Atommodeller

Snart efter upptäckten av atomens subatomära partiklar var forskarna ivriga att ta reda på hur dessa partiklar var fördelade i atomen. Flera atommodeller föreslogs för att förklara atomens struktur. Många av dem kunde dock inte förklara atomens stabilitet. Låt oss lära oss mer om två av dessa atommodeller som har lett till vår nuvarande uppfattning om atomen.

Föreslagna videor

Thomsons atommodell

In 1898, J. J. Thomson den första av många kommande atommodeller. Han föreslog att en atom är formad som en sfär med en radie på cirka 10-10 m, där den positiva laddningen är jämnt fördelad. Elektronerna är inbäddade i denna sfär för att ge det mest stabila elektrostatiska arrangemanget.

Påminner inte figuren ovan om en uppskuren vattenmelon med kärnor inuti? Eller så kan man också se det som en pudding där elektronerna är plommonen eller russinen i puddingen. Därför kallas denna modell också för vattenmelonmodellen, plommonpuddingsmodellen eller russinpuddingsmodellen.

En viktig aspekt av denna modell är att den utgår från att atomens massa är jämnt fördelad över atomen. Thomsons atommodell var framgångsrik när det gällde att förklara atomens övergripande neutralitet. Dess påståenden stämde dock inte överens med resultaten av senare experiment. År 1906 tilldelades J. J. Thomson Nobelpriset i fysik för sina teorier och experiment om elektricitetens ledning genom gaser.

Du kan ladda ner Structure of Atom Cheat Sheet genom att klicka på nedladdningsknappen nedan

Rutherfords atommodell

Den andra av atommodellerna var bidraget från Ernest Rutherford. För att komma fram till sin modell utförde Rutherford och hans studenter – Hans Geiger och Ernest Marsden – ett experiment där de bombarderade mycket tunn guldfolie med α-partiklar. Låt oss förstå detta experiment.

α-partikelspridningsexperiment

Experiment

I detta experiment riktades α-partiklar med hög energi från en radioaktiv källa mot en tunn folie (ca 100 nm tjocklek) av guld. En cirkulär, fluorescerande zinksulfidskärm fanns runt den tunna guldfolien. En liten ljusblixt producerades vid en punkt på skärmen varje gång α-partiklar träffade den.

Resultat

Baserat på Thomsons modell borde massan av varje atom i guldfolien vara jämnt fördelad över hela atomen. När α-partiklar träffar folien förväntas de därför sakta ner och ändra riktning endast med små vinklar när de passerar genom folien. Resultaten från Rutherfords experiment var dock oväntade –

• De flesta α-partiklar passerade oavledda genom folien.
• Ett litet antal α-partiklar avleddes med små vinklar.
• Väldigt få α-partiklar (ungefär 1 på 20 000) studsade tillbaka.

Slutsatser från α-spridningsexperimentet

Baserat på ovanstående resultat drog Rutherford följande slutsatser om atomens struktur:

• Då de flesta α-partiklar passerade genom folien utan att böjas av, är det mesta av utrymmet i atomen tomt.
• Avvikningen av några få positivt laddade α-partiklar måste bero på den enorma repulsiva kraften. Detta tyder på att den positiva laddningen inte är jämnt fördelad över hela atomen som Thomson hade föreslagit. Den positiva laddningen måste vara koncentrerad till en mycket liten volym för att avleda de positivt laddade α-partiklarna.
• Rutherfords beräkningar visar att atomkärnans volym är mycket liten jämfört med atomens totala volym och att en atoms radie är cirka 10-10 m, medan atomkärnans radie är 10-15 m.

Atomens kärnmodell

Med utgångspunkt i sina observationer och slutsatser föreslog Rutherford sin modell för atomens struktur. Enligt denna modell –

• Det mesta av atomens massa och den positiva laddningen är tätt koncentrerad i ett mycket litet område i atomen. Rutherford kallade detta område för atomkärnan.
• Elektroner omger atomkärnan och rör sig runt den med mycket höga hastigheter i cirkulära banor som kallas banor. Detta arrangemang liknar också solsystemet, där kärnan utgör solen och elektronerna är de roterande planeterna. Därför kallas det också för planetmodellen.
• Elektrostatiska attraktionskrafter håller ihop kärnan och elektronerna.

