Budowa atomu

Atom - jest to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego, posiadająca jeszcze własności chemiczne tego pierwiastka. Dzięki doświadczeniom i rozważaniom teoretycznym przyjmuje się, że atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra atomowego oraz krążących wokół niego elektronów o łącznym ładunku ujemnym równym, co do wartości, dodatniemu ładunkowi jądra, co w efekcie daje atom o zerowym ładunku elektrycznym - czyli jest elektrycznie obojętny. W 1911 r. nastąpił swego rodzaju przełom w fizyce oraz chemii, ponieważ tym roku istnienie jądra atomowego zostało udowodnione przez Rutherforda. Przeprowadził on słynne doświadczenie z rozpraszaniem cząstek alfa. Samo jądro nie jest jednorodne, da się je podzielić na neutrony i protony, które razem noszą nazwę nukleonów. Protony oraz neutrony mają prawie identyczną masę (ok. 1 u) jednak różnią się ładunkiem elektrycznym. Tak więc protony są dodatnio naładowane, a neutrony są elektrycznie obojętne. Nieco wcześniej, bo w 1898 r. zostały odkryte elektrony, dokonał tego J. J. Thomson, w doświadczeniu badającym natury promieni emitowanych z ujemnej elektrody w lampie katodowej. W tych badaniach elektrony wydostały się na zewnątrz atomu i biegły prostoliniowo od katody do anody. Na podstawie tego doświadczenia określono masę oraz ładunek. Masa elektronu jest bardzo mała - 0,0005434 u. Wszystkie cząstki w ten sposób zostały odkryte i ustalono wszystkie ich parametry. Jednak został problem dotyczący sposobu, w jaki elektrony poruszają się wokół jądra, a nie spadają na jądro. Rutherford zakładał, że elektrony zachowują się względem jądra jak Ziemia względem Słońca, czyli że nie spadają na jądro dzięki sile dośrodkowej. Może się ta teoria wydawać bardzo prosta, a zarazem słuszna. Niestety tak nie jest, ponieważ takie tłumaczenie ruchu elektronów jest sprzeczne z prawami elektrodynamiki Maxwella. Według tych teorii, cząstka ujemna atomu powinna wysyłać nieprzerwanie promieniowanie elektromagnetyczne, a tym samym zmniejszać swoją prędkość poruszania się i w końcu spaść na jądro. Wiadomo jednak, że tak się nie dzieje. Również fale elektromagnetyczne nie są wysyłane nieprzerwanie. Emisja jest możliwa, tylko po odpowiednim wzbudzeni atomu.

Sprzeczności te usunął Niels Bohr. W 1913 r Sprzeczności te usunął Niels Bohr. W 1913 r. zaproponował on nowy, kwantowy model budowy atomu. Istotę tego modelu stanowią następujące postulaty: 1. Elektrony mogą krążyć wokół jądra jedynie po ściśle określonych orbitach stacjonarnych. 2. Przejście elektronu z niższego poziomu energetycznego na poziom wyższy jest możliwe tylko wtedy, gdy atom pobierze porcję energii. Natomiast przejście ze stanu o energii wyższej do stanu o energii niższej wiąże się z oddaniem energii. Na podstawie tych postulatów, Bohr wyznaczył teoretycznie promień atomu wodoru. Wszystkie obliczenia zgadzały się z wynikami doświadczeń, jednak nie został wyjaśniony bardzo ważny problem, a mianowicie dlaczego teorie mechaniki klasycznej nie można stosować do mikrocząsteczek. Wyjaśnili to 13 lat później - w 1926 r.- Heisenber i Schnödinger. Zaproponowali oni nowy sposób opisu mikroświata, nazywany mechaniką kwantową(    Podstawy mechaniki kwantowej). Model atomu Bohra został zastąpiony nowym, udoskonalonym modlem, w którym elektrony nie mają ściśle określonego położenia dla danego czasu, jest to podane z pewnym prawdopodobieństwem. Mechanika kwantowa, jest wielkim przełomem, gdyż pozwoliła wyjaśnić niezrozumiałe z punktu widzenia mechaniki klasycznej zjawisko dyfrakcji elektronów. Dzięki niej mamy również prawdziwy model atomu.

