Modeluri atomice

La scurt timp după descoperirea particulelor subatomice ale atomului, oamenii de știință au fost nerăbdători să afle care este distribuția acestor particule în interiorul atomului. Au fost propuse mai multe modele atomice pentru a explica structura atomului. Cu toate acestea, multe dintre ele nu au putut explica stabilitatea atomului. Să cunoaștem două dintre aceste modele atomice care au condus la conceptul nostru actual de atom.

Sugestii video

Modelul atomic al lui Thomson

În 1898, J. J. Thomson a propus primul din multele modele atomice care aveau să apară. El a propus că un atom are forma unei sfere cu o rază de aproximativ 10-10m, în care sarcina pozitivă este distribuită uniform. Electronii sunt încorporați în această sferă, astfel încât să dea un aranjament electrostatic cât mai stabil.

Nu vă amintește figura de mai sus de un pepene verde tăiat cu semințe în interior? Sau, de asemenea, vă puteți gândi la ea ca la o budincă, electronii fiind prunele sau stafidele din budincă. Prin urmare, acest model mai este denumit și modelul pepenelui, modelul budincii cu prune sau modelul budincii cu stafide.

Un aspect important al acestui model este că presupune că masa atomului este distribuită uniform pe atom. Modelul atomic al lui Thomson a reușit să explice neutralitatea generală a atomului. Cu toate acestea, propunerile sale nu erau în concordanță cu rezultatele experimentelor ulterioare. În 1906, J. J. Thomson a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru teoriile și experimentele sale privind conducerea electricității prin gaze.

Puteți descărca Structura atomului Cheat Sheet făcând clic pe butonul de descărcare de mai jos

Modelul atomic al lui Rutherford

Cel de-al doilea dintre modelele atomice a fost contribuția lui Ernest Rutherford. Pentru a ajunge la modelul lor, Rutherford și studenții săi – Hans Geiger și Ernest Marsden au efectuat un experiment în care au bombardat o folie de aur foarte subțire cu particule α. Să înțelegem acest experiment.

Experiment de împrăștiere a particulelor α

Experiment

În acest experiment, particule α de mare energie de la o sursă radioactivă au fost direcționate către o folie subțire (aproximativ 100nm grosime) de aur. În jurul foliei subțiri de aur era prezent un ecran circular, fluorescent din sulfură de zinc. O mică străfulgerare de lumină a fost produsă într-un punct de pe ecran ori de câte ori particulele α îl loveau.

Rezultate

Pe baza modelului lui Thomson, masa fiecărui atom din folia de aur ar trebui să fie distribuită uniform pe întregul atom. Prin urmare, atunci când particulele α lovesc folia, este de așteptat ca acestea să încetinească și să își schimbe direcția doar cu unghiuri mici pe măsură ce trec prin folie. Cu toate acestea, rezultatele experimentului lui Rutherford au fost neașteptate –

• Cele mai multe dintre particulele α au trecut nedeviate prin folie.
• Un număr mic de particule α au fost deviate cu unghiuri mici.
• Mai puține particule α (aproximativ 1 din 20.000) au ricoșat înapoi.

Concluzii ale experimentului de împrăștiere α

Pe baza rezultatelor de mai sus, Rutherford a făcut următoarele concluzii despre structura atomului:

• Din moment ce majoritatea particulelor α au trecut prin folie fără a fi deviate, cea mai mare parte a spațiului din atom este gol.
• Devierea câtorva particule α încărcate pozitiv trebuie să se datoreze forței enorme de respingere. Acest lucru sugerează că sarcina pozitivă nu este răspândită uniform în tot atomul, așa cum propusese Thomson. Sarcina pozitivă trebuie să fie concentrată într-un volum foarte mic pentru a devia particulele α încărcate pozitiv.
• Calculele lui Rutherford arată că volumul nucleului este foarte mic în comparație cu volumul total al atomului și că raza unui atom este de aproximativ 10-10m, în timp ce cea a nucleului este de 10-15m.

Modelul nuclear al atomului

Bazându-se pe observațiile și concluziile sale, Rutherford a propus modelul său de structură a atomului. Conform acestui model –

• Majoritatea masei atomului și a sarcinii pozitive este dens concentrată într-o regiune foarte mică din atom. Rutherford a numit această regiune nucleu.
• Electronii înconjoară nucleul și se deplasează în jurul acestuia cu viteze foarte mari pe traiectorii circulare numite orbite. Acest aranjament seamănă și cu sistemul solar, în care nucleul formează soarele, iar electronii sunt planetele care se rotesc. De aceea, este denumit și modelul planetar.
• Forțele electrostatice de atracție țin împreună nucleul și electronii.

Dezavantajele modelului atomic al lui Rutherford

• Conform modelului atomic al lui Rutherford, electronii (planetele) se deplasează în jurul nucleului (soarele) pe orbite bine definite. Deoarece un corp care se deplasează pe o orbită trebuie să sufere o accelerație, electronii, în acest caz, trebuie să fie supuși unei accelerații. Conform teoriei electromagnetice a lui Maxwell, particulele încărcate, atunci când sunt accelerate, trebuie să emită radiații electromagnetice. Prin urmare, un electron aflat pe o orbită va emite radiații și, în cele din urmă, orbita se va micșora. Dacă acest lucru este adevărat, atunci electronul va intra în spirală în nucleu. Dar acest lucru nu se întâmplă. Astfel, modelul lui Rutherford nu explică stabilitatea atomului.
• Contrar, să considerăm că electronii nu se mișcă și sunt staționari. Atunci atracția electrostatică dintre electroni și nucleul dens va atrage electronii în nucleu pentru a forma o versiune în miniatură a modelului lui Thomson.
• De asemenea, modelul lui Rutherford nu precizează nimic despre distribuția electronilor în jurul nucleului și despre energiile acestor electroni.

Astfel, modelele atomice ale lui Thomson și Rutherford au dezvăluit aspecte cheie ale structurii atomului, dar nu au reușit să abordeze unele puncte critice. Acum că știm cele două modele atomice, să încercăm să înțelegem câteva concepte.

Numărul atomic și numărul de masă

După cum știm acum, o sarcină pozitivă pe nucleu se datorează protonilor. De asemenea, sarcina de pe proton este egală, dar opusă celei a electronului. Numărul atomic (Z) este numărul de protoni prezenți în nucleu. De exemplu, numărul de protoni din sodiu este 11, în timp ce în hidrogen este 1. Prin urmare, numerele atomice ale sodiului și hidrogenului sunt 11 și, respectiv, 1.

De asemenea, pentru a menține neutralitatea electrică, numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni (numărul atomic, Z). Prin urmare, numărul de electroni din sodiu și hidrogen este 11 și, respectiv, 1.

Numărul atomic = numărul de protoni din nucleul unui atom

= numărul de electroni dintr-un atom neutru

Carga pozitivă a nucleului se datorează protonilor, dar masa atomului se datorează protonilor și neutronilor. Aceștia sunt cunoscuți în mod colectiv sub numele de nucleoni. Numărul de masă (A) al atomului este numărul total de nucleoni.

Numărul de masă (A) = numărul de protoni (Z) + numărul de neutroni (n)

De aceea, compoziția unui atom este reprezentată folosind simbolul elementului (X) cu numărul de masă (A) ca suprascris în stânga și numărul atomic (Z) ca subscris în stânga – AZX.

Învățați mai multe detalii despre numărul atomic aici.

Isobarii și izotopii

Isobarii sunt atomi cu același număr de masă, dar cu număr atomic diferit. De exemplu, 146C și 147N.

Învățați despre izobare aici mai detaliat aici.

Izotopii, pe de altă parte, sunt atomi cu același număr atomic, dar cu un număr de masă diferit. Acest lucru înseamnă că diferența dintre izotopi se datorează prezenței unui număr diferit de neutroni în nucleu. Să înțelegem acest lucru folosind hidrogenul ca exemplu –

• 99,985% din atomii de hidrogen conțin un singur proton. Acest izotop este protiul (11H).
• Izotopul care conține un proton și un neutron este deuteriul (21D).
• Izotopul cu un proton și doi neutroni este tritiul (31T). Acest izotop există în cantități infime pe Pământ.

Alți izotopi comuni sunt – atomii de carbon cu 6 protoni și 6, 7 sau 8 neutroni (126C, 136C, 146C) și atomii de clor cu 17 protoni și 18 sau 20 de neutroni (3517Cl, 3717Cl).

Nota: Proprietățile chimice ale atomilor se află sub influența numărului de electroni, care sunt dependenți de numărul de protoni din nucleu. Numărul de neutroni are un efect foarte mic asupra proprietăților chimice ale unui element. De aceea, toți izotopii unui element prezintă același comportament chimic.

Învățați mai multe detalii despre izotopi aici.

Exemple rezolvate pentru dumneavoastră

Întrebare 1: Potriviți coloanele:

1. Numărul de masă	a. Modelul nuclear al atomului
2. J.J. Thomson	b. Numărul de protoni
3. Rutherford	c. Numărul de nucleoni
4. Numărul atomic	d. Modelul budincii de prune

Soluție: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Întrebare 2: Calculați numărul de protoni, neutroni și electroni din 5626Fe.

Soluție: În 5626Fe, numărul atomic (Z) = 26, numărul de masă (A) = 56.

Numărul de protoni = numărul de electroni = Z = 26.

Numărul de neutroni = A – Z = 56 – 26 = 30.

.