Razumevanje atoma, teorije, delcev, mase, sile in oblike
Razumevanje atoma
Beseda "atom" izvira iz grške besede "atomos", kar pomeni "neizreživ". V skladu s tem razumevanjem so atomi delci, ki sestavljajo vse zelo majhne predmete. Znotraj atoma so tudi podatomi, in sicer delci, ki tvorijo atome, ki so še manjši. Težko si predstavljamo, kako majhni so ti atomi, samo pika na koncu tega stavka je dolga približno 20 milijonov atomov. Vsak atom ima jedro, ki je sestavljeno iz proton, nevtroni in elektrona
Atom je osnovna enota snovi, sestavljena iz jedra in oblaka negativno nabitih elektronov, ki ga obdaja. Atomsko jedro sestavljajo pozitivno nabiti protoni in nevtralno nabiti nevtroni (razen v jedru atoma Vodik-1, ki nima nevtronov). Elektroni v atomu so na atomsko jedro vezani z elektromagnetnimi silami. Takšna skupina atomov se lahko veže tudi med seboj in tvori molekulo. Atomi, ki vsebujejo enako število protonov in elektronov, so nevtralni, tisti, ki vsebujejo različno število protonov in elektronov, pa so pozitivni ali negativni in se imenujejo ioni. Atomi so razvrščeni glede na število protonov in nevtronov v atomskem jedru. Število protonov v atomu določa kemični element atoma, število nevtronov pa izotop tega elementa.
Izraz atom izhaja iz grščine (ἄτομος / átomos, -τεμνω), kar pomeni nedeljiv ali nedeljiv. Koncept atoma kot nedeljive komponente so prvi predlagali indijski in grški filozofi. V 17. in 18. stoletju so kemiki postavili temelje tej zamisli, tako da so pokazali, da nekaterih snovi ni mogoče nadalje deliti s kemičnimi metodami. V poznem 19. in zgodnjem 20. stoletju je fizikom uspelo odkriti strukturo in subatomske komponente znotraj atomov, s čimer so dokazali, da je 'atom' nedeljiv. Načela kvantne mehanike, ki so jih uporabili fiziki, so kasneje uspela modelirati atom. [1]
V vsakdanjih opazovanjih se atomi štejejo za razmeroma zelo majhne predmete, ki imajo sorazmerno majhno maso. Atome lahko nadziramo samo s posebno opremo, kot je mikroskop z atomsko silo. Več kot 99,9% atomske mase je osredotočeno na atomsko jedro, [opomba 1], pri čemer imajo protoni in nevtroni skoraj enako maso. Vsak element ima vsaj en izotop z nestabilnim jedrom, ki lahko radioaktivno razpade. To lahko povzroči transmutacijo, ki spremeni število protonov in nevtronov v jedru. [2] Elektroni, vezani na atome, vsebujejo številne ravni energije, orbitale, ki so stabilne in lahko prehajajo med temi nivoji tako, da absorbirajo ali oddajajo fotone, ki ustrezajo energijski razliki med ravni. Elektroni v atomu določajo kemijske lastnosti elementa in vplivajo na magnetne lastnosti atoma.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Razlike v elementih, atomih in izotopih in njihova pojasnila
Atomske teorije
Atomska teorija Johna Daltona
Leta 1803 je John Dalton podal svoje mnenje o atomu. Daltonova atomska teorija temelji na dveh zakonih, in sicer na zakonu ohranjanja mase (Lavoisierjev zakon) in zakonu fiksne ureditve (Proutsov zakon). Lavosier je izjavil, da "bo skupna masa snovi pred reakcijo vedno enaka skupni masi produktov reakcije". Medtem je Prouts izjavil, da je razmerje med masami elementov v spojini vedno konstantno. Iz teh dveh zakonov je Dalton podal svoje mnenje o atomu, kot sledi:
- Atom je najmanjši del snovi, ki ga ni več mogoče deliti
- Atom je opisan kot zelo majhna trdna krogla, element ima enake in različne atome za različne elemente, ki niso varni
- Atomi se združujejo in tvorijo spojine v enostavnih razmerjih in razmerjih celotnega števila. Na primer, voda je sestavljena iz atomov vodika in atomov kisika
- Kemična reakcija je ločevanje ali kombinacija ali prerazporeditev atomov, tako da atomov ni mogoče ustvariti ali uničiