Atom

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea supereroului din benzile desenate DC , consultați Atom (personaj) .
Atom
Atom de heliu QM.svg
O reprezentare a unui atom de heliu în stare de bază. Se disting nucleul (roz) și norul de electroni (negru). Bara neagră arată lungimea unui Ångström
Compoziţie Electroni și un nucleu compus din protoni și neutroni
Interacțiuni Gravitațional , electromagnetic , slab , puternic
Antiparticulă antiparticulă
Proprietăți fizice
Masa 1,67 × 10 −27 până la 4,52 × 10 −25 kg
Incarcare electrica zero (neutru) sau sarcina ionului

Atomul (din grecescul atomos : indivizibil ) este structura în care materia este organizată în unități fundamentale care alcătuiesc elementele chimice . Acestea se agregă în mod normal în unități stabile numite molecule care caracterizează substanțele chimice .

Concepută ca cea mai mică și indivizibilă unitate a materiei conform doctrinei atomiste a filozofilor greci Leucipp , Democrit și Epicur și teoretizată pe baze științifice la începutul secolului al XIX-lea , spre sfârșitul secolului al XIX-lea , odată cu descoperirea electronului , s-a arătat că atomul este compus din particule subatomice (pe lângă electron, proton și neutron ).

Dacă în lumea fizică obișnuită materia, în stările sale solide , lichide și gazoase , este alcătuită din unitățile elementare ale atomilor, existența lor nu este posibilă la valori suficient de mari de presiune și temperatură , rezultând starea plasmei .

Istorie

Modelul atomic recunoscut astăzi este ultima etapă dintr-o serie de ipoteze care au fost avansate de-a lungul timpului. În cele mai vechi timpuri, unii filozofi greci, precum Leucipp ( sec. V î.Hr. ), Democrit ( sec. V- IV î.Hr. ) și Epicur ( sec. IV- III î.Hr. ) și romani , precum Titus Lucretius Caro ( sec. I î.Hr. ), au emis ipoteza că nu a fost continuu, ci format din particule minuscule și indivizibile, fondând astfel „teoria atomică”. Acest curent filosofic, fondat de Leucipp, a fost numit „ atomism[1] . Se presupunea că diferiții „atomi” ar fi diferiți ca formă și dimensiune.

Democrit a propus „teoria atomică”, conform căreia materia este alcătuită din particule minuscule, diferite între ele, numite atomi, a căror unire dă naștere tuturor substanțelor cunoscute. Aceste particule au fost cea mai mică entitate existentă și nu au putut fi împărțite în continuare: de aceea au fost numiți atomi.

Spre deosebire de această teorie, Aristotel (secolul al IV-lea î.Hr.), în teoria continuității materiei , a susținut că o substanță poate fi împărțită infinit în particule din ce în ce mai mici , egale între ele. Aceste ipoteze au rămas astfel încât nu au fost verificate cu metodologii bazate pe observație și experiment.

Corpuscularismul este postulatul alchimistului Geber din secolul al XIII-lea, potrivit căruia toate corpurile fizice au un strat interior și unul exterior de particule minuscule. Diferența cu atomismul este că corpusculii pot fi împărțiți, astfel că s-a teoretic că mercurul ar putea pătrunde în metale modificându-și structura internă. Corpuscularismul a rămas teoria dominantă în secolele următoare. Această teorie a servit ca bază pentru Isaac Newton pentru a dezvolta teoria corpusculară a luminii .

Diversi atomi și molecule reprezentate pe prima pagină a „Un nou sistem de filosofie chimică”, de John Dalton , publicat în 1808.

Printre atomiștii epocii moderne s-a numărat și Pierre Gassendi , datorită recuperării epicurianismului .

