Atomul si structura lui
Structura atomului
Particula care nu poate fi descompusa in urma reactiilor chmice .Atomii sunt formatii din nucleu atomic si invelis electronic.In atomul neutru din punct de vedere electric numarul electronilor ( cu sarcina electrica negativa ) din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor ( cu sarcina electrica ) din nucleul atomic.Atomi sunt reprezentati prin modele atomice.In limba greaca veche, cuvantul atom era folosit pentru a descrie cea mai mica parte dintr-o substanta. Aceasta “particula fundamentala", asa cum este denumit astazi atomul, era considerata indestructibila; de fapt, cuvantul grecesc atom inseamna indivizibil.Cunostintele despre marimea si natura atomului s-au imbogatit de-a lungul timpului, insa la inceputuri oamenii nu puteau decat sa speculeze aceste cunostinte.
Odata cu aparitia cercetarii stiintifice experimentale( in sec. XVI-XVII e.n.), procesul de cunoastere a teoriei atomice a progresat rapid.
Chimistii au recunoscut atunci ca toate substantele, indiferent de starea de agregare, pot fi analizate pana la cele mai mici componente elementare. De exemplu, s-a descoperit ca sarea este compusa din doua elemente distincte, sodiu si clor, care combinate formeaza un compus chimic. S-a descoperit de asemenea ca aerul este un amestec de azot si oxigen. Apa este simbolizata de formula H2O, ceea ce inseamna ca fiecarui atom de oxigen ii corespund doi atomi de hidrogen.
Masa atomica
Determinarea 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.
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 obtina raspunsuri satisfacatoare. 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 de 1x10-8 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.
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.
Savantii francezi Marie Curie si sotul Pierre Curie au contribuit la intelegerea profunda a substantelor radioactive.
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.
În anul 1803, fizicianul si chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomica proprie care explica Legea proportiilor multiple, afirmand ca din moment ce substantele se combina numai in proportii integrale, atomii trebuie sa existe la baza materiei. Scurt istoric al teoriei atomice si descoperirea structurii atomice Meditatiile filozofice atomiste dateaza inca de pe vremea vechilor ganditori greci si indieni ai secolelor al VI-lea si al V-lea i.d.Hr.
Prima formulare filozofica a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltata de Democrit in Grecia secolului al VI-lea i.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, pana la reaprinderea interesului stiintific din epoca Renasterii.
În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut sa cunoasca de ce se sparg substantele in constituenti proportionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, si vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit si tub Crookes) si a fost primul care a observat particule incarcate negativ intr-un astfel de tub.
Aproape de trecerea catre secolul al XX-lea, J.J. Thomson, in urma cercetarilor sale privind razele catodice, a descoperit ca atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind partial compusi din particule foarte usoare incarcate negativ (dovedite a avea proprietati identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai tarziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, in care electronii sunt inclusi intr-o bila cu sarcina pozitiva precum "stafidele intr-un cozonac".
În 1911, Ernest Rutherford a descoperit ca electronii orbiteaza un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit ca hidrogenul poseda cel mai usor nucleu, pe care l-a numit proton (in limba greaca, προτου inseamna "primul"). Pentru a explica de ce electronii "nu cad, in spirala, pe nucleu", Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului in care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot sa parcurga decat orbite circulare fixate.
Dupa descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbita circulara a fost inlocuit cu cel de "nor", in interiorul caruia distributia electronilor a fost descrisa prin ecuatii probabilistice. În sfarsit, dupa descoperirea in anul 1932 a neutronului, particula neutra din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decat hidrogenul s-au gasit a fi formate din protoni si neutroni, aceste ultime rezultate completand conceptia moderna despre structura atomica. Protonul si neutronul se mai numesc si nucleoni.
MODELUL SFERIC
Conform acestui model, atomilor le revin urmatoarele proprietati: atomii au forma sferica, atomii sunt complet elastici (la o ciocnire cu alti atomi energia lor cinetica nu se transforma in alte forme de energie) si atomii aceluiasi fel de substanta au aceeasi marime si aceeasi masa. Atomii au fost deci imaginati ca mici particule sferice in care masa este distribuita omogen. Reprezentarea atomului caracteri-zata prin cele 3 proprietati enumerate se numeste modelul sferic al atomului.
