Atommodellek

Nem sokkal az atom szubatomi részecskéinek felfedezése után a tudósok arra törekedtek, hogy kiderítsék, hogyan oszlanak meg ezek a részecskék az atomban. Számos atommodellt javasoltak az atom szerkezetének magyarázatára. Sok közülük azonban nem tudta megmagyarázni az atom stabilitását. Ismerjünk meg két ilyen atommodellt, amelyek az atomról alkotott jelenlegi elképzelésünkhöz vezettek.

Suggested Videos

Thomson atommodellje

1898-ban J. J. Thomson javasolta az elsőt a sok későbbi atommodell közül. Azt javasolta, hogy az atom egy gömb alakú, körülbelül 10-10 m sugarú gömb, amelyben a pozitív töltés egyenletesen oszlik el. Az elektronok úgy vannak ebbe a gömbbe ágyazva, hogy a legstabilabb elektrosztatikus elrendeződést adják.

Nem emlékeztet a fenti ábra egy felvágott görögdinnyére, benne magokkal? Vagy gondolhatsz rá úgy is, mint egy pudingra, amelyben az elektronok a szilva vagy a mazsola a pudingban. Ezért ezt a modellt görögdinnye-modellnek, szilvapuding-modellnek vagy mazsolapuding-modellnek is nevezik.

Ezzel a modellel kapcsolatban fontos szempont, hogy feltételezi, hogy az atom tömege egyenletesen oszlik el az atomban. Thomson atommodellje sikeresen magyarázta az atom általános semlegességét. Tételei azonban nem voltak összhangban a későbbi kísérletek eredményeivel. J. J. Thomson 1906-ban fizikai Nobel-díjat kapott a gázok áramvezetésével kapcsolatos elméleteiért és kísérleteiért.

Az alábbi letöltés gombra kattintva letöltheti az Atom szerkezete puskát

Rutherford atommodellje

A második atommodell Ernest Rutherford hozzájárulása volt. Modelljük kidolgozásához Rutherford és tanítványai – Hans Geiger és Ernest Marsden – olyan kísérletet végeztek, amelyben nagyon vékony aranyfóliát α-részecskékkel bombáztak. Értsük meg ezt a kísérletet.

α-részecskék szóródási kísérlete

Kísérlet

Ebben a kísérletben egy radioaktív forrásból származó nagy energiájú α-részecskéket irányítottak egy vékony (kb. 100 nm vastagságú) aranyfóliára. A vékony aranyfólia körül egy kör alakú, fluoreszkáló cink-szulfid képernyő volt. Egy apró fényvillanás keletkezett a képernyő egy pontján, valahányszor α-részecskék csapódtak bele.

Eredmények

Thomson modellje alapján az aranyfóliában minden atom tömegének egyenletesen kellene eloszlania az egész atomban. Ezért amikor az α-részecskék a fóliába csapódnak, várhatóan lelassulnak és csak kis szögben változtatnak irányt, miközben áthaladnak a fólián. Rutherford kísérletének eredményei azonban váratlanok voltak –

• A legtöbb α-részecske eltérítés nélkül haladt át a fólián.
• Egy kis számú α-részecske kis szögben eltérült.
• Nagyon kevés α-részecske (körülbelül 1 a 20 000-ből) pattant vissza.

Az α-szóródási kísérlet következtetései

A fenti eredmények alapján Rutherford a következő következtetéseket vonta le az atom szerkezetéről:

• Mivel a legtöbb α-részecske eltérítés nélkül haladt át a fólián, az atomban lévő tér nagy része üres.
• A néhány pozitív töltésű α-részecske eltérülése a hatalmas taszítóerőnek kell, hogy köszönhető legyen. Ez arra utal, hogy a pozitív töltés nem egyenletesen oszlik el az atomban, ahogy Thomson javasolta. A pozitív töltésnek nagyon kis térfogatban kell koncentrálódnia ahhoz, hogy a pozitív töltésű α-részecskéket eltérítse.
• Rutherford számításai azt mutatják, hogy az atommag térfogata nagyon kicsi az atom teljes térfogatához képest, és az atom sugara körülbelül 10-10 m, míg az atommagé 10-15 m.

Az atom nukleáris modellje

Rutherford megfigyelései és következtetései alapján javasolta az atom szerkezetére vonatkozó modelljét. E modell szerint –

• Az atom tömegének nagy része és a pozitív töltés sűrűn koncentrálódik az atom egy nagyon kis régiójában. Ezt a régiót Rutherford atommagnak nevezte.
• Az elektronok körülveszik az atommagot, és nagyon nagy sebességgel körpályának nevezett körpályákon mozognak körülötte. Ez az elrendezés hasonlít a Naprendszerre is, ahol az atommag alkotja a Napot, az elektronok pedig a keringő bolygók. Ezért bolygómodellnek is nevezik.
• Elektrosztatikus vonzóerők tartják össze az atommagot és az elektronokat.