Originea modelului științific

Abia la începutul secolului al XIX-lea, John Dalton a relucrat și a propus din nou teoria lui Democrit, fondând teoria atomică modernă, cu care a dat o explicație fenomenelor chimice. El a propus o lege conform căreia diferitele cantități în greutate ale unui element care se combină cu aceeași cantitate dintr-un alt element pentru a forma compuși diferiți sunt în rapoarte exprimabile prin intermediul unor numere întregi mici ( legea proporțiilor multiple ), presupunând astfel că materia este alcătuit din atomi. În cursul studiilor sale, Dalton a folosit cunoștințele chimice și fizice ale timpului ( legea conservării masei , formulată de Antoine Lavoisier și legea proporțiilor definite , formulată de Joseph Louis Proust ) și și-a expus teoria în cartea Un nou sistem de filosofie chimică , publicată în 1808. Teoria atomică a lui Dalton s-a bazat pe cinci puncte:

  • materia este alcătuită din particule elementare foarte mici numite atomi, care sunt indivizibile și indestructibile; [2]
  • atomii aceluiași element sunt toți egali unul cu celălalt; [2]
  • atomii diferitelor elemente se combină între ei (prin reacții chimice ) în raporturi de numere întregi și în general mici, dând astfel naștere compușilor ;
  • atomii nu pot fi creați și nici distruși; [2]
  • atomii unui element nu pot fi convertiți în atomi ai altor elemente. [2]

În cele din urmă, aceasta este definiția lui Dalton a unui atom: „Un atom este cea mai mică parte a unui element care păstrează caracteristicile chimice ale acelui element”.

Aceasta este considerată prima teorie atomică a materiei, deoarece Dalton a fost primul care și-a derivat ipotezele empiric.

Modelele atomice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: modelul atomic al lui Thomson, modelul atomic al lui Nagaoka, modelul atomic al lui Rutherford și modelul atomic al lui Bohr .
Experimentul lui Rutherford: puține particule alfa sunt deviate de câmpul electric al nucleului; majoritatea traversează spațiul gol al atomului.

Odată cu descoperirea radioactivității naturale , s-a realizat ulterior că atomii nu erau particule indivizibile, ci erau obiecte compuse din părți mai mici. În 1902 Joseph John Thomson a propus primul model fizic al atomului [3] , în urma cercetărilor sale privind relația dintre masă și sarcina electronului. [4] El și-a imaginat că un atom constă dintr-o sferă netedă de materie încărcată pozitiv (protoni și neutroni nu fuseseră încă descoperiți) în care electronii (negativi) erau scufundați ( model panettone , puding model englezesc de prune [4] sau model atom complet ) , făcând atomul ca un întreg neutru. [4]

Acest model a fost depășit atunci când Ernest Rutherford a descoperit prezența unui nucleu atomic încărcat pozitiv. În 1910, doi dintre elevii lui Rutherford ( Geiger și Marsden ) au efectuat un experiment crucial , cu scopul de a valida modelul lui Thomson. [5] Au bombardat o foaie de aur foarte subțire, plasată între o sursă de particule alfa și un ecran. [5] Particulele, trecând prin folie, au lăsat o urmă a trecerii lor pe ecran. Experimentul a condus la observarea că razele alfa nu au fost aproape niciodată deviate; doar 1% din razele incidente au fost deviate semnificativ de la frunza de aur (unele au fost complet respinse).

Atomul din modelul lui Rutherford este compus dintr-un nucleu atomic pozitiv cu electroni negativi care orbitează în jurul lui, așa cum fac planetele în jurul Soarelui.

Prin acest experiment, Rutherford a propus un model al atomului în care aproape toată masa atomului era concentrată într-o porțiune foarte mică, nucleul (încărcat pozitiv) și electronii care se învârteau în jurul lui, la fel cum planetele se învârt în jurul Soarelui ( modelul planetar ). [6] Atomul era totuși compus în mare parte din spațiu gol, iar acest lucru explica motivul pentru trecerea majorității particulelor alfa prin lamina. Nucleul este atât de concentrat încât electronii se învârt în jurul lui la distanțe relativ enorme, cu orbite de 10.000 până la 100.000 de ori mai mari în diametru decât nucleul. Rutherford a simțit că numai protoni (particule încărcate în nucleu) nu erau suficiente pentru a justifica întreaga masă a nucleului și a formulat ipoteza existenței altor particule, care au contribuit la formarea întregii mase a nucleului.

Electronii din nucleu?

După experimentul Rutherford a fost destul de evident că electronii nu ar putea fi în interiorul nucleului. Totuși, ne putem gândi la o dovadă prin absurd: să presupunem, pentru o clipă, existența electronilor în nucleu. Raza sa poate fi estimată în ordinea a cinci fm .

