Modele atomowe

Model atomowy Thomsona

W 1898 roku J. J. Thomson zaproponował pierwszy z wielu przyszłych modeli atomu. Zaproponował on, że atom ma kształt kuli o promieniu około 10-10m, w której ładunek dodatni jest równomiernie rozłożony. Elektrony są osadzone w tej sferze tak, aby dać najbardziej stabilny układ elektrostatyczny.

Czy powyższy rysunek nie przypomina Ci rozciętego arbuza z pestkami w środku? Możesz też myśleć o tym jak o budyniu, w którym elektrony są śliwkami lub rodzynkami w budyniu. Dlatego model ten jest również określany jako model arbuza, model budyniu śliwkowego lub model budyniu rodzynkowego.

Ważnym aspektem tego modelu jest to, że zakłada on, iż masa atomu jest równomiernie rozłożona w atomie. Model atomu Thomsona był udany w wyjaśnianiu ogólnej neutralności atomu. Jednak jego propozycje nie były zgodne z wynikami późniejszych eksperymentów. W 1906 r. J.J. Thomson otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoje teorie i eksperymenty dotyczące przewodzenia elektryczności przez gazy.

Możesz pobrać arkusz kontrolny Structure of Atom klikając na poniższy przycisk

Model atomowy Rutherforda

Drugi z modeli atomowych był dziełem Ernesta Rutherforda. Aby opracować swój model, Rutherford i jego uczniowie – Hans Geiger i Ernest Marsden przeprowadzili eksperyment, w którym bombardowali bardzo cienką złotą folię cząstkami α. Zrozummy ten eksperyment.

Doświadczenie rozpraszania cząstek α

Doświadczenie

W tym eksperymencie wysokoenergetyczne cząstki α ze źródła promieniotwórczego zostały skierowane na cienką folię (o grubości około 100nm) ze złota. Wokół cienkiej złotej folii znajdował się okrągły, fluorescencyjny ekran z siarczku cynku. Maleńki błysk światła powstawał w punkcie ekranu za każdym razem, gdy uderzały w niego cząstki α.

Wyniki

Bazując na modelu Thomsona, masa każdego atomu w folii złota powinna być równomiernie rozłożona na całym atomie. Dlatego, gdy cząstki α uderzają w folię, można się spodziewać, że podczas przechodzenia przez folię będą zwalniać i zmieniać kierunki tylko o niewielkie kąty. Jednak wyniki eksperymentu Rutherforda były nieoczekiwane –

• Większość cząstek α przeszła bez odbicia przez folię.
• Niewielka liczba cząstek α została odchylona o niewielkie kąty.
• Niewiele cząstek α (około 1 na 20 000) odbiło się z powrotem.

Wnioski z eksperymentu rozpraszania α

Na podstawie powyższych wyników Rutherford wysnuł następujące wnioski dotyczące budowy atomu:

• Ponieważ większość cząstek α przeszła przez folię bez odbicia, większość przestrzeni w atomie jest pusta.
• Odchylenie kilku dodatnio naładowanych cząstek α musi być spowodowane ogromną siłą odpychającą. To sugeruje, że ładunek dodatni nie jest równomiernie rozłożony w całym atomie, jak proponował Thomson. Ładunek dodatni musi być skoncentrowany w bardzo małej objętości, aby odchylić dodatnio naładowane cząstki α.
• Obliczenia Rutherforda pokazują, że objętość jądra jest bardzo mała w porównaniu do całkowitej objętości atomu, a promień atomu wynosi około 10-10m, podczas gdy promień jądra wynosi 10-15m.

Nuclear Model Of The Atom

Na podstawie obserwacji i wniosków Rutherford zaproponował swój model budowy atomu. Zgodnie z tym modelem –

• Większość masy atomu i ładunek dodatni są gęsto skupione w bardzo małym regionie atomu. Rutherford nazwał ten region jądrem.
• Elektrony otaczają jądro i poruszają się wokół niego z bardzo dużymi prędkościami po kołowych ścieżkach zwanych orbitami. Układ ten przypomina również układ słoneczny, w którym jądro tworzy słońce, a elektrony są obracającymi się planetami. Therefore, it is also referred to as the Planetary Model.
• Electrostatic forces of attraction hold the nucleus and electrons together.