MODELUL ATOMIC THOMSON.
În anul 1904 J.J. Thomson (1856-1940) a dezvoltat un model conform caruia atomul consta dintr-o masa incarcata pozitiv si distribuita omogen sub forma de sfera. În aceasta masa sunt incorporate in unele locuri sfere mult mai mici, cu sarcina negativa – electronii. Numarul lor este atat de mare incat sarcina lor negativa totala este egala cu sarcina pozitiva a restului atomului. De aceea, in exterior atomul este neutru din punct de vedere electric. Cand se separa un electron, restul atomului ramane pozitiv. Cu ajutorul acestui model atomic, se explica de ce la condictia electrica in metale participa electronii si nu atomii reziduali.
MODELUL ATOMIC RUTHERFORD
O extindere a modelului lui Thomson a fost intreprinsa in 1911 de catre Rutherford (1871-1937). Bazandu-se pe experientele lui H. Hertz, Lenard, Geiger, Rutherford a elaborat un model atomic nou care are urmatoarele proprietati: aproape toata masa atomului este concentrata in interior intr-un volum mic, nucleul atomic. Acest nucleu atomic are un diametru de 10-14 - 10-15 fata de diametrul de 10-9 - 10-10 m al intregului atom; nucleul este incarcat pozitiv. El este inconjurat de un invelis de electroni care fac ca, fata de exterior, atomul sa fie neutru din punct de vedere electric; electronii sunt retinuti de nucleu prin forte electrostatice. O miscare circulara in invelis impiedica electronii sa cada pe nucleu.
Atractia electrostatica actioneaza ca forta centripeta. Rutherford a calculat traiectorii hiperbolice pentru cazul unei particule in campul unui nucleu atomic. El a obtinut o ecuatie care descrie imprastierea unui fascicul paralel de raze α la trecerea printr-o foita metalica de aur. Cu ajutorul acestei ecuatii s-a demonstrat ca numarul de ordine care ii revine unui element chimic in sistemul periodic este egal cu numarul de sarcina Z al nucleului sau. Prin reprezentarea atomului data de Rutherford s-a introdus pentru prima data notiunea de nucleu atomic. El primeste Premiul Nobel pentru chimie in 1908.
Datele experimentale privind structura complexa a atomului au fost cele legate de: descoperirea electronului, descoperirea nucleului, a nivelelor energetice. Existenta si miscarea electronilor in atomi s-a explicat prin mai multe teorii, dar multe sunt depasite sau sunt de domeniul istoric. Teoria care a reusit sa explice in cea mai mare parte comportarea electronului in atom si toate propritatile substantelor se bazeaza pe calculul mecano-cuantic asupra invelisului de electroni.
Modele Atomice. Masa atomica
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.
Sistemul periodic al elementelor
La mijlocul secolului XIX, cativa chimisti considerau ca similitudinile dintre proprietatile chimice ale mai multor elemente, implicau o regularitate care putea fi demonstrata prin ordonarea elementelor intr-o forma tabelara sau periodica. Chimistul rus Dimitri Mendeleev a propus o harta a elementelor, numita “tabel periodic", in care elementele sunt aranjate in randuri si coloane, astfel incat, elementele cu proprietati chimice asemanatoare sa fie grupate. Potrivit acestui aranjament, fiecare element a primit un numar (numar atomic) ponind de la 1, pentru hidrogen, pana la 92, pentru uraniu. Deoarece in acea perioada, nu erau cunoscute toate elementele chimice, au fost lasate spatii necompletate, fiecare corespunzand unui element necunoscut. Cu ajutorul acestui tabel, cercetarile ulterioare au dus la descoperirea elementelor lipsa.
Atomul este cea mai mica particula a unui element chimic. Diametrul atomului este cuprins, aproximativ intre 0,8 Е pentru elementele usoare si 3 Е pentru elemnetele grele. In contrast cu vechea lor reprezentare, atomii au o structura complexa, careia i se datoreaza varietatea proprietatilor fizice si chimice. In antichitate atomul a fost reprezentat de ganditori materialisti, ca Leucip, Democrit, Epicur si Aristotel. Conform teoriei lui Aristotel: " orice corp poate fi divizat in particele oricat de mici fara ca prin aceasta sa i se altereze substanta. Nu se poate arata o parte atat de mica dintr-o marime, incat din ea sa nu mai putem obtine, prin diviziune, una si mai mica ".