Pulsul electronului, în atom, va fi apoi:

unde c este viteza luminii și λ lungimea de undă a electronului de Broglie .

În acest moment, o lungime de undă maximă este fixată în 10 fm și, prin urmare, este posibil să se calculeze valoarea minimă a impulsului, care în cele din urmă se dovedește a fi de aproximativ 124 MeV / c . Acum, deoarece masa electronului este egală cu 0,5 MeV / c 2 , dintr-o simplă relatare relativistă este evident că energia totală a electronului este egală cu:

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 = 125 MeV

Deci, dacă ar exista electroni în nucleu, energia lor ar fi de 250 de ori mai mare decât întreaga lor masă: astfel de electroni energetici, însă, nu au fost emiși niciodată din niciun nucleu. Singurul suspect, electronul emis în dezintegrarea beta a nucleelor, are o gamă de energie variind de la câțiva MeV la maximum 20 MeV.

Modelul lui Rutherford întâlnise o contradicție flagrantă cu legile fizicii clasice : conform teoriei electromagnetice , o sarcină care suferă o accelerație emite energie sub formă de radiație electromagnetică . Din acest motiv, electronii atomului Rutherford, care se mișcă într- o mișcare circulară în jurul nucleului, ar fi trebuit să emită unde electromagnetice și, prin urmare, pierzând energie, să se anihileze în nucleul însuși ( teoria colapsului ), ceea ce evident nu se întâmplă. [7] Mai mult, un electron, în pierderea energiei, ar putea emite unde electromagnetice de orice lungime de undă , operație exclusă în teorie și în practică de studiile corpului negru ale lui Max Planck (și mai târziu Albert Einstein ). Doar prezența nivelurilor de energie cuantificate în ceea ce privește stările electronilor ar putea explica rezultatele experimentale: stabilitatea atomilor se încadrează în proprietățile care pot fi explicate prin mecanica cuantică , crescând cu numărul atomic al elementelor în funcție de scăderea treptată a stabilității. ori ( regula octetului și regula electronică de 18 ).

În modelul lui Bohr al atomului de hidrogen , un electron poate parcurge anumite traiectorii clasice. Aceste traiectorii sunt stabile și discrete, indicate cu un număr întreg progresiv . Ori de câte ori electronul coboară pe o orbită inferioară emite radiații electromagnetice, sub forma unui foton , de energie corespunzătoare energiei pierdute în conformitate cu dovezile experimentale ale spectrului atomului de hidrogen )

În 1913 Niels Bohr a propus o modificare conceptuală a modelului lui Rutherford. În timp ce accepta ideea unui model planetar, el a postulat că electronii aveau orbite fixe disponibile, numite și „orbite cuantizate”, aceste orbite posedau o energie cuantizată (adică o energie deja prestabilită identificată printr-un număr numit numărul cuantic principal N ) în care electronii nu au emis sau absorbit energie (aceasta a rămas de fapt constantă): în special, un electron a emis sau a absorbit energie sub formă de unde electromagnetice numai dacă a făcut o tranziție de la o orbită la alta și, prin urmare, a trecut la o stare energetică minoră sau majoră. Ulterior, Sommerfeld a propus o corecție a modelului Bohr, conform căreia a existat o bună corespondență între teorie și observațiile spectrelor radiației emise sau absorbite de atomi.

Multe elemente ale modelului nu erau compatibile cu legile fizicii clasice ale lui Newton , deoarece se baza pe ideile mecanicii cuantice nașterea de atunci. Cu toate acestea, modelul Bohr-Sommerfeld s-a bazat încă pe postulate și mai ales a funcționat foarte bine pentru atomul de hidrogen , dar nu și pentru cele mai complexe.

Mecanica undelor și modelul atomic contemporan

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: principiul incertitudinii lui Heisenberg , ecuația lui Schrödinger și orbitalul atomic .

