Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, z czego są zrobione rzeczy wokół ciebie? Po prostu powiedz, że patrzysz na stół, możesz nazwać stół wykonany z drewna. Nawet jeśli spojrzysz w lustro, powiesz, że jest zrobione ze szkła. Zasadniczo te dwa materiały mają różne właściwości, ale czy wiesz, że oba składają się z tej samej materii? Nazywa się atom.
Atomy to najmniejsze cząsteczki pierwiastka biorące udział w reakcjach chemicznych. Ich bardzo mały rozmiar sprawia, że nie można ich zobaczyć nawet przy użyciu najsilniejszych mikroskopów świetlnych. Spośród nich najmniejszym jest atom wodoru.
Modele atomów
Naukowcy badali te najmniejsze cząsteczki od wieków, ale nie byli w stanie odgadnąć, czym one są. Dopiero w 1808 roku Dalton opublikował swoją teorię dotyczącą budowy atomu. Od tego czasu modele atomowe ewoluowały wraz z najnowszymi odkryciami. Tym razem omówimy różne modele atomów zaproponowane przez naukowców.
Teoria Daltona
John Dalton to brytyjski chemik, fizyk i meteorolog, który jako pierwszy opublikował badania nad istnieniem atomów. Dalton wyjaśnił, że materia składa się z niepodzielnych cząstek zwanych atomami.
Niestety dalsze badania dowiodły, że same atomy są podzielne i składają się z cząstek subatomowych. Cząstki subatomowe składają się z elektronów, protonów i neutronów. Od tego czasu naukowcy próbowali zaproponować różne modele, biorąc pod uwagę położenie tych cząstek subatomowych, w tym J. J. Thomsona i Rutherforda.
Model atomowy pokazuje strukturę atomową i rozmieszczenie cząstek subatomowych w atomie. Odkrycie protonów i elektronów doprowadziło naukowców do argumentu, że atomy składają się z protonów i elektronów, które równoważą ich ładunki. Okazało się, że protony znajdowały się wewnątrz atomu, podczas gdy elektrony znajdowały się na zewnątrz i łatwo się odłączały.
Istnieją 4 modele atomowe zaproponowane przez naukowców, a mianowicie model zaproponowany przez Thomsona, Rutherforda, Bohra oraz model mechaniki kwantowej.
Model atomu Thomsona
Joseph John Thomson był brytyjskim fizykiem, laureatem Nagrody Nobla, który jako pierwszy zaproponował model atomowy. W rzeczywistości opublikował je przed odkryciem protonu i jądra atomowego. W swojej teorii Thomson uważał atomy za model rodzynkowy lub pudding śliwkowy, ponieważ elektrony w dodatnio naładowanej kuli wyglądały jak suszone owoce w świątecznym puddingu.
(Przeczytaj także: Poznaj warstwy Ziemi na podstawie ich warstw i składu chemicznego)
Model ten zakłada, że atom składa się z dodatnio naładowanej kuli z osadzonymi w niej elektronami. Atom może mieć ładunek neutralny, ponieważ ma te same ładunki ujemne i dodatnie.
Model atomu jądrowego Rutherforda
Ernest Rutherford to urodzony w Nowej Zelandii fizyk i chemik mieszkający w Anglii. Zaproponował model atomowy po przeprowadzeniu eksperymentu znanego jako eksperyment rozpraszania Rutherforda. On i dwóch jego uczniów przeprowadzili eksperymenty z rozpraszaniem promieni alfa na cienkiej złotej płytce.
Rutherford uważał, że ogólny dodatni ładunek atomu jest skoncentrowany w bardzo małym obszarze znanym jako jądro. Elektrony obracają się wokół jądra atomowego z dużą prędkością po kołowych torach zwanych orbitami. Przyciąganie elektrostatyczne między jądrem a elektronami utrzymuje elektrony na ich trajektorii.
Model Rutherforda ujawnił również, że liczba protonów jest równa liczbie elektronów i jest znana jako liczba atomowa. Tymczasem, jeśli liczba protonów i liczba neutronów są połączone, wartość jest taka sama, jak liczba mas atomowych.
