Atommodeller

Snart efter opdagelsen af de subatomare partikler i et atom var forskerne ivrige efter at finde ud af, hvordan disse partikler fordeler sig i atomet. Der blev foreslået adskillige atommodeller for at forklare atomets struktur. Mange af dem kunne dog ikke forklare atomets stabilitet. Lad os lære om to af disse atommodeller, som har ført til vores nuværende opfattelse af atomet.

Foreslåede videoer

Thomson’s Atomic Model

I 1898, J. J. Thomson i 1898 den første af mange kommende atommodeller. Han foreslog, at et atom er formet som en kugle med en radius på ca. 10-10m, hvor den positive ladning er jævnt fordelt. Elektronerne er indlejret i denne kugle for at give det mest stabile elektrostatiske arrangement.

Ligner figuren ovenfor ikke en skåret vandmelon med kerner indeni? Eller du kan også tænke på det som en budding, hvor elektronerne er blommen eller rosinerne i buddingen. Derfor kaldes denne model også for vandmelonmodellen, blommepuddingmodellen eller rosinpuddingmodellen.

Et vigtigt aspekt ved denne model er, at den antager, at atomets masse er jævnt fordelt over atomet. Thomsons atommodel havde succes med at forklare atomets overordnede neutralitet. Dens udsagn var imidlertid ikke i overensstemmelse med resultaterne af senere eksperimenter. I 1906 fik J. J. Thomson tildelt Nobelprisen i fysik for sine teorier og eksperimenter om elektricitetsledning gennem gasser.

Du kan downloade Structure of Atom Cheat Sheet ved at klikke på download-knappen nedenfor

Rutherfords atommodel

Den anden af de atomare modeller var Ernest Rutherfords bidrag. For at finde frem til deres model udførte Rutherford og hans elever – Hans Geiger og Ernest Marsden – et eksperiment, hvor de bombarderede meget tyndt guldfolie med α-partikler. Lad os forstå dette eksperiment.

α-partikelspredningseksperiment

Eksperiment

I dette eksperiment blev α-partikler med høj energi fra en radioaktiv kilde rettet mod en tynd folie (ca. 100nm tykkelse) af guld. En cirkulær, fluorescerende zinksulfidskærm var til stede omkring den tynde guldfolie. Et lille lysglimt blev frembragt i et punkt på skærmen, hver gang α-partikler ramte den.

Resultater

Med udgangspunkt i Thomsons model skulle massen af hvert atom i guldfolien være jævnt fordelt over hele atomet. Når α-partikler rammer folien, forventes det derfor, at de vil blive langsommere og kun ændre retning med små vinkler, mens de passerer gennem folien. Resultaterne fra Rutherfords eksperiment var imidlertid uventede –

• De fleste α-partikler passerede uafbøjet gennem folien.
• Et lille antal α-partikler blev afbøjet med små vinkler.
• Svært få α-partikler (ca. 1 ud af 20.000) prellede tilbage.

Konklusioner af α-spredningsforsøget

Baseret på ovenstående resultater drog Rutherford følgende konklusioner om atomets struktur:

• Da de fleste α-partikler passerede gennem folien uden at blive afbøjet, er det meste af rummet i atomet tomt.
• Den afbøjning af nogle få positivt ladede α-partikler må skyldes den enorme frastødende kraft. Dette tyder på, at den positive ladning ikke er jævnt fordelt i hele atomet, som Thomson havde foreslået. Den positive ladning skal være koncentreret i et meget lille volumen for at afbøje de positivt ladede α-partikler.
• Rutherfords beregninger viser, at kerneens volumen er meget lille i forhold til atomets samlede volumen, og at atomets radius er ca. 10-10m, mens kerneens radius er 10-15m.

Atomets kernemodel

Baseret på sine observationer og konklusioner foreslog Rutherford sin model for atomets struktur. Ifølge denne model –

• Det meste af atomets masse og den positive ladning er tæt koncentreret i et meget lille område i atomet. Rutherford kaldte dette område for kernen.
• Elektronerne omgiver kernen og bevæger sig rundt om den med meget høje hastigheder i cirkulære baner, kaldet baner. Dette arrangement ligner også solsystemet, hvor kernen udgør solen, og elektronerne er de roterende planeter. Derfor kaldes den også for planetmodellen.
• Elektrostatiske tiltrækningskræfter holder kernen og elektronerne sammen.

Ulemper ved Rutherfords atommodel

• I henhold til Rutherfords atommodel bevæger elektronerne (planeterne) sig rundt om kernen (solen) i veldefinerede baner. Da et legeme, der bevæger sig i en bane, må undergå acceleration, må elektronerne i dette tilfælde være under acceleration. I henhold til Maxwells elektromagnetiske teori må ladede partikler, når de accelereres, udsende elektromagnetisk stråling. Derfor vil en elektron i en bane udsende stråling, og til sidst vil banen krympe. Hvis dette er sandt, så vil elektronen komme i spiralform ind i kernen. Men det sker ikke. Rutherfords model forklarer således ikke atomets stabilitet.
• Lad os i øvrigt antage, at elektronerne ikke bevæger sig og er stationære. Så vil den elektrostatiske tiltrækning mellem elektronerne og den tætte kerne trække elektronerne ind i kernen for at danne en miniatureudgave af Thomsons model.
• Rutherfords model siger heller ikke noget om fordelingen af elektronerne omkring kernen og disse elektroners energier.

Dermed afslørede Thomsons og Rutherfords atommodeller vigtige aspekter af atomets struktur, men undlod at behandle nogle kritiske punkter. Nu hvor vi kender de to atommodeller, skal vi forsøge at forstå nogle få begreber.

Atomnummer og massetal

Som vi ved nu, skyldes en positiv ladning på atomkernen protonerne. Desuden er protonens ladning lige stor, men modsat elektronens ladning. Atomnummer (Z) er antallet af protoner, der er til stede i kernen. For eksempel er antallet af protoner i natrium 11, mens det er 1 i brint, Derfor er atomnummeret for natrium og brint henholdsvis 11 og 1.

For at opretholde elektrisk neutralitet er antallet af elektroner i et atom også lig med antallet af protoner (atomnummer, Z). Derfor er antallet af elektroner i natrium og brint henholdsvis 11 og 1.

Atomnummer = antallet af protoner i atomets kerne

= antallet af elektroner i et neutralt atom

Den positive ladning på atomkernen skyldes protoner, men atomets masse skyldes protoner og neutroner. De er tilsammen kendt som nukleoner. Atomets massetal (A) er det samlede antal nukleoner.

Massetal (A) = antallet af protoner (Z) + antallet af neutroner (n)

Derfor repræsenteres sammensætningen af et atom ved hjælp af grundstofsymbolet (X) med massetallet (A) som superskrift til venstre og atomnummeret (Z) som underskrift til venstre – AZX.

Lær mere detaljeret om atomnummer her her.

Isobarer og isotoper

Isobarer er atomer med samme massetal, men et forskelligt atomnummer. For eksempel 146C og 147N.

Lær mere om isobarer her mere detaljeret her.

Isotoper er derimod atomer med samme atomnummer, men med et forskelligt massetal. Det betyder, at forskellen mellem isotoperne skyldes, at der er et forskelligt antal neutroner i kernen. Lad os forstå dette ved at bruge brint som et eksempel –

• 99,985% af brintatomerne indeholder kun én proton. Denne isotop er protium (11H).
• Den isotop, der indeholder én proton og én neutron, er deuterium (21D).
• Den isotop, der indeholder én proton og to neutroner, er tritium (31T). Denne isotop findes i spormængder på jorden.

Andre almindelige isotoper er – kulstofatomer med 6 protoner og 6, 7 eller 8 neutroner (126C, 136C, 146C) og kloratomer med 17 protoner og 18 eller 20 neutroner (3517Cl, 3717Cl).

Note: Atomers kemiske egenskaber er under indflydelse af antallet af elektroner, som er afhængig af antallet af protoner i kernen. Antallet af neutroner har en meget lille indflydelse på et grundstofs kemiske egenskaber. Derfor viser alle isotoper af et grundstof den samme kemiske adfærd.

Lær mere detaljeret om isotoper her her.

Løste eksempler til dig

Spørgsmål 1: Match kolonnerne:

1. Massetal		a. Atomets kernemodel
2. J.J. Thomson	b. Antallet af protoner
3. Rutherford	c. Antal nukleoner
4. Atomnummer	d. Plum pudding model

Løsning: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Spørgsmål 2: Beregn antallet af protoner, neutroner og elektroner i 5626Fe.

Løsning: I 5626Fe er atomnummer (Z) = 26, massetal (A) = 56.

Antal af protoner = antal elektroner = Z = 26.

Antal af neutroner = A – Z = 56 – 26 = 30.