνια από την παρουσίαση της ατομικής θεωρίας του Ντάλτον | in.gr

Η ατομική θεωρία του Τζον Ντάλτον υποστηρίζει ότι:

  1. Κάθε στοιχείο αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια, τα οποία ονομάζονται άτομα.
  2. Όλα τα άτομα ενός στοιχείου είναι όμοια μεταξύ τους, ενώ τα άτομα διαφορετικών στοιχείων διαφέρουν μεταξύ τους (κατά μέγεθος, κατά μάζα).
  3. Τα άτομα ενός στοιχείου δεν μετατρέπονται σε άλλου είδους άτομα, ούτε καταστρέφονται, ούτε δημιουργούνται κατά τα χημικά φαινόμενα.
  4. Όταν διαφορετικά άτομα ενώνονται μεταξύ τους, σχηματίζονται χημικές ενώσεις.
  5. Σε κάθε χημική ένωση, το είδος των ατόμων και η μεταξύ τους αναλογία είναι σταθερή.

Dalton's atomic theory – Sciencepedia

Ατομικό πρότυπο Thompson

Το Μάρτιο του 1904 ο Τζ. Τόμσον (Joseph John Thomson) πρότεινε το μοντέλο του σταφιδόψωμου για να περιγράψει τη δομή του ατόμου. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, το άτομο αποτελείται από μια σφαίρα θετικά φορτισμένη μέσα στην οποία κυκλοφορούν τα αρνητικά ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι τόσα στον αριθμό ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν και να εξασφαλίζεται έτσι η ηλεκτρική του ουδετερότητα. Τα ηλεκτρόνια “πλέουν” μέσα σε αυτή τη σφαίρα, σαν τις σταφίδες μέσα σε ένα σταφιδόψωμο και για αυτό το ατομικό μοντέλο αυτό ονομάζεται και μοντέλο του σταφιδόψωμου.

Thomson Atomic Model - Plum pudding model, Postulates, Limitations

Το μοντέλο του σταφιδόψωμου διαψεύσθηκε το 1911 από τον Νεοζηλανδό φυσικό Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) ο οποίος για να το ελέγξει διεξήγαγε το 1909 τα περίφημα πειράματα σκέδασης του. Τα πειράματα αυτά έδειξαν ότι το θετικό φορτίο ήταν συγκεντρωμένο σε ένα μικρό χώρο στο κέντρο του ατόμου, όπου ήταν συγκεντρωμένη και σχεδόν όλη η μάζα του. Επειδή τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από το ατομικό μοντέλο του Τόμσον, το μοντέλο του σταφιδόψωμου εγκαταλείφθηκε γρήγορα.

Ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου - Βικιπαίδεια

Ατομικό Πρότυπο Rutherford

WHAT WAS THE RUTHERFORD'S ATOMIC MODEL? - JustScience | Atom, Modern atomic model, Rutherford model

Το Ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ η πρότυπο είναι ένα μοντέλο του ατόμου που επινόησε ο Έρνεστ Ράδερφορντ. Ο Ράδερφορντ διηύθυνε το περίφημο πείραμα Geiger-Marsden το 1909, το οποίο πρότεινε, σύμφωνα με την ανάλυση του Ράδερφορντ το 1911 ότι το ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου (του J. J. Thomson) ήταν εσφαλμένο. Το νέο μοντέλο του Ράδερφορντ, βασισμένο σε πειραματικά αποτελέσματα, είχε αρκετά σύγχρονα χαρακτηριστικά, ανάμεσα στα οποία περιλαμβάνεται ένα υψηλό κεντρικό φορτίο συγκεντρωμένο σε πολύ μικρό όγκο συγκριτικά με το υπόλοιπο του ατόμου στο οποίο περιέχεται το σώμα της ατομικής μάζας (ο πυρήνας του ατόμου), και ένας αριθμών μικροσκοπικών ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα ως πλανήτες γύρω από τον ήλιο.