De-a lungul evolutiei cunostintelor acumulate si a tehnicii aflate la dispozitia omului s-au creat mai multe modele a ceea ce se credea a fi modelul perfect al atomului.
TEORIA CUANTELOR
Max Planck - stabileste ca un corp fierbinte nu poate sa emita sau sa absoarba lumina de o anumita lungime de unde in cantitati arbitrare, ci poate sa emita sau sa absoarba o anumita cuanta (cantitate) de energie luminoasa de o unda data. Emiterea sau absorbtia de energie de catre substante se face pe baza schimbului energetic suferit de electronii din atomi. Deoarece substantele nu pot absorbi sau emite decat anumite cantitati de energie, inseamna ca electronul cand exista in atom nu poate avea decat anumite energii. De aici reiese un adevar foarte important: in spatiul atomic electronul are energia cuantificata. Absorbtia de energie radianta consta in trecerea electronului de la un nivel energetic inferior la unul superior. Emisia este datorata unei treceri inverse. Cantitatea de energie luminoasa W, de lungime de unda ? absorbita sau emisa intr-un singur act nu este o cantitate constanta (ca de exemplu sarcina electronului), ci valoarea ei este proportionala cu frecventa ? a radiatiei absorbite sau emise:
? = C / ? ; W = h · ? , unde h este constanta universala , numita constanta lui Planck, are dimensiunile unei actiuni [energie] Ч [timp] = 6,6256 · 10-34 j.s. (±0,0005 · 10-34 j.s.). In afara atomului electronul poate avea toata gama de energii posibile. Energia electronului in afara atomului este necuantificata.
TEORIA ONDULATORIE
- In mecanica cuantica, retinandu-se la descrierea clasica a unui mobil prin pozitia si viteza sa, se afirma ca tot ce se poate sti despre O intrucat azotul din camera nu continea H, protonul trebuia sa fi fost eliberat in locul de bifurcare. Aceasta l-a dus pe Rutherford la interpretarea corecta a proceselor. In locul de bifurcare, particula a, a patruns intr-un nucleu de azot. A avut loc o reactie nucleara, nucleul de azot preluand particula a si cedand an schimb un proton. Conform legii conservarii sarcinii, sarcina nucleului nou format trebuie sa fie cu o unitate elementara mai mare, particula an miscare se reduce la cunoasterea unei functii matematice complexe ? de cele trei coordonate si timp: ? (x, y, z, t), denumita functie de unda a particulei.
Louis de Broglie (1924), pornind de la dualitatea unda - corpuscul sub care apare lumina, si-a propus sa studieze daca aceasta dualitate nu se manifesta si la particule ca: electroni sau atomi.
Fotonul ca particula poseda o masa.
m = h· ? /c2
Lungimea de unda a radiatiei luminoase se exprima cu ajutorul relatiei:
? = c / ?
Dezintegrarea radioactiva naturala demonstra ca nucleele atomice nu sunt indivizibile. De la aceasta descoperire incoace, telul cercetarii era de a gasi cai si mijloace pentru a modifica compozitia nucleelor atomice prin interventii. Prima transformare nucleara artificiala i-a reusit lui Rutherford in anul 1919. Iradiand intr-o camera Wilson azot cu particule a emise de Ra - C , astfel obtinand fotografia primului nucleu modificat prin transmutatie nucleara. Rezultatul izbitor reprezentat in fotografie este urma unei particule a care se bifurca intr-o urma scurta groasa si una mai lunga si subtire. In interpretarea acestei observatii, Rutherford a pornit de la urma lunga si subtire, judecand dupa puterea ei de ionizare, acesta nu a putut fi produsa decat de un proton, adica un nucleu de hidrogen. O reactie nucleara este declansata prin patrunderea unui proiectil nuclear in nucleul atomic. Proiectilele nucleare uzuale sunt particulele a He, protonul, deuteronul, neutronul si cuanta ?. Nucleul intermediar instabil se transforma din nou dupa un timp foarte scurt.