Punctele slabe ale modelului Bohr-Sommerfeld au fost, de asemenea, reexaminate în luminaprincipiului incertitudinii introdus de Werner Karl Heisenberg în 1927, care a convins comunitatea științifică că este imposibil să se descrie cu exactitate mișcarea electronilor în jurul nucleului, motiv pentru care modelele determinist propus până acum a fost preferat să se caute un model probabilistic , care a fost capabil să descrie orice atom cu o bună aproximare. Acest lucru a fost posibil datorită rezultatelor ulterioare ale mecanicii undelor .

A fost abandonat conceptul de orbită și a fost introdus în conceptul de orbital . Conform mecanicii cuantice, nu mai are sens să vorbim despre traiectoria unei particule: de aici rezultă că nici măcar nu este posibil să se definească cu certitudine unde se află un electron la un moment dat. Ceea ce este posibil să știm este probabilitatea de a găsi electronul într-un anumit punct al spațiului la un moment dat de timp . Prin urmare, un orbital nu este o traiectorie pe care se poate mișca un electron (conform ideilor fizicii clasice), ci o porțiune de spațiu în jurul nucleului definită de o suprafață de echiprobabilitate , adică în cadrul căreia există 95% din probabilitatea ca un electron Este acolo.

În termeni mai riguroși, un orbital este definit de o anumită funcție de undă , soluție a ecuației Schrödinger , caracterizată prin trei numere cuantice asociate respectiv cu energia, forma și orientarea în spațiul orbitalului.

În 1932 Chadwick a descoperit neutronul , așa că a ajuns în curând la un model aproape complet al atomului, în care în centru se află nucleul, compus din protoni (electric pozitivi) și neutroni (electric neutri) și în jurul electronilor (electric negativi).

Studiul nucleului atomic și al componentelor sale este legat de dezvoltarea fizicii particulelor ; a fost posibil să se determine structura nucleului mai complet, de exemplu prin experimente cu acceleratoare de particule . Conform modelului standard de particule, protonii și neutronii sunt ei înșiși alcătuiți din quarcuri . Compoziția nucleului și interacțiunea dintre protoni și neutroni în interiorul său sunt descrise de mai multe modele nucleare .

Componente

Atomul este compus în principal din trei tipuri de particule subatomice (adică mai mici decât atomul): protoni , neutroni și electroni .

În special:

  • protoni ( încărcați pozitiv [8] ) și neutroni (neîncărcați [9] ) formează „ nucleul ” (încărcat pozitiv); protoni și neutroni sunt, prin urmare, numiți „ nucleoni ”; [10] există și posibilitatea ca un atom să nu conțină neutroni [11] (este cazul marelui unchi , care este cel mai stabil izotop al hidrogenului );
  • electronii (încărcați negativ [12] ) sunt prezenți în același număr de protoni [13] și se rotesc în jurul nucleului fără a urma o orbită precisă (electronul este, așadar, numit „delocalizat”), rămânând limitați în orbitali (sau „niveluri de energie” "). Dacă numărul de electroni prezenți în atom este diferit de numărul de protoni, atomul își pierde neutralitatea și se numește „ ion ”. [11]

În realitate există și atomi compuși din diferite particule, numiți „ atomi exotici ”. Cu toate acestea, acești atomi au o durată de viață foarte scurtă.

În proporție, dacă nucleul atomic ar fi de mărimea unui măr, electronii s-ar roti în jurul lui la o distanță de aproximativ un kilometru ; un nucleon are de aproape 1800 ori masa unui electron.

Având aceeași sarcină pozitivă, protonii ar trebui să se respingă reciproc; acest lucru nu se întâmplă deoarece sunt ținute împreună de așa-numita forță nucleară puternică .

Tabelul următor rezumă câteva caracteristici ale celor trei particule subatomice menționate anterior: [14]

Particulă Simbol Sarcină Masa Notă
Electron și - −1,6 × 10 −19 C 9,109 382 6 × 10 −31 kg (0,51099 891 MeV / C² ) Descoperit de Thomson pe baza experimentelor lui William Crookes pe raze catodice . Cu experimentul picăturii de ulei, Millikan a determinat taxa.
Proton p 1,6 × 10 −19 C 1,672 623 1 × 10 −27 kg (9,3828 × 10 2 MeV / C²) Descoperită de Ernest Rutherford cu experimentul cu raze alfa, existența sa a fost deja ipotezată de Eugen Goldstein , lucrând cu raze catodice.
Neutron n 0 C 1,674 927 29 × 10 −27 kg (9,39565 × 10 2 MeV / C²) Descoperită de James Chadwick , existența sa a fost dedusă din contradicțiile studiate mai întâi de Walther Bothe , apoi de Irène Joliot-Curie și Frédéric Joliot .
Reprezentarea schematică a unui atom de heliu .
În jurul nucleului, format din doi neutroni (în verde) și doi protoni (în roșu), electronii (în galben) se rotesc.