Rutherford atommodelljének hátrányai

• Rutherford atommodellje szerint az elektronok (bolygók) jól meghatározott pályákon mozognak az atommag (Nap) körül. Mivel egy pályán mozgó testnek gyorsuláson kell átesnie, ebben az esetben az elektronoknak gyorsulás alatt kell lenniük. Maxwell elektromágneses elmélete szerint a gyorsított töltött részecskéknek elektromágneses sugárzást kell kibocsátaniuk. Ezért egy pályán lévő elektron sugárzást bocsát ki, és végül a pálya összezsugorodik. Ha ez igaz, akkor az elektron spirálisan belesodródik az atommagba. De ez nem történik meg. Így Rutherford modellje nem magyarázza meg az atom stabilitását.
• Tegyük fel, hogy az elektronok nem mozognak, és helyhez kötöttek. Akkor az elektronok és a sűrű atommag közötti elektrosztatikus vonzás az elektronokat az atommagba húzza, így kialakul a Thomson-modell miniatűr változata.
• Rutherford modellje sem mond semmit az elektronok atommag körüli eloszlásáról és ezen elektronok energiáiról.

A Thomson és Rutherford atommodelljei tehát feltárták az atom szerkezetének kulcsfontosságú aspektusait, de néhány kritikus pontot nem érintettek. Most, hogy ismerjük a két atommodellt, próbáljunk meg megérteni néhány fogalmat.

Atomszám és tömegszám

Amint már tudjuk, az atommag pozitív töltése a protonoknak köszönhető. Továbbá a proton töltése egyenlő, de ellentétes az elektronéval. Az atomszám (Z) az atommagban jelen lévő protonok száma. Például a nátriumban a protonok száma 11, míg a hidrogénben 1. Ezért a nátrium és a hidrogén atomi száma 11, illetve 1.

Az elektromos semlegesség fenntartása érdekében az atomban lévő elektronok száma megegyezik a protonok számával (atomi szám, Z). Ezért a nátriumban és a hidrogénben az elektronok száma 11, illetve 1.

Atomszám = a protonok száma az atommagban

= az elektronok száma a semleges atomban

Az atommag pozitív töltése a protonoknak köszönhető, de az atom tömege a protonoknak és a neutronoknak köszönhető. Ezeket együttesen nukleonoknak nevezzük. Az atom tömegszáma (A) a nukleonok összesített száma.

Masszaszám (A) = a protonok száma (Z) + a neutronok száma (n)

Ezért az atom összetételét az elem szimbólumával (X) ábrázoljuk, amelynek bal oldalán a tömegszám (A) a felirat, bal oldalán pedig az atomszám (Z) az alszám – AZX.

Az atomszámról részletesebben itt olvashatsz.

Izobárok és izotópok

Az izobárok azonos tömegszámú, de eltérő atomszámú atomok. Például 146C és 147N.

Az izobárokról itt tanulhatsz részletesebben itt.

Az izotópok viszont olyan atomok, amelyeknek azonos az atomszámuk, de eltérő a tömegszámuk. Ez azt jelenti, hogy az izotópok közötti különbséget az atommagban lévő különböző számú neutronok jelenléte okozza. Értsük ezt a hidrogén példáján –

• A hidrogénatomok 99,985%-a csak egy protont tartalmaz. Ez az izotóp a protium (11H).
• Az egy protont és egy neutront tartalmazó izotóp a deutérium (21D).
• Az egy protont és két neutront tartalmazó izotóp a trícium (31T). Ez az izotóp nyomokban létezik a Földön.

A többi gyakori izotóp – a 6 protonnal és 6, 7 vagy 8 neutronnal rendelkező szénatomok (126C, 136C, 146C) és a 17 protonnal és 18 vagy 20 neutronnal rendelkező klóratomok (3517Cl, 3717Cl).

Megjegyzés: Az atomok kémiai tulajdonságai az elektronok számának hatása alatt állnak, amelyek az atommagban lévő protonok számától függnek. A neutronok száma nagyon kis mértékben befolyásolja egy elem kémiai tulajdonságait. Ezért egy elem minden izotópja azonos kémiai viselkedést mutat.

Az izotópokról itt tanulhatsz részletesebben.

Megoldott példák neked

Kérdés 1: Párosítsd az oszlopokat:

1. Tömegszám	a. Az atom nukleáris modellje
2. J. J. Thomson	b. Protonok száma
3. Rutherford	c. Nukleonok száma
4. Atomszám	d. Szilvapuding modell

megoldás: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Kérdés 2: Számítsuk ki a protonok, neutronok és elektronok számát az 5626Fe-ben.

Megoldás: Az 5626Fe-ben az atomszám (Z) = 26, a tömegszám (A) = 56.

A protonok száma = az elektronok száma = Z = 26.

Neutronok száma = A – Z = 56 – 26 = 30.