Atomimallit

Pian sen jälkeen, kun atomin aliatomihiukkaset oli löydetty, tiedemiehet halusivat selvittää näiden hiukkasten jakautumista atomissa. Atomin rakenteen selittämiseksi ehdotettiin useita atomimalleja. Monet niistä eivät kuitenkaan pystyneet selittämään atomin vakautta. Tutustutaan kahteen näistä atomimalleista, jotka ovat johtaneet nykyiseen käsitykseemme atomista.

Suggested Videos

Thomsonin atomimalli

Vuonna 1898 J. J. Thomson ehdotti ensimmäistä monista tulevista atomimalleista. Hän ehdotti, että atomi on muodoltaan kuin pallo, jonka säde on noin 10-10 m ja jossa positiivinen varaus on tasaisesti jakautunut. Elektronit on upotettu tähän palloon siten, että sähköstaattinen järjestely on mahdollisimman vakaa.

Eikö yllä oleva kuva muistuta sinua leikattua vesimelonia, jonka sisällä on siemeniä? Tai voit ajatella sitä myös vanukkaana, jossa elektronit ovat luumuja tai rusinoita vanukkaassa. Siksi tähän malliin viitataan myös nimellä vesimelonimalli, luumun vanukasmalli tai rusinan vanukasmalli.

Tärkeää tässä mallissa on se, että siinä oletetaan, että atomin massa on jakautunut tasaisesti koko atomiin. Thomsonin atomimalli onnistui selittämään atomin yleisen neutraaliuden. Sen ehdotukset eivät kuitenkaan olleet sopusoinnussa myöhempien kokeiden tulosten kanssa. Vuonna 1906 J. J. Thomsonille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto hänen teorioistaan ja kokeistaan, jotka koskivat sähkön johtumista kaasuissa.

Voit ladata Atomin rakenne -huijarilevyn klikkaamalla alla olevaa latauspainiketta

Rutherfordin atomimalli

Kakkosena atomimalleista oli Ernest Rutherfordin panos. Mallinsa keksimiseksi Rutherford ja hänen oppilaansa Hans Geiger ja Ernest Marsden tekivät kokeen, jossa he pommittivat hyvin ohutta kultakalvoa α-hiukkasilla. Ymmärretäänpä tätä koetta.

α-hiukkasten sirontakoe

Koe

Tässä kokeessa radioaktiivisesta lähteestä peräisin olevat suurienergiset α-hiukkaset suunnattiin ohueen (noin 100 nm:n paksuiseen) kultakalvoon. Ohuen kultakalvon ympärillä oli pyöreä, fluoresoiva sinkkisulfidiseula. Pieni valon välähdys syntyi valkokankaalla olevassa pisteessä aina, kun α-hiukkaset osuivat siihen.

Tulokset

Thomsonin mallin perusteella kultakalvon jokaisen atomin massan pitäisi jakautua tasaisesti koko atomin alueelle. Siksi, kun α-hiukkaset osuvat folioon, niiden odotetaan hidastuvan ja muuttavan suuntaa vain pienillä kulmilla kulkiessaan folion läpi. Rutherfordin kokeesta saadut tulokset olivat kuitenkin odottamattomia –

• Suurin osa α-hiukkasista kulki ohittamatta folion läpi.
• Pieni määrä α-hiukkasia taipui pienillä kulmilla.
• Vähän harvat α-hiukkaset (noin 1 kappale 20 000:sta) kimposivat takaisin.

Johtopäätökset α-sirontakokeesta

Yllämainittujen tulosten perusteella Rutherford teki seuraavat johtopäätökset atomin rakenteesta:

• Koska suurin osa α-hiukkasista kulki folion läpi heijastumatta,
• Sen takia, että suurin osa atomissa olevasta tilasta on tyhjää.
• Vähäisten positiivisesti varattujen α-hiukkasten taipumisen täytyy johtua valtavasta repulsiivisesta voimasta. Tämä viittaa siihen, että positiivinen varaus ei ole jakautunut tasaisesti koko atomiin, kuten Thomson oli esittänyt. Positiivisen varauksen on keskityttävä hyvin pieneen tilavuuteen, jotta positiivisesti varautuneet α-hiukkaset poikkeutuisivat.
• Rutherfordin laskelmat osoittavat, että ytimen tilavuus on hyvin pieni verrattuna atomin kokonaistilavuuteen, ja atomin säde on noin 10-10m, kun taas ytimen säde on 10-15m.

Atomin ydinmalli

Havaintojensa ja johtopäätöstensä perusteella Rutherford ehdotti mallia atomin rakenteesta. Tämän mallin mukaan –

• Suurin osa atomin massasta ja positiivinen varaus on tiheästi keskittynyt hyvin pienelle alueelle atomissa. Rutherford kutsui tätä aluetta ytimeksi.
• Elektronit ympäröivät ydintä ja liikkuvat sen ympärillä hyvin suurilla nopeuksilla ympyränmuotoisilla radoilla, joita kutsutaan radoiksi. Tämä järjestely muistuttaa myös aurinkokuntaa, jossa ydin muodostaa auringon ja elektronit ovat kiertäviä planeettoja. Siksi sitä kutsutaan myös planeettamalliksi.
• Elektrostaattiset vetovoimat pitävät ytimen ja elektronit yhdessä.