Două cantități sunt definite pentru a identifica fiecare atom:

  • Număr de masă (A): suma numărului de neutroni și protoni din nucleu. [15]
  • Număr atomic (Z): numărul de protoni din nucleu, [16] care, în stare neutră, corespunde numărului de electroni din afara acestuia. [17]

Pentru a obține numărul de neutroni, numărul atomic este scăzut din numărul de masă.

Există o cantitate care îi cuantifică masa, numită masă atomică, exprimată în unități de masă atomică (sau u ), unde o unitate de masă atomică este echivalentă cu a douăsprezecea parte a masei unui atom de carbon -12 ( 12 C). [18] Numărul de electroni care se rotește în jurul nucleului este egal cu numărul de protoni din nucleu: întrucât sarcinile menționate anterior au o valoare absolută egală, un atom este în mod normal neutru din punct de vedere electric și, prin urmare, materia este neutră din punct de vedere electric. Cu toate acestea, există atomi sau agregate de atomi încărcați electric, numiți ioni , [19] care pot fi generați, de exemplu, printr-o disociere a entităților moleculare inițial neutre; Prin urmare, ionii pot fi încărcați pozitiv sau negativ.

Atomii având același număr atomic au aceleași proprietăți chimice: de aceea s-a convenit să-i definim ca aparținând aceluiași element . [20]

Doi atomi pot diferi, de asemenea, având același număr atomic, dar un număr de masă diferit (adică același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni): atomi similari sunt numiți izotopi [21] și au aceleași proprietăți chimice. De exemplu, atomul de hidrogen are mai mulți izotopi: de fapt, în natură este prezent în marea majoritate ca 1 H (sau Prozio , format dintr-un proton și un electron) și într-o măsură mai mică cu 2 H (sau deuteriu [22] ] , care este format dintr-un proton, un neutron și un electron) și 3 H (sau tritiu , extrem de rar, format dintr-un proton, doi neutroni și un electron). Din punct de vedere chimic, hidrogenul, deuteriul și tritiul au proprietăți identice.

Proprietate

Masa

Deoarece masa unui atom derivă în esență din protoni și neutroni, masa totală a acestor particule dintr-un atom se numește masă atomică . A douăsprezecea parte a masei unui atom de carbon este utilizată ca unitate de masă atomică -12 ( 12 C); această unitate corespunde unui dalton (Da) [23] și este aproximativ validă 1,66 × 10 −27 kg. [18]

Dimensiunea atomică

Contează la diferite scări de mărime:
1. Materie (macroscopică)
2. Structura moleculară ( atomi )
3. Atom ( neutron , proton , electron )
4. Electron
5. Quark
6. Corzi (ipotetice)

Atomii nu au o limită bine definită, deoarece distanța electronilor față de nucleu variază în fiecare moment și este influențată de condițiile de energie ale atomului, în special crește odată cu creșterea temperaturii și scade după formarea o legătură chimică.

Din acest motiv, dimensiunile atomilor pot fi definite în moduri diferite; în special, se utilizează următoarele cantități (care sunt caracteristice pentru fiecare element chimic):

  • raza atomică : este o mărime definită în domeniul mecanicii cuantice și se referă la condiția „atomului liber”, adică nu este legată de niciun alt atom; [24]
  • raza covalentă : corespunde razei atomului atunci când acesta este legat de alți atomi și poate fi considerat egal cu distanța dintre nucleii celor doi atomi uniți de legătura chimică; această cantitate variază în funcție de tipul legăturii chimice, de numărul de atomi din apropiere (numărul de coordonare) și de rotire ;
  • raza ionica : corespunde marimii atomului atunci cand este sub forma unui ion .