Niestety model atomu Rutherforda nie był w stanie wyjaśnić stabilności atomu. Zgodnie z teorią elektromagnetyczną naładowane cząstki tracą energię podczas przyspieszania. Utrata energii może spowolnić prędkość elektronów i ostatecznie elektrony zostaną przyciągnięte do jądra, a atomy zostaną zniszczone. Poza tym model atomu Rutherforda również nie wyjaśnił niczego na temat rozkładu elektronów i energii elektronów. Co więcej, ten model atomowy nie jest również w stanie wyjaśnić widma liniowego danego pierwiastka.
Model atomowy Bohra
Aby odpowiedzieć na niedociągnięcia w modelu atomowym Rutherforda, zwłaszcza w odniesieniu do widma liniowego i stabilności atomowej, Niels Bohr opublikował następnie swój własny model atomowy. Powiedział, że elektrony krążą wokół jądra atomowego na pewnych kołowych orbitach zwanych powłokami energetycznymi lub poziomami energii. Elektrony obracające się w powłoce energetycznej są związane z określoną ilością energii. Te powłoki energetyczne są ponumerowane 1, 2, 3 itd. Od jądra atomowego lub są zdefiniowane jako powłoki k, l, m i tak dalej.
Układ elektronów w atomie nazywany jest konfiguracją elektronów. Konfiguracja elektronów może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób atomy mogą się wiązać. Wypełnianie elektronów w powłokach atomowych rozpoczyna się od wypełnienia najbardziej wewnętrznej powłoki lub tej o najniższej energii. Maksymalna liczba elektronów, które mogą zajmować powłokę to 2n2.
Teoria atomowa mechaniki kwantowej
Niestety, model atomowy zaproponowany przez Bohra nie był w stanie wyjaśnić widma atomów wodoru zarówno w polu magnetycznym, jak i elektrycznym. Austriacki fizyk Erwin Schrödinger próbował na nie odpowiedzieć. Opracował teorię atomową opartą na zasadach mechaniki kwantowej. Model zaproponowany przez Schrödingera nie różni się zbytnio od modelu Bohra, ponieważ atom ma dodatnio naładowane jądro i jest otoczony przez ujemnie naładowane elektrony. Różnica polega na położeniu elektronów otaczających jądro atomowe.
W swojej teorii Bohr argumentował, że elektrony krążą wokół jądra atomowego po orbitach w pewnej odległości od jądra atomu, co nazywa się promieniem atomu. Jednak w teorii mechaniki kwantowej, zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, położenie elektronów otaczających jądro atomowe nie może być znane z całą pewnością. Dlatego największe prawdopodobieństwo pozycji elektronu występuje na tej orbicie. Oznacza to, że można powiedzieć, że regionem największego prawdopodobieństwa znalezienia elektronów w atomach są orbitale.
Model mechaniki kwantowej stwierdza również, że ruch elektronów wokół jądra atomowego ma właściwość dualizmu, jak zaproponował de Broglie. Ponieważ ruch elektronów wokół jądra atomowego ma charakter falowy, równanie ruchu elektronów wokół jądra należy odnieść do funkcji falowej.
Schrödinger uzupełnił swoją teorię równaniem, które stwierdza, że ruch elektronów wokół jądra atomowego związany z dualistyczną naturą materii można wyrazić za pomocą współrzędnych kartezjańskich. Równanie to stało się znane jako równanie Schrödingera.
Z tego równania Schrödinger stworzył trzy liczby kwantowe, mianowicie kwant główny (n), kwant azymutu (A) i kwant magnetyczny (m). Te trzy liczby kwantowe są prostymi liczbami całkowitymi wskazującymi na prawdopodobieństwo pojawienia się elektronów wokół jądra atomowego. Rozwiązanie równania Schrödingera daje trzy liczby kwantowe. Orbital pochodzi z równania Schrödingera, więc istnieje związek między orbitalem a trzema liczbami.
