Atomové modely

Thomsonův atomový model

V roce 1898 J. J. Thomson navrhl první z mnoha budoucích atomových modelů. Navrhl, že atom má tvar koule o poloměru přibližně 10-10 m, v níž je rovnoměrně rozložen kladný náboj. Elektrony jsou do této koule zasazeny tak, aby poskytovaly co nejstabilnější elektrostatické uspořádání.

Připomíná vám výše uvedený obrázek rozkrojený meloun se semínky uvnitř? Nebo si ho také můžete představit jako pudink, přičemž elektrony jsou švestky nebo rozinky v pudinku. Proto se tento model označuje také jako model melounu, model švestkového pudinku nebo model rozinkového pudinku.

Důležitým aspektem tohoto modelu je, že předpokládá, že hmotnost atomu je rovnoměrně rozložena po atomu. Thomsonův atomový model úspěšně vysvětloval celkovou neutralitu atomu. Jeho návrhy však nebyly v souladu s výsledky pozdějších experimentů. V roce 1906 byla J. J. Thomsonovi udělena Nobelova cena za fyziku za jeho teorie a experimenty s vedením elektřiny plyny.

Struktura atomu Tahák si můžete stáhnout kliknutím na tlačítko ke stažení níže

Rutherfordův atomový model

Druhým z atomových modelů byl příspěvek Ernesta Rutherforda. Aby přišel se svým modelem, provedl Rutherford se svými studenty – Hansem Geigerem a Ernestem Marsdenem experiment, při kterém bombardovali velmi tenkou zlatou fólii α-částicemi. Porozumějme tomuto experimentu.

Experiment s rozptylem částic α

Experiment

V tomto experimentu byly částice α o vysoké energii z radioaktivního zdroje namířeny na tenkou fólii (o tloušťce asi 100 nm) ze zlata. Kolem tenké zlaté fólie bylo kruhové fluorescenční stínítko ze sulfidu zinečnatého. V bodě na stínítku vznikl malý záblesk světla, kdykoli na něj dopadly částice α.

Výsledky

Na základě Thomsonova modelu by měla být hmotnost každého atomu ve zlaté fólii rovnoměrně rozložena po celém atomu. Proto se očekává, že když částice α narazí na fólii, budou se při průchodu fólií zpomalovat a měnit směr jen o malé úhly. Výsledky Rutherfordova experimentu však byly nečekané –

• Většina α-částic prošla fólií neodražená.
• Malý počet α-částic se odrazil o malé úhly.
• Velmi málo α-částic (asi 1 z 20 000) se odrazilo zpět.

Závěry experimentu s rozptylem α

Na základě výše uvedených výsledků učinil Rutherford následující závěry o struktuře atomu:

• Protože většina částic α prošla fólií neodražená, je většina prostoru v atomu prázdná.
• Vychýlení několika kladně nabitých α-částic musí být způsobeno obrovskou odpudivou silou. To naznačuje, že kladný náboj není rovnoměrně rozložen v celém atomu, jak navrhoval Thomson. Kladný náboj musí být soustředěn ve velmi malém objemu, aby došlo k vychýlení kladně nabitých α-částic.
• Rutherfordovy výpočty ukazují, že objem jádra je ve srovnání s celkovým objemem atomu velmi malý a poloměr atomu je asi 10-10 m, zatímco poloměr jádra je 10-15 m.

Jaderný model atomu

Na základě svých pozorování a závěrů navrhl Rutherford svůj model struktury atomu. Podle tohoto modelu –

• Většina hmotnosti atomu a kladného náboje je hustě soustředěna ve velmi malé oblasti v atomu. Rutherford tuto oblast nazval jádro.
• Elektrony obklopují jádro a pohybují se kolem něj velmi vysokou rychlostí po kruhových drahách zvaných orbity. Toto uspořádání se také podobá sluneční soustavě, kde jádro tvoří Slunce a elektrony jsou rotující planety. Proto se také označuje jako planetární model.
• Elektrostatické přitažlivé síly drží jádro a elektrony pohromadě.