W dzisiejszych czasach wiadomo już, że nawet tak małe cząstki jak protony, neutrony a nawet elektrony da się jeszcze podzielić na mniejsze - kwarki. Znając budowę atomu, ustalono, że to jądro decyduje o właściwościach fizycznych pierwiastka, natomiast elektrony ustalają właściwości chemiczne i niektóre fizyczne. Jak ustaliliśmy już wcześniej, ładunek elektryczny atomu jest równy zeru, wiedząc że ujemny ładunek elektryczny pojedynczego elektronu jest równy - 1,6 . 1019 C (kulomba), więc łatwo stąd wywnioskować, iż w atomie musi być jednakowa ilości elektronów oraz protonów. Liczba określająca ilość tych cząstek zwana jest liczbą atomową, o symbolu Z. Istnieje jeszcze druga bardzo ważna liczba liczba masowa, o symbolu A. Określa ona liczbę nukleonów (protonów i neutronów), a tym samym masę danego atomu. Z głównej definicji wynika, że dane atomy (o takiej samej ilości nukleonów i elektronów) powinny występować tylko i wyłącznie w jednym pierwiastku i tak jest. Jednak istnieją trzy grupy atomów: 1. Izotopy - atomy tego samego pierwiastka, różniące się miedzy sobą liczbą neutronów w jądrze, a tym samym mające różne liczby masowe. 2. Izotony - występowanie tej samej ilości neutronów w atomach różnych pierwiastków. 3. Izobary - atomy różnych pierwiastków, mające te same liczby masowe. Tak, więc atomy o takich samych liczbach masowych mogą występować w różnych pierwiastkach, jednak nie istnieją pierwiastki mające identyczne atomy. Dzięki tym danym strukturę pierwiastka opisuje się na podstawie jednego atomu, np. wodór można opisać tak: 11H, gdzie w prawym górnym rogu jest zawarta liczba masowa, a w prawym dolnym rogu liczba atomowa. Takie samo oznaczenie stosuje się dla innych atomów, a więc można ustalić wzór ogólny: ZAX, gdzie X- opisywany pierwiastek, A- liczba masowa, Z - liczba atomowa. Mimo tak wielu lat badań nad budową atomu, nie wiadomo dokładnie czy nie da się go jeszcze bardziej rozłożyć niż na kwarki, o których także nie wiemy zbyt dużo.

Wartość liczby masowej (M) jet równa liczbie nukleonów w jądrze.                                                                                   Rys. 9 Model atomu żelaza Liczba atomowa ustala również miejsce pierwiastka w układzie okresowym. Otóż jest ona co do wartości równa liczbie porządkowej. Na przykład; dla wodoru (1H), Z = 1, liczba porządkowa ma wartość 1 a ładunek jądra +1, dla żelaza (26Fe), Z = 26, liczba porządkowa ma wartość 26 a ładunek jądra +26. Jądro składa się z Z protonów i N neutronów. Całkowita liczba protonów i neutronów w jądrze nosi nazwę liczby masowej (M) co zapisujemy równaniem. M = Z + N Wartość liczby masowej (M) jet równa liczbie nukleonów w jądrze.

Otóż okazuje się, że liczba masowa jest liczbą całkowitą, której wartość jest najbardziej zbliżoną do masy atomu wyrażonej w unitach. Przykładem może być atom chloru, którego masa atomu ma wartość 35,45 u. Skąd wynika takie twierdzenie? Proton i neutron mają w przybliżeniu takie same względne masy atomowe, równe 1 u. Wobec tego liczba nukleonów, będzie odpowiadać zaokrąglonej sumie względnych mas protonów i neutronów. Ma to praktyczne znaczenie, ponieważ na podstawie wartości mas atomów podanych w układzie okresowym i wyrażonych w unitach oraz na podstawie wartości liczby atomowej możemy określić skład jądra atomu. Wcześniej podaną wartość masy atomu zaokrąglamy do liczby całkowitej. Sposób określania składu jądra atomu prezentowany jest na rysunku 9. W przykładzie posłużono się atomem chloru, którego masa wynosi 35,45 u. Po zaokrągleniu do liczby całkowitej otrzymamy wartość 35, którą przyjmujemy za wartość liczby masowej. Mając podaną liczbę masową i liczbę atomową możemy obliczyć liczbę neutronów jako różnicę N = M - Z Skład jądra atomu chloru o liczbie masowej równej 35 jest następujący: 17 protonów i 18 neutronów.

Proton pod względem wartości bezwzględnej ma taki sam ładunek elementarny jak elektron, zatem Z jest liczbą ładunkową jądra, która dla elektrycznie obojętnych atomów jest równa liczbie elektronów w powłokach. Liczba protonów (Z) i liczba masowa (M) są wielkościami charakterystycznymi dla określonego typu pierwiastka i są bardzo często podawane w różnego rodzaju tablicach, min. te wartości możemy odczytać z tablicy układu okresowego.                                                                                   Rys. 11 Liczba atomowa i masowa W tablicy układu okresowego wykorzystuje się skrótowe oznaczenia pierwiastka chemicznego (symbole pierwiastka) z dopisanymi wskaźnikami - dolny z lewej strony z podaniem liczby ładunkowej Z, górny - z podaniem liczby masowej M (rys. 11) lub masy atomowej (rys. 12).                                                                                   Rys. 12 Średnia masa atomowa Masa atomowa w odróżnieniu od liczby masowej najczęściej nie jest liczbą całkowitą - zobacz układ okresowy. Często jest ona nazwana średnią masą atomową, a dlaczego tak, dowiesz się w kolejnej partii materiału.

Przykładem jest atom węgla. W kolejnych latach badania nad pierwiastkami wykazały, że wszystkie znane pierwiastki mają dwa lub więcej izotopów. Przykładem jest atom węgla.                                                                                   Rys. 13 Izotopy węgla Wszystkie atomy węgla (C), niezależnie od pochodzenia, mają 6 protonów i 6 elektronów. Ale okazuje się, że atomy węgla mogą mieć dwie wartości liczb masowych, tj. 12 i 14 (rys. 2.11). Z tego wynika, że jądro atomu węgla 12C zawiera 6 protonów i 6 neutronów a jądro atomu węgla 14C posiada 6 protonów (liczba atomowa) i 8 neutronów (8=14-6). Te izotopy znane są jako "węgiel-14" i "wegiel-12". Z ogólnej ilości izotopów węgla - węgla-12 jest najwięcej (ok.99%). Większość naturalnych pierwiastków zawiera mieszaninę różnych izotopów. Najwięcej typów trwałych izotopów zawiera cyna - bo aż 10 rodzajów. Pierwiastków czystych składających się z jąder (izotopów) tylko jednego rodzaju jest 22 tj. Be, F, Na, Al., P, Sc, V, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Tl, Au, Bi. To że pierwiastki naturalne są mieszaniną różnych izotopów ma wpływ na wyznaczoną doświadczalnie wartość rzeczywistej masy atomu. W tym przypadku o rzeczywistej wartości masy atomu decyduje zawartość procentowa poszczególnych izotopów. Tak wyznaczona masa atomowa nosi nazwę średniej masy atomowej (rys.11). Przykład Naturalny chlor składa się z mieszaniny dwóch izotopów, oznaczonych odpowiednio jako chlor 35 i chlor 37. W mieszaninie zawartość procentowa poszczególnych izotopów wynosi; chlor 35 o masie atomowej 34,968 u - 75,53 %, chlor 37 o masie atomowej 36,956 u - 24,47 %. Oblicz masę atomową naturalnego chloru ? Rozwiązanie 10000 dowolnie wybranych atomów chloru będzie zawierało. 7553 atomy (o masie 34,968 u), co daje masę = 264100 u 2447 atomów (o masie 36,956 u), co daje masę = 90430 u Suma mas daje wartość = 354530 u Stąd średnia masa atomowa wynosi 354530/10000 = 35,45 u.

W przykładzie masy atomów izotopów chloru-35 (34,968 u) i chloru-37 (36,956 u) nie są tymi samymi masami jakie otrzymamy z sumowania wartości mas poszczególnych składników jądra, tj. protonów i neutronów. Na przykład sumując masy protonów i neutronów dla izotopu chlor-35 otrzymamy wartość - 35,2798 u. Jest to wartość większa od podanej w przykładzie dla izotopu chlor-35, która wynosi 34,968 u. Dlaczego występuje różnica i skąd ona bierze się uzyskasz odpowiedź w następnym rozdziale. Wartości średnich mas atomowych wyznaczono dla wszystkich pierwiastków i są dostępne w różnego rodzaju tablicach. Izotopy tego samego pierwiastka mają bardzo zbliżone właściwości chemiczne, ponieważ o właściwościach chemicznych atomu decyduje liczba elektronów oraz energia oddziaływań. Inne pojęcia związane z liczbą masową i liczbą atomową Często używane jest słowo nuklid. Oznacza ono zbiór atomów o tej samej wartości liczby atomowej i masowej. Nuklidy oznacza się symbolem pierwiastka i liczbą masową A. Dodatkowo można podać liczbę atomową Z. węgiel 612C: jest nuklidem zawierającym 6 protonów i 6 neutronów Jądra o tej samej liczbie masowej nazywa się izobarami, np. jądro H-3 i He-3. Natomiast jądra o takim samym składzie a różniące się tylko energią nazywa się izomerami. Izomer jądrowy różni się od jądra w zwykłym stanie nie składem jądra, lecz jego strukturą co oznaczamy przez dodanie litery m przy liczbie masowej. Na przykład ; 115mJn, oznacza izomer jądra 115Jn.

pokaz slajdów przygotowała : Agnieszka Gołębiowska Liceum Ogólnokształcące im.A. i J. Vetterów Klasa II dl nauczyciel chemii:prof.Elżbieta Wójcik