 

 

Βίντεο για το πείραμα του Rutherford που αναφέρθηκε παραπάνω:

Ατομικό Πρότυπο Bohr

Το 1913 ο Δανός Φυσικός Νιλς Μπορ (Niels Bohr) για να εξηγήσει τη δομή του ατόμου δέχτηκε το ατομικό πρότυπο του Νεοζηλανδού φυσικού Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford).  Το πρότυπο αυτό ονομάζεται και πλανητικό πρότυπο γιατί μοιάζει στο πλανητικό μας σύστημα με τον πυρήνα να παίρνει τη θέση του ήλιου και τα ηλεκτρόνια τη θέση των πλανητών σε τροχιά γύρω από αυτόν.

Bohr model | Description & Development | Britannica

Ο Μπορ δέχτηκε επίσης ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα υπό την επίδραση των ελκτικών ηλεκτρικών δυνάμεων Κουλόμπ (Coulomb). Για να άρει τις αδυναμίες του ατομικού προτύπου του Ράδερφορντ ο Μπορ έθεσε αξιωματικά δύο προτάσεις που ονομάζονται και συνθήκες του Μπορ.

Ένα βίντεο με τα βασικά στοιχεία του προτύπου του Bohr:

Συνθήκες του Bohr

  • Πρώτη συνθήκη: Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται γύρω από τον πυρήνα μόνο σε ορισμένες κυκλικές τροχιές στις οποίες η ενέργειά τους είναι κβαντισμένη. Οι τροχιές αυτές ονομάζονται επιτρεπτές τροχιές. Οι επιτρεπτές τροχιές έχουν ακτίνα (σύμβολο r) που καθορίζεται από την κβαντική συνθήκη: επιτρεπτές τροχιές είναι οι τροχιές στις οποίες η στροφορμή (σύμβολο L) των ηλεκτρονίων είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του ħ (ħ=h/2π). Με αυτή τη συνθήκη η στροφορμή γίνεται μέγεθος κβαντισμένο αφού μπορεί να πάρει μόνο διακριτές τιμές. (h:Σταθερά του Πλανκ, n:κύριος κβαντικός αριθμός)

Bohr model - Wikipedia

 

  • Δεύτερη συνθήκη: Όταν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται στις επιτρεπτές τροχιές δεν ακτινοβολεί και έτσι η ενέργεια του παραμένει σταθερή. Ένα ηλεκτρόνιο εκπέμπει ακτινοβολία μόνο κατά την μετάβασή του από μία επιτρεπτή τροχιά ψηλότερης ενέργειας σε μια επιτρεπτή τροχιά χαμηλότερης ενέργειας. Η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου (Ε) ισούται τότε με τη διαφορά ενεργειών των δύο επιτρεπτών τροχιών. Κατά τον ίδιο τρόπο ένα ηλεκτρόνιο απορροφά ενέργεια μόνο κατά την μετάβασή του από μια επιτρεπτή τροχιά χαμηλότερης ενέργειας σε μια επιτρεπτή τροχιά ψηλότερης ενέργειας. Για να μπορέσει το ηλεκτρόνιο να κάνει αυτή τη μετάβαση πρέπει να του δοθεί ενέργεια (Ε) ακριβώς ίση με τη διαφορά ενεργειών των δύο τροχιών.

Bohr's model of hydrogen (article) | Khan Academy

Ένα πιο προχωρημένο βίντεο για το ατομικό πρότυπο του Bohr:

Σύγχρονη άποψη κβαντομηχανικής

Το 1926, ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger (1887–1961) χρησιμοποίησε τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου του ηλεκτρονίου για να αναπτύξει και να λύσει μια πολύπλοκη μαθηματική εξίσωση που περιγράφει με ακρίβεια τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου. Το κβαντικό μηχανικό μοντέλο του ατόμου προέρχεται από τη λύση στην εξίσωση του Schrödinger. Η ποσοτικοποίηση των ενεργειών ηλεκτρονίων είναι μια απαίτηση για την επίλυση της εξίσωσης. Αυτό δεν είναι σε αντίθεση με το μοντέλο Bohr, στο οποίο η κβαντοποίηση υποτίθεται απλώς χωρίς μαθηματική βάση.