În tabelul periodic al elementelor, raza atomică tinde să crească atunci când se deplasează de sus în jos de-a lungul coloanelor, în timp ce scade mergând de la stânga la dreapta (deoarece creșterea protonilor din nucleu crește capacitatea de atracție a electronilor care orbitează) ; în consecință, atomul cu cea mai mică rază atomică este atomul de heliu (poziționat în partea dreaptă sus și având o rază atomică de 49 pm), [24] în timp ce unul dintre cei mai mari atomi este atomul de cesiu (poziționat în partea stângă jos și având un atomic raza de 334 pm). [24] Aceste dimensiuni sunt de mii de ori mai mici decât lungimea de undă a luminii (400-700 nm) și din acest motiv atomii nu pot fi detectați prin intermediul unui microscop optic, în timp ce pot fi detectați prin intermediul microscopilor electronici de transmisie (TEM) sau al microscopilor de tunelare de scanare (STM).

Pentru a vă face o idee despre dimensiunea unui atom, poate fi util să comparați această dimensiune cu dimensiunea obiectelor mai mari, de exemplu:

  • diametrul unui fir de păr uman corespunde cu aproximativ un milion de atomi de carbon dispuși la rând;
  • o picătură de apă conține 2 × 10 21 atomi de oxigen e 4 × 10 21 atomi de hidrogen;
  • dacă un măr ar deveni de dimensiunea Pământului , atomii din măr ar avea aproximativ dimensiunea mărului original.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale unui atom, adică capacitatea sa de a forma legături cu alți atomi, depind în principal de structura sa electronică [11] (și, prin urmare, indirect, de numărul de protoni, numărul de electroni și protoni ai unui atom fiind egal), în timp ce nu este afectat de numărul de neutroni. Din aceasta derivă utilitatea clasificării atomilor în tabelul periodic al elementelor , în care izotopii având aceeași structură electronică corespund fiecărui element, indiferent de numărul de neutroni.

Notă

  1. ^ Atomismul a fost un curent filosofic și nu o teorie științifică, deoarece aceste considerații nu au derivat din dovezi experimentale.
  2. ^ a b c d Aceste propuneri vor fi respinse ulterior prin descoperirea particulelor subatomice și a rezultatelor fizicii nucleare .
  3. ^ Caforio și Ferilli, Physica, Ed. Le Monnier, pag. 251
  4. ^ a b c Liptrot , p. 7.
  5. ^ a b Liptrot , p. 8.
  6. ^ Silvestroni , p. 2 .
  7. ^ În schimb, fenomenul de anihilare apare între particule și antiparticule .
  8. ^ IUPAC Gold Book, "proton"
  9. ^ IUPAC Gold Book, „neutron”
  10. ^ IUPAC Gold Book, "nucleon"
  11. ^ a b c ( EN ) Thermopedia, „Atom”
  12. ^ IUPAC Gold Book, „electron”
  13. ^ IUPAC Gold Book, "atom"
  14. ^ Electronul, protonul și neutronul nu sunt singurele particule subatomice; de fapt după descoperirea lor au urmat descoperirile multor alte particule subatomice.
  15. ^ IUPAC Gold Book, "numărul de masă"
  16. ^ IUPAC Gold Book, „număr atomic”
  17. ^ În ansamblu, fiecare atom are deci o sarcină electrică zero.
  18. ^ a b IUPAC Gold Book, „unitate de masă atomică unificată”
  19. ^ IUPAC Gold Book, "ion"
  20. ^ IUPAC Gold Book, „element chimic”
  21. ^ IUPAC Gold Book, "izotopi"
  22. ^ în apa grea atomii de hidrogen sunt complet înlocuiți cu cei de deuteriu.
  23. ^ IUPAC Gold Book, "dalton"
  24. ^ a b c R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Tabel periodic și proprietăți ale elementelor , Florența, Edizioni V. Morelli, 1998 (arhivat din original la 22 octombrie 2010) .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 4213 · LCCN (EN) sh85009333 · GND (DE) 4003412-4 · BNF (FR) cb11930986h (dată) · NDL (EN, JA) 00.562.368