Doua tipuri de reactie importante sunt:
a) reactia de captura: particula bombardanta ramane in nucleu. Nucleul puternic excitat nu-i mai da drumul ci trece in starea sa fundamentala prin emisie de radiatie ?.
b) reactia de schimb: particula bombardanta ramane in nucleu iar in locul ei se emite alta. Emisia noii particule este insotita adesea de radiatie ?.
In urma dezintegrarii Я creste sau scade numarul atomic dupa cum atomul emite un electron sau un pozitron. Tranzitia izometrica in urma careia se modifica numai energia interna a nucleului si fisiunea spontana in urma careia nucleele grele se sparg in doua sau mai multe fragmente cu mase aproximativ egale si se emit cativa neutroni. Prin aceasta se produce o degajare de energie care face ca temperatura unui preparat radioactiv sa fie mai mare decat cea a mediului ambiant. Radioactivitatea este un fenomen specific nuclear, nefiind influentat de conditiile exterioare ca: temperatura, presiune, campuri electrice sau magnetice, stare de agregare. In medie viteza de dezintegrare este proportionala cu numarul de nuclee existente in acel moment, ceea ce inseamna ca numarul mediu de nuclee radioactive descreste dupa o lege exponentiala. Prin bombardarea nucleelor atomice ale unor elemente cu anumite particule pot fi obtinuti izotopi radioactivi ce nu se gasesc in natura. Radiatiile emise de elementele radioactive produc numeroase efecte cum ar fi: impresionarea placilor fotografice, ionizarea gazelor, provocarea luminiscentei unor substante, amorsarea sau accelerarea unor reactii chimice, distrugerea celulelor vii, sau a microorganismelor. Radioactivitatea are utilizari in cele mai diverse domenii (agricultura, industrie, medicina) utilizari care se bazeaza fie pe efectele produse de radiatii asupra substantei, fie pe identificarea substantei radioactive. Intre aplicatiile mai importante sunt: analiza radiochimica, defectoscopia nedistructiva, tehnica reglajului automat, determinarea varstei absolute a formatiunilor geologice, tratarea unor boli, producerea energiei termice si electrice in centralele nucleare.
Particula care nu poate fi descompusa in urma reactiilor chmice .Atomii sunt formatii din nucleu atomic si invelis electronic.In atomul neutru din punct de vedere electric numarul electronilor ( cu sarcina electrica negativa ) din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor ( cu sarcina electrica ) din nucleul atomic.Atomi sunt reprezentati prin modele atomice.In limba greaca veche, cuvantul atom era folosit pentru a descrie cea mai mica parte dintr-o substanta. Aceasta “particula fundamentala", asa cum este denumit astazi atomul, era considerata indestructibila; de fapt, cuvantul grecesc atom inseamna indivizibil.Cunostintele despre marimea si natura atomului s-au imbogatit de-a lungul timpului, insa la inceputuri oamenii nu puteau decat sa speculeze aceste cunostinte.
Odata cu aparitia cercetarii stiintifice experimentale( in sec. XVI-XVII e.n.), procesul de cunoastere a teoriei atomice a progresat rapid.
Chimistii au recunoscut atunci ca toate substantele, indiferent de starea de agregare, pot fi analizate pana la cele mai mici componente elementare. De exemplu, s-a descoperit ca sarea este compusa din doua elemente distincte, sodiu si clor, care combinate formeaza un compus chimic. S-a descoperit de asemenea ca aerul este un amestec de azot si oxigen. Apa este simbolizata de formula H2O, ceea ce inseamna ca fiecarui atom de oxigen ii corespund doi atomi de hidrogen.
Masa atomica
Determinarea 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.
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 obtina raspunsuri satisfacatoare. 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 de 1x10-8 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.
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.
Savantii francezi Marie Curie si sotul Pierre Curie au contribuit la intelegerea profunda a substantelor radioactive.
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.
În anul 1803, fizicianul si chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomica proprie care explica Legea proportiilor multiple, afirmand ca din moment ce substantele se combina numai in proportii integrale, atomii trebuie sa existe la baza materiei. Scurt istoric al teoriei atomice si descoperirea structurii atomice Meditatiile filozofice atomiste dateaza inca de pe vremea vechilor ganditori greci si indieni ai secolelor al VI-lea si al V-lea i.d.Hr.