Nackdelar med Rutherfords atommodell

• Enligt Rutherfords atommodell rör sig elektronerna (planeterna) runt kärnan (solen) i väldefinierade banor. Eftersom en kropp som rör sig i en bana måste utsättas för acceleration måste elektronerna i detta fall utsättas för acceleration. Enligt Maxwells elektromagnetiska teori måste laddade partiklar som accelereras avge elektromagnetisk strålning. Därför kommer en elektron i en omloppsbana att avge strålning och så småningom kommer omloppsbanan att krympa. Om detta är sant kommer elektronen att spiralera in i kärnan. Men detta sker inte. Rutherfords modell förklarar alltså inte atomens stabilitet.
• Vi kan alltså anta att elektronerna inte rör sig och är stationära. Då kommer den elektrostatiska attraktionen mellan elektronerna och den täta kärnan att dra in elektronerna i kärnan för att bilda en miniatyrversion av Thomsons modell.
• Rutherfords modell säger inte heller något om elektronernas fördelning runt kärnan och dessa elektroners energier.

Thos Thomsons och Rutherfords atommodeller avslöjade de viktigaste aspekterna av atomens struktur, men de misslyckades med att ta upp vissa kritiska punkter. Nu när vi känner till de två atommodellerna ska vi försöka förstå några begrepp.

Atomnummer och masstal

Som vi vet nu beror en positiv laddning på kärnan på protonerna. Dessutom är laddningen på protonen lika stor men motsatt till elektronens laddning. Atomnummer (Z) är antalet protoner som finns i kärnan. Till exempel är antalet protoner i natrium 11 medan det är 1 i väte, Därför är atomnumren för natrium och väte 11 respektive 1.

För att bibehålla elektrisk neutralitet är också antalet elektroner i en atom lika med antalet protoner (atomnummer, Z). Därför är antalet elektroner i natrium och väte 11 respektive 1.

Atomnummer = antalet protoner i atomens kärna

= antalet elektroner i en neutral atom

Den positiva laddningen på kärnan beror på protoner, men atomens massa beror på protoner och neutroner. De kallas tillsammans för nukleoner. Atomens masstal (A) är det totala antalet nukleoner.

Masstal (A) = antalet protoner (Z) + antalet neutroner (n)

Därmed representeras en atoms sammansättning med hjälp av grundämnessymbolen (X) med masstalet (A) som överskrift till vänster och atomnumret (Z) som underskrift till vänster – AZX.

Lär dig mer ingående om atomnummer här här.

Isobarer och isotoper

Isobarer är atomer med samma masstal men olika atomnummer. Till exempel 146C och 147N.

Lär dig mer om isobarer här mer detaljerat här.

Isotoper, å andra sidan, är atomer med samma atomnummer men ett annat masstal. Det innebär att skillnaden mellan isotoperna beror på att det finns ett annat antal neutroner i kärnan. Låt oss förstå detta med väte som exempel –

• 99,985 % av väteatomerna innehåller endast en proton. Denna isotop är protium (11H).
• Isotopen som innehåller en proton och en neutron är deuterium (21D).
• Isotopen med en proton och två neutroner är tritium (31T). Denna isotop finns i spårmängder på jorden.

Andra vanliga isotoper är – kolatomer med 6 protoner och 6, 7 eller 8 neutroner (126C, 136C, 146C) och kloratomer med 17 protoner och 18 eller 20 neutroner (3517Cl, 3717Cl).

Anm.: Atomers kemiska egenskaper står under inflytande av antalet elektroner, som är beroende av antalet protoner i kärnan. Antalet neutroner har en mycket liten inverkan på de kemiska egenskaperna hos ett grundämne. Därför uppvisar alla isotoper av ett grundämne samma kemiska beteende.

Lär dig mer ingående om isotoper här här.

Lösta exempel för dig

Fråga 1: Matcha kolumnerna:

1. Massnummer	a. Atomens kärnmodell
2. J.J. Thomson	b. Antal protoner
3. Rutherford	c. Antal nukleoner
4. Atomnummer	d. Plum pudding modell

Lösning: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Fråga 2: Beräkna antalet protoner, neutroner och elektroner i 5626Fe.

Lösning: I 5626Fe är atomnummer (Z) = 26, masstal (A) = 56.

Antal protoner = antal elektroner = Z = 26.

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