Rutherfordin atomimallin haittapuolia

• Rutherfordin atomimallin mukaan elektronit (planeetat) liikkuvat ytimen (auringon) ympärillä tarkoin määritellyillä radoilla. Koska kiertoradalla liikkuvan kappaleen täytyy kokea kiihtyvyyttä, elektronien täytyy tässä tapauksessa olla kiihtyvyyden alaisia. Maxwellin sähkömagneettisen teorian mukaan varattujen hiukkasten on kiihtyessään lähetettävä sähkömagneettista säteilyä. Siksi radalla oleva elektroni säteilee säteilyä ja lopulta rata kutistuu. Jos tämä pitää paikkansa, elektroni kiertyy spiraalimaisesti ytimeen. Näin ei kuitenkaan tapahdu. Näin ollen Rutherfordin malli ei selitä atomin stabiilisuutta.
• Kontradiktorisesti ajatellaan, että elektronit eivät liiku ja ovat paikallaan. Silloin elektronien ja tiheän ytimen välinen sähköstaattinen vetovoima vetää elektronit ytimeen, jolloin muodostuu Thomsonin mallin pienoismalli.
• Rutherfordin malli ei myöskään kerro mitään elektronien jakautumisesta ytimen ympärille ja näiden elektronien energioista.

Thomsonin ja Rutherfordin atomimallit paljastivat siis keskeisiä näkökohtia atomin rakenteesta, mutta jättivät puuttumatta joihinkin kriittisiin kohtiin. Nyt kun tunnemme nämä kaksi atomimallia, yritetään ymmärtää muutamia käsitteitä.

Atominumero ja massaluku

Kuten nyt tiedämme, ytimen positiivinen varaus johtuu protoneista. Myös protonin varaus on yhtä suuri mutta vastakkainen kuin elektronin varaus. Atomiluku (Z) on ytimessä olevien protonien lukumäärä. Esimerkiksi natriumissa protonien lukumäärä on 11, kun taas vedyssä se on 1. Natriumin ja vedyn järjestysluvut ovat siis 11 ja 1.

Sähköisen neutraaliuden säilyttämiseksi atomissa olevien elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä (järjestysluku, Z). Näin ollen natriumin elektronien lukumäärä on 11 ja vedyn 1.

Atominumero = protonien lukumäärä atomin ytimessä

= elektronien lukumäärä neutraalissa atomissa

Ytimen positiivinen varaus johtuu protoneista, mutta atomin massa johtuu protoneista ja neutroneista. Niitä kutsutaan yhdessä nukleoneiksi. Atomin massaluku (A) on nukleonien kokonaismäärä.

Massaluku (A) = protonien määrä (Z) + neutronien määrä (n)

Atomin koostumus esitetään siis alkuaineen symbolilla (X), jossa massaluku (A) on vasemmanpuoleisena super-merkkinä ja atomiluku (Z) vasemmanpuoleisena ala-merkkinä – AZX.

Tutustu atomilukuun tarkemmin täällä.

Isobaarit ja isotoopit

Isobaarit ovat atomeja, joilla on sama massaluku, mutta eri atomiluku. Esimerkiksi 146C ja 147N.

Opi isobaareista täällä tarkemmin täällä.

Isotoopit taas ovat atomeja, joilla on sama järjestysluku mutta eri massaluku. Tämä tarkoittaa, että isotooppien ero johtuu siitä, että ytimessä on eri määrä neutroneita. Ymmärretään tämä käyttämällä esimerkkinä vetyä –

• 99,985 % vetyatomeista sisältää vain yhden protonin. Tämä isotooppi on protium (11H).
• Isotooppi, joka sisältää yhden protonin ja yhden neutronin, on deuterium (21D).
• Isotooppi, jossa on yksi protoni ja kaksi neutronia, on tritium (31T). Tätä isotooppia esiintyy maapallolla pieniä määriä.

Muita yleisiä isotooppeja ovat – hiiliatomit, joilla on 6 protonia ja 6, 7 tai 8 neutronia (126C, 136C, 146C) ja klooriatomit, joilla on 17 protonia ja 18 tai 20 neutronia (3517Cl, 3717Cl).

Huomautus: Atomien kemiallisiin ominaisuuksiin vaikuttaa elektronien lukumäärä, joka on riippuvainen protonien lukumäärästä ytimessä. Neutronien lukumäärällä on hyvin vähäinen vaikutus alkuaineen kemiallisiin ominaisuuksiin. Siksi kaikki alkuaineen isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti samalla tavalla.

Opi isotoopeista tarkemmin täältä täältä.

Ratkaistuja esimerkkejä sinulle

Kysymys 1: Yhdistä sarakkeet:

1. Massaluku	a. Atomin ydinmalli
2. J.J. Thomson	b. Protonien lukumäärä
3. Rutherford	c. Nukleonien lukumäärä
4. Atomiluku	d. Luumupudding-malli

Ratkaisu:

Kysymys 2: Laske protonien, neutronien ja elektronien lukumäärä 5626Fe:ssä.

Ratkaisu: 5626Fe:ssä atomiluku (Z) = 26, massaluku (A) = 56.

Protonien määrä = elektronien määrä = Z = 26.

Neutronien määrä = A – Z = 56 – 26 = 30.