Що таке атом?
У хімії та фізиці атом (від латинського atomum, а це від грецького ἄτομον, без частин; також він походить від "а" не, і "подільний атом"; не ділиться) є найменшою одиницею хімічного елемента що зберігає свою ідентичність або властивості, і що неможливо розділити за хімічними процесами.
Його щільне ядро становить 99,9% маси атома і складається з баріонів, званих протонами та нейтронами, оточених хмарою електронів, які - у нейтральному атомі - дорівнюють кількості протонів.
Поняття атома як основного і неподільного блоку, що становить матерію Всесвіту, було постульовано атомістичною школою в Стародавній Греції. Однак його існування було доведено лише в 19 столітті. З розвитком ядерної фізики в 20 столітті було встановлено, що атом можна розділити на менші частинки.
Атомна будова.
Хоча "атом" означає "неподільний", сьогодні відомо, що атом складається з більш дрібних частинок, так званих субатомних частинок.
Ядро атома - це його центральна частина. Він має позитивний заряд, і в ньому зосереджена майже вся його маса. Однак він займає дуже малу частку обсягу атома: його радіус приблизно в десять тисяч разів менший. Ядро складається з протонів і нейтронів.
Навколо ядра знаходяться електрони, частинки з негативним зарядом і дуже малою масою порівняно з масою протонів та нейтронів: приблизно 0,05%. Електрони знаходяться навколо ядра, зв’язані електромагнітною силою, яку воно надає на них, і займають більшу частину розміру атома, у так званій електронній хмарі.
Електричні взаємодії між протонами та електронами.
До експерименту Резерфорда наукове співтовариство прийняло атомну модель Томсона - ситуація, яка змінилася після досвіду Резерфорда. Пізніші моделі базуються на структурі атомів із позитивно зарядженою центральною масою, оточеною негативно зарядженою хмарою.
Цей тип будови атома змусив Резерфорда запропонувати свою модель, в якій електрони будуть рухатися навколо ядра на орбітах. Ця модель відчуває труднощі, пов’язані з тим, що прискорена заряджена частинка, оскільки було б необхідно перебувати на орбіті, випромінювала б електромагнітне випромінювання, втрачаючи енергію. Закони Ньютона разом із рівняннями електромагнетизму Максвелла, застосованими до атома Резерфорда, призводять до того, що за час порядку 10−10 с вся енергія атома мала б випромінюватися з подальшим падінням електронів на ядрі.
Електронна хмара.
Навколо ядра знаходяться електрони, які є елементарними частинками з негативним зарядом, рівним елементарному заряду і масою 9,10 × 10–31 кг
Кількість електронів в атомі в основному стані дорівнює кількості протонів, які він містить у ядрі, тобто атомному номеру, тому атом за цих умов має чистий електричний заряд, рівний 0.
На відміну від нуклонів, атом може втратити або придбати частину своїх електронів, не змінюючи хімічної ідентичності, перетворюючись на іон, частинку з чистим зарядом, відмінним від нуля.
Від ідеї, що електрони перебувають на супутникових орбітах навколо ядра, відмовились на користь концепції хмари делокалізованих або дифузних електронів у просторі, яка краще відображає поведінку електронів, описану квантовою механікою лише як функції щільності ймовірності пошуку електрона в кінцевій області простору навколо ядра.
Атомні розміри.
Більша частина маси атома зосереджена в ядрі, що складається з протонів і нейтронів, відомих як нуклони, які в 1836 і 1838 разів важчі за електрон відповідно.
Точний розмір або об’єм атома важко підрахувати, оскільки електронні хмари не мають гострих країв, але їх діаметр можна обґрунтовано оцінити як 1,0586 × 10–10 м, що вдвічі перевищує радіус Бора для атома - водню. Якщо це порівняти з розміром протона, який є єдиною частинкою, що утворює ядро водню, який становить приблизно 1 × 10-15, видно, що ядро атома приблизно в 100000 разів менше самого атома, і все ж він концентрує практично 100% своєї маси.
Для порівняння, якби атом був розміром зі стадіон, ядро мало б розмір мармуру, розміщеного в центрі, а електрони, як частинки пилу, роздуті вітром навколо сидінь.
Еволюція атомної моделі.
Концепція атома, яка існувала протягом історії, змінювалась відповідно до відкриттів, зроблених у галузі фізики та хімії. Далі відбудеться виклад атомних моделей, запропонованих вченими різних епох. Деякі з них повністю застарілі, щоб пояснити явища, що спостерігаються в даний час, але вони включені як історичний огляд.
Модель Далтона.
Це була перша атомна модель з науковими основами, вона була сформульована в 1808 році Джоном Далтоном, який уявляв атоми як крихітні сфери. Ця перша атомна модель постулювала:
Матерія складається з дуже дрібних частинок, званих атомами, які неподільні і не піддаються руйнуванню.
Атоми одного і того ж елемента рівні між собою, вони мають свою вагу та свої якості. Атоми різних елементів мають різну вагу.
Атоми залишаються нерозділеними, навіть коли вони поєднуються в хімічних реакціях.
Атоми, поєднуючись з утворенням сполук, дотримуються простих взаємозв’язків.
Атоми різних елементів можуть поєднуватися в різних пропорціях і утворювати більше однієї сполуки.
Хімічні сполуки утворюються шляхом з’єднання атомів двох або більше різних елементів.
Однак він зник до моделі Томсона, оскільки не пояснює катодні промені, радіоактивність або присутність електронів (e-) або протонів (p +).
Модель Томсона.
Після відкриття електрона в 1897 році Джозефом Джоном Томсоном було встановлено, що речовина складається з двох частин, негативної та позитивної. Негативна частина складалася з електронів, які згідно з цією моделлю були занурені в масу позитивного заряду, як родзинки в коржі (з англійської аналогії моделі сливового пудингу) або виноград у желе. Пізніше Жан Перрен запропонував модифіковану модель, засновану на Томпсона, де "родзинки" (електрони) розташовувалися на зовнішній стороні "коржа" (позитивний заряд).
Модель Шредінгера.
Після того, як Луї-Віктор де Бройль запропонував хвильову природу речовини в 1924 р., Яка була узагальнена Ервіном Шредінгером в 1926 р., Модель атома була знову оновлена.
У моделі Шредінгера концепція електронів як крихітних заряджених сфер, що обертаються навколо ядра, відмовляється, що є екстраполяцією досвіду на макроскопічному рівні до хвилинних розмірів атома. Натомість Шредінгер описує електрони за допомогою хвильової функції, квадрат якої представляє ймовірність їхньої присутності в обмеженій області простору. Ця зона ймовірності відома як орбітальна. На графіку нижче показано орбіталі для перших доступних рівнів енергії в атомі Гідрогену.