Nevýhody Rutherfordova atomového modelu

• Podle Rutherfordova atomového modelu se elektrony (planety) pohybují kolem jádra (Slunce) po přesně vymezených drahách. Protože těleso, které se pohybuje po dráze, musí podléhat zrychlení, musí být elektrony v tomto případě pod vlivem zrychlení. Podle Maxwellovy elektromagnetické teorie musí nabité částice při zrychlení vyzařovat elektromagnetické záření. Proto bude elektron na oběžné dráze vyzařovat záření a nakonec se oběžná dráha zmenší. Pokud je to pravda, pak se elektron po spirále stočí do jádra. To se však nestane. Rutherfordův model tedy nevysvětluje stabilitu atomu.
• Uvažujme, že elektrony se nepohybují a jsou nehybné. Pak elektrostatická přitažlivost mezi elektrony a hustým jádrem vtáhne elektrony do jádra a vytvoří miniaturní verzi Thomsonova modelu.
• Rutherfordův model také neuvádí nic o rozložení elektronů kolem jádra a o energiích těchto elektronů.

Takže Thomsonovy a Rutherfordovy atomové modely odhalily klíčové aspekty struktury atomu, ale neřešily některé kritické body. Nyní, když známe oba atomové modely, pokusme se pochopit několik pojmů.

Atomové číslo a hmotnostní číslo

Jak již víme, kladný náboj na jádře mají protony. Také náboj na protonu je stejný, ale opačný než náboj elektronu. Atomové číslo (Z) je počet protonů přítomných v jádře. Například počet protonů v sodíku je 11, zatímco ve vodíku je 1. Proto jsou atomová čísla sodíku 11 a vodíku 1.

Pro zachování elektrické neutrality je také počet elektronů v atomu roven počtu protonů (atomové číslo, Z). Proto je počet elektronů v sodíku 11 a ve vodíku 1.

Atomové číslo = počet protonů v jádře atomu

= počet elektronů v neutrálním atomu

Kladný náboj jádra je způsoben protony, ale hmotnost atomu je způsobena protony a neutrony. Ty se souhrnně nazývají nukleony. Hmotnostní číslo (A) atomu je celkový počet nukleonů.

Hmotnostní číslo (A) = počet protonů (Z) + počet neutronů (n)

Složení atomu se tedy znázorňuje pomocí symbolu prvku (X) s hmotnostním číslem (A) jako nadpisem vlevo a atomovým číslem (Z) jako podpisem vlevo – AZX.

Podrobněji se o atomovém čísle dozvíte zde.

Isobary a izotopy

Isobary jsou atomy se stejným hmotnostním číslem, ale jiným atomovým číslem. Například 146C a 147N.

Podrobněji se o izobarech dozvíte zde.

Izotopy jsou naopak atomy se stejným atomovým číslem, ale jiným hmotnostním číslem. To znamená, že rozdíl v izotopech je způsoben přítomností různého počtu neutronů v jádře. Pochopme to na příkladu vodíku –

• 99,985 % atomů vodíku obsahuje pouze jeden proton. Tímto izotopem je protium (11H).
• Izotopem obsahujícím jeden proton a jeden neutron je deuterium (21D).
• Izotopem s jedním protonem a dvěma neutrony je tritium (31T). Tento izotop se na Zemi vyskytuje ve stopovém množství.

Další běžné izotopy jsou – atomy uhlíku se 6 protony a 6, 7 nebo 8 neutrony (126C, 136C, 146C) a atomy chloru se 17 protony a 18 nebo 20 neutrony (3517Cl, 3717Cl).

Poznámka: Chemické vlastnosti atomů jsou pod vlivem počtu elektronů, které jsou závislé na počtu protonů v jádře. Počet neutronů má na chemické vlastnosti prvku velmi malý vliv. Proto všechny izotopy prvku vykazují stejné chemické chování.

Podrobněji se o izotopech dozvíte zde.

Řešené příklady pro vás

Úkol č. 1: Přiřaďte sloupce:

1. Co je to izotop? Hmotnostní číslo	a. Jaderný model atomu
2. J. J. Thomson	b. Počet protonů
3. Rutherford	c. Počet nukleonů
4. Atomové číslo	d. Model švestkového pudinku

Řešení: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Otázka 2: Vypočítejte počet protonů, neutronů a elektronů v 5626Fe.

Řešení: V 5626Fe je atomové číslo (Z) = 26, hmotnostní číslo (A) = 56.

Počet protonů = počet elektronů = Z = 26.

Počet neutronů = A – Z = 56 – 26 = 30.