Θυμηθείτε ότι στο μοντέλο Bohr, η ακριβής διαδρομή του ηλεκτρονίου περιορίστηκε σε πολύ καλά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Το κβαντικό μηχανικό μοντέλο είναι μια ριζική απόκλιση από αυτό. Οι λύσεις στην εξίσωση του Schrödinger, που ονομάζονται λειτουργίες κυμάτων, δίνουν μόνο την πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου σε ένα δεδομένο σημείο γύρω από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε απλές κυκλικές τροχιές.

Erwin Schrödinger's Quantum Mechanical model of the... | Sutori

Η θέση των ηλεκτρονίων στο κβαντικό μηχανικό μοντέλο του ατόμου αναφέρεται συχνά ως σύννεφο ηλεκτρονίων. Το νέφος ηλεκτρονίων μπορεί να εξεταστεί με τον ακόλουθο τρόπο: Φανταστείτε να τοποθετείτε ένα τετράγωνο κομμάτι χαρτί στο πάτωμα με μια τελεία στον κύκλο που αντιπροσωπεύει τον πυρήνα. Τώρα πάρτε έναν μαρκαδόρο και ρίξτε τον στο χαρτί επανειλημμένα, κάνοντας μικρά σημάδια σε κάθε σημείο που χτυπά ο μαρκαδόρος. Εάν ρίξετε το μαρκαδόρο πολλές φορές, το συνολικό μοτίβο κουκκίδων θα είναι περίπου κυκλικό. Αν στοχεύετε αρκετά καλά στο κέντρο, θα υπάρχουν περισσότερες κουκκίδες κοντά στον πυρήνα και προοδευτικά λιγότερες κουκίδες καθώς απομακρύνεστε από αυτόν. Κάθε κουκκίδα αντιπροσωπεύει μια θέση όπου το ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να είναι ανά πάσα στιγμή. Λόγω της αρχής της αβεβαιότητας, δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε ακριβώς πού βρίσκεται το ηλεκτρόνιο. Ένα νέφος ηλεκτρονίων έχει μεταβλητές πυκνότητες: υψηλή πυκνότητα όπου είναι πιθανότερο να είναι το ηλεκτρόνιο και χαμηλή πυκνότητα όπου το ηλεκτρόνιο είναι λιγότερο πιθανό να είναι.

Βίντεο για την εξίσωση του Schrödinger:

 

Πηγές:

https://www.britannica.com/science/atom#ref496526

https://www.greek-language.gr/digitalResources/ancient_greek/history/filosofia/page_029.html

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%86%CF%84%CE%BF%CE%BC%CE%BF

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%84%CE%BF%CE%BC%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CF%80%CF%81%CF%8C%CF%84%CF%85%CF%80%CE%BF_%CF%84%CE%BF%CF%85_%CE%A1%CE%AC%CE%B4%CE%B5%CF%81%CF%86%CE%BF%CF%81%CE%BD%CF%84

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%84%CE%BF%CE%BC%CE%B9%CE%BA%CE%AE_%CE%B8%CE%B5%CF%89%CF%81%CE%AF%CE%B1

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%84%CE%BF%CE%BC%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CE%BC%CE%BF%CE%BD%CF%84%CE%AD%CE%BB%CE%BF_%CF%84%CE%BF%CF%85_%CF%83%CF%84%CE%B1%CF%86%CE%B9%CE%B4%CF%8C%CF%88%CF%89%CE%BC%CE%BF%CF%85

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%91%CF%84%CE%BF%CE%BC%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CF%80%CF%81%CF%8C%CF%84%CF%85%CF%80%CE%BF_%CF%84%CE%BF%CF%85_%CE%9C%CF%80%CE%BF%CF%81

 

Quantum Mechanical Atomic Model

1 Σχόλιο

Τα σχόλια είναι κλειστά.