Drawbacks Of Rutherford’s Atomic Model

• According to Rutherford’s atomic model, the electrons (planet) move around the nucleus (sun) in well-defined orbits. Ponieważ ciało, które porusza się po orbicie musi podlegać przyspieszeniu, elektrony, w tym przypadku, muszą podlegać przyspieszeniu. Zgodnie z teorią elektromagnetyczną Maxwella, cząstki naładowane, gdy są przyspieszane, muszą emitować promieniowanie elektromagnetyczne. Zatem elektron na orbicie będzie emitował promieniowanie i w końcu orbita się skurczy. Jeśli to prawda, to elektron wpadnie w spiralę do jądra. Tak się jednak nie dzieje. Tak więc model Rutherforda nie wyjaśnia stabilności atomu.
• Przykładowo, rozważmy, że elektrony nie poruszają się i są nieruchome. Wtedy elektrostatyczne przyciąganie pomiędzy elektronami i gęstym jądrem wciągnie elektrony do jądra, tworząc miniaturową wersję modelu Thomsona.
• Model Rutherforda również nie mówi nic o rozmieszczeniu elektronów wokół jądra i energiach tych elektronów.

Tak więc, modele atomowe Thomsona i Rutherforda ujawniły kluczowe aspekty struktury atomu, ale nie odniosły się do pewnych krytycznych punktów. Teraz, gdy znamy już dwa modele atomu, spróbujmy zrozumieć kilka pojęć.

Liczba atomowa i liczba masowa

Jak już wiemy, dodatni ładunek na jądrze jest spowodowany protonami. Również ładunek na protonie jest równy, ale przeciwny do ładunku elektronu. Liczba atomowa (Z) to liczba protonów obecnych w jądrze. Na przykład, liczba protonów w sodzie jest 11, podczas gdy jest 1 w wodorze, Dlatego liczby atomowe sodu i wodoru są 11 i 1, odpowiednio.

Również, aby utrzymać neutralność elektryczną, liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów (liczba atomowa, Z). Dlatego liczba elektronów w sodzie i wodorze wynosi odpowiednio 11 i 1.

Liczba atomowa = liczba protonów w jądrze atomu

= liczba elektronów w atomie obojętnym

Dodatni ładunek na jądrze jest zasługą protonów, ale masa atomu jest zasługą protonów i neutronów. Są one wspólnie nazywane nukleonami. Liczba masowa (A) atomu jest całkowitą liczbą nukleonów.

Liczba masowa (A) = liczba protonów (Z) + liczba neutronów (n)

Zatem, skład atomu jest przedstawiany za pomocą symbolu pierwiastka (X) z liczbą masową (A) jako nadpisem po lewej stronie i liczbą atomową (Z) jako podpisem po lewej stronie – AZX.

Naucz się o liczbie atomowej tutaj bardziej szczegółowo tutaj.

Izobary i izotopy

Izobary to atomy o tej samej liczbie masowej, ale innej liczbie atomowej. Na przykład, 146C i 147N.

Naucz się o izobarach bardziej szczegółowo tutaj.

Izotopy, z drugiej strony, są atomy o tej samej liczbie atomowej, ale innej liczbie masowej. Oznacza to, że różnica w izotopach wynika z obecności innej liczby neutronów w jądrze. Zrozumiejmy to na przykładzie wodoru –

• 99,985% atomów wodoru zawiera tylko jeden proton. Ten izotop to prot (11H).
• Izotop zawierający jeden proton i jeden neutron to deuter (21D).
• Izotop z jednym protonem i dwoma neutronami to tryt (31T). Izotop ten występuje na Ziemi w śladowych ilościach.

Innymi często występującymi izotopami są – atomy węgla o 6 protonach i 6, 7 lub 8 neutronach (126C, 136C, 146C) oraz atomy chloru o 17 protonach i 18 lub 20 neutronach (3517Cl, 3717Cl).

Uwaga: Właściwości chemiczne atomów są pod wpływem liczby elektronów, które są zależne od liczby protonów w jądrze. Liczba neutronów ma bardzo mały wpływ na właściwości chemiczne pierwiastka. Dlatego wszystkie izotopy danego pierwiastka wykazują takie samo zachowanie chemiczne.

Dowiedz się więcej o izotopach tutaj bardziej szczegółowo tutaj.

Solved Examples For You

Pytanie 1: Dopasuj kolumny:

1. Liczba masowa	a. Model jądrowy atomu
2. J.J. Thomson	b. Liczba protonów
3. Rutherford	c. Liczba nukleonów
4. Liczba atomowa	d. Model budyniu śliwkowego

Rozwiązanie: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Pytanie 2: Oblicz liczbę protonów, neutronów i elektronów w 5626Fe.

Rozwiązanie: W 5626Fe, liczba atomowa (Z) = 26, liczba masowa (A) = 56.

Liczba protonów = liczba elektronów = Z = 26.

Liczba neutronów = A – Z = 56 – 26 = 30.