Prima formulare filozofica a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltata de Democrit in Grecia secolului al VI-lea i.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, pana la reaprinderea interesului stiintific din epoca Renasterii.
În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut sa cunoasca de ce se sparg substantele in constituenti proportionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, si vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit si tub Crookes) si a fost primul care a observat particule incarcate negativ intr-un astfel de tub.
Aproape de trecerea catre secolul al XX-lea, J.J. Thomson, in urma cercetarilor sale privind razele catodice, a descoperit ca atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind partial compusi din particule foarte usoare incarcate negativ (dovedite a avea proprietati identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai tarziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, in care electronii sunt inclusi intr-o bila cu sarcina pozitiva precum "stafidele intr-un cozonac".
În 1911, Ernest Rutherford a descoperit ca electronii orbiteaza un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit ca hidrogenul poseda cel mai usor nucleu, pe care l-a numit proton (in limba greaca, προτου inseamna "primul"). Pentru a explica de ce electronii "nu cad, in spirala, pe nucleu", Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului in care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot sa parcurga decat orbite circulare fixate.
Dupa descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbita circulara a fost inlocuit cu cel de "nor", in interiorul caruia distributia electronilor a fost descrisa prin ecuatii probabilistice. În sfarsit, dupa descoperirea in anul 1932 a neutronului, particula neutra din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decat hidrogenul s-au gasit a fi formate din protoni si neutroni, aceste ultime rezultate completand conceptia moderna despre structura atomica. Protonul si neutronul se mai numesc si nucleoni.
MODELUL SFERIC
Conform acestui model, atomilor le revin urmatoarele proprietati: atomii au forma sferica, atomii sunt complet elastici (la o ciocnire cu alti atomi energia lor cinetica nu se transforma in alte forme de energie) si atomii aceluiasi fel de substanta au aceeasi marime si aceeasi masa. Atomii au fost deci imaginati ca mici particule sferice in care masa este distribuita omogen. Reprezentarea atomului caracteri-zata prin cele 3 proprietati enumerate se numeste modelul sferic al atomului.
MODELUL ATOMIC THOMSON.
În anul 1904 J.J. Thomson (1856-1940) a dezvoltat un model conform caruia atomul consta dintr-o masa incarcata pozitiv si distribuita omogen sub forma de sfera. În aceasta masa sunt incorporate in unele locuri sfere mult mai mici, cu sarcina negativa – electronii. Numarul lor este atat de mare incat sarcina lor negativa totala este egala cu sarcina pozitiva a restului atomului. De aceea, in exterior atomul este neutru din punct de vedere electric. Cand se separa un electron, restul atomului ramane pozitiv. Cu ajutorul acestui model atomic, se explica de ce la condictia electrica in metale participa electronii si nu atomii reziduali.
MODELUL ATOMIC RUTHERFORD
O extindere a modelului lui Thomson a fost intreprinsa in 1911 de catre Rutherford (1871-1937). Bazandu-se pe experientele lui H. Hertz, Lenard, Geiger, Rutherford a elaborat un model atomic nou care are urmatoarele proprietati: aproape toata masa atomului este concentrata in interior intr-un volum mic, nucleul atomic. Acest nucleu atomic are un diametru de 10-14 - 10-15 fata de diametrul de 10-9 - 10-10 m al intregului atom; nucleul este incarcat pozitiv. El este inconjurat de un invelis de electroni care fac ca, fata de exterior, atomul sa fie neutru din punct de vedere electric; electronii sunt retinuti de nucleu prin forte electrostatice. O miscare circulara in invelis impiedica electronii sa cada pe nucleu.
Atractia electrostatica actioneaza ca forta centripeta. Rutherford a calculat traiectorii hiperbolice pentru cazul unei particule in campul unui nucleu atomic. El a obtinut o ecuatie care descrie imprastierea unui fascicul paralel de raze α la trecerea printr-o foita metalica de aur. Cu ajutorul acestei ecuatii s-a demonstrat ca numarul de ordine care ii revine unui element chimic in sistemul periodic este egal cu numarul de sarcina Z al nucleului sau. Prin reprezentarea atomului data de Rutherford s-a introdus pentru prima data notiunea de nucleu atomic. El primeste Premiul Nobel pentru chimie in 1908.
Datele experimentale privind structura complexa a atomului au fost cele legate de: descoperirea electronului, descoperirea nucleului, a nivelelor energetice. Existenta si miscarea electronilor in atomi s-a explicat prin mai multe teorii, dar multe sunt depasite sau sunt de domeniul istoric. Teoria care a reusit sa explice in cea mai mare parte comportarea electronului in atom si toate propritatile substantelor se bazeaza pe calculul mecano-cuantic asupra invelisului de electroni.
Modele Atomice. Masa atomica
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.
Sistemul periodic al elementelor
La mijlocul secolului XIX, cativa chimisti considerau ca similitudinile dintre proprietatile chimice ale mai multor elemente, implicau o regularitate care putea fi demonstrata prin ordonarea elementelor intr-o forma tabelara sau periodica. Chimistul rus Dimitri Mendeleev a propus o harta a elementelor, numita “tabel periodic", in care elementele sunt aranjate in randuri si coloane, astfel incat, elementele cu proprietati chimice asemanatoare sa fie grupate. Potrivit acestui aranjament, fiecare element a primit un numar (numar atomic) ponind de la 1, pentru hidrogen, pana la 92, pentru uraniu. Deoarece in acea perioada, nu erau cunoscute toate elementele chimice, au fost lasate spatii necompletate, fiecare corespunzand unui element necunoscut. Cu ajutorul acestui tabel, cercetarile ulterioare au dus la descoperirea elementelor lipsa.
Atomul este cea mai mica particula a unui element chimic. Diametrul atomului este cuprins, aproximativ intre 0,8 Е pentru elementele usoare si 3 Е pentru elemnetele grele. In contrast cu vechea lor reprezentare, atomii au o structura complexa, careia i se datoreaza varietatea proprietatilor fizice si chimice. In antichitate atomul a fost reprezentat de ganditori materialisti, ca Leucip, Democrit, Epicur si Aristotel. Conform teoriei lui Aristotel: " orice corp poate fi divizat in particele oricat de mici fara ca prin aceasta sa i se altereze substanta. Nu se poate arata o parte atat de mica dintr-o marime, incat din ea sa nu mai putem obtine, prin diviziune, una si mai mica ".
De-a lungul evolutiei cunostintelor acumulate si a tehnicii aflate la dispozitia omului s-au creat mai multe modele a ceea ce se credea a fi modelul perfect al atomului.
TEORIA CUANTELOR
Max Planck - stabileste ca un corp fierbinte nu poate sa emita sau sa absoarba lumina de o anumita lungime de unde in cantitati arbitrare, ci poate sa emita sau sa absoarba o anumita cuanta (cantitate) de energie luminoasa de o unda data. Emiterea sau absorbtia de energie de catre substante se face pe baza schimbului energetic suferit de electronii din atomi. Deoarece substantele nu pot absorbi sau emite decat anumite cantitati de energie, inseamna ca electronul cand exista in atom nu poate avea decat anumite energii. De aici reiese un adevar foarte important: in spatiul atomic electronul are energia cuantificata. Absorbtia de energie radianta consta in trecerea electronului de la un nivel energetic inferior la unul superior. Emisia este datorata unei treceri inverse. Cantitatea de energie luminoasa W, de lungime de unda ? absorbita sau emisa intr-un singur act nu este o cantitate constanta (ca de exemplu sarcina electronului), ci valoarea ei este proportionala cu frecventa ? a radiatiei absorbite sau emise:
? = C / ? ; W = h · ? , unde h este constanta universala , numita constanta lui Planck, are dimensiunile unei actiuni [energie] Ч [timp] = 6,6256 · 10-34 j.s. (±0,0005 · 10-34 j.s.). In afara atomului electronul poate avea toata gama de energii posibile. Energia electronului in afara atomului este necuantificata.
TEORIA ONDULATORIE
- In mecanica cuantica, retinandu-se la descrierea clasica a unui mobil prin pozitia si viteza sa, se afirma ca tot ce se poate sti despre O intrucat azotul din camera nu continea H, protonul trebuia sa fi fost eliberat in locul de bifurcare. Aceasta l-a dus pe Rutherford la interpretarea corecta a proceselor. In locul de bifurcare, particula a, a patruns intr-un nucleu de azot. A avut loc o reactie nucleara, nucleul de azot preluand particula a si cedand an schimb un proton. Conform legii conservarii sarcinii, sarcina nucleului nou format trebuie sa fie cu o unitate elementara mai mare, particula an miscare se reduce la cunoasterea unei functii matematice complexe ? de cele trei coordonate si timp: ? (x, y, z, t), denumita functie de unda a particulei.
Louis de Broglie (1924), pornind de la dualitatea unda - corpuscul sub care apare lumina, si-a propus sa studieze daca aceasta dualitate nu se manifesta si la particule ca: electroni sau atomi.
Fotonul ca particula poseda o masa.
m = h· ? /c2
Lungimea de unda a radiatiei luminoase se exprima cu ajutorul relatiei:
? = c / ?
Dezintegrarea radioactiva naturala demonstra ca nucleele atomice nu sunt indivizibile. De la aceasta descoperire incoace, telul cercetarii era de a gasi cai si mijloace pentru a modifica compozitia nucleelor atomice prin interventii. Prima transformare nucleara artificiala i-a reusit lui Rutherford in anul 1919. Iradiand intr-o camera Wilson azot cu particule a emise de Ra - C , astfel obtinand fotografia primului nucleu modificat prin transmutatie nucleara. Rezultatul izbitor reprezentat in fotografie este urma unei particule a care se bifurca intr-o urma scurta groasa si una mai lunga si subtire. In interpretarea acestei observatii, Rutherford a pornit de la urma lunga si subtire, judecand dupa puterea ei de ionizare, acesta nu a putut fi produsa decat de un proton, adica un nucleu de hidrogen. O reactie nucleara este declansata prin patrunderea unui proiectil nuclear in nucleul atomic. Proiectilele nucleare uzuale sunt particulele a He, protonul, deuteronul, neutronul si cuanta ?. Nucleul intermediar instabil se transforma din nou dupa un timp foarte scurt.
Doua tipuri de reactie importante sunt:
a) reactia de captura: particula bombardanta ramane in nucleu. Nucleul puternic excitat nu-i mai da drumul ci trece in starea sa fundamentala prin emisie de radiatie ?.
b) reactia de schimb: particula bombardanta ramane in nucleu iar in locul ei se emite alta. Emisia noii particule este insotita adesea de radiatie ?.
In urma dezintegrarii Я creste sau scade numarul atomic dupa cum atomul emite un electron sau un pozitron. Tranzitia izometrica in urma careia se modifica numai energia interna a nucleului si fisiunea spontana in urma careia nucleele grele se sparg in doua sau mai multe fragmente cu mase aproximativ egale si se emit cativa neutroni. Prin aceasta se produce o degajare de energie care face ca temperatura unui preparat radioactiv sa fie mai mare decat cea a mediului ambiant. Radioactivitatea este un fenomen specific nuclear, nefiind influentat de conditiile exterioare ca: temperatura, presiune, campuri electrice sau magnetice, stare de agregare. In medie viteza de dezintegrare este proportionala cu numarul de nuclee existente in acel moment, ceea ce inseamna ca numarul mediu de nuclee radioactive descreste dupa o lege exponentiala. Prin bombardarea nucleelor atomice ale unor elemente cu anumite particule pot fi obtinuti izotopi radioactivi ce nu se gasesc in natura. Radiatiile emise de elementele radioactive produc numeroase efecte cum ar fi: impresionarea placilor fotografice, ionizarea gazelor, provocarea luminiscentei unor substante, amorsarea sau accelerarea unor reactii chimice, distrugerea celulelor vii, sau a microorganismelor. Radioactivitatea are utilizari in cele mai diverse domenii (agricultura, industrie, medicina) utilizari care se bazeaza fie pe efectele produse de radiatii asupra substantei, fie pe identificarea substantei radioactive. Intre aplicatiile mai importante sunt: analiza radiochimica, defectoscopia nedistructiva, tehnica reglajului automat, determinarea varstei absolute a formatiunilor geologice, tratarea unor boli, producerea energiei termice si electrice in centralele nucleare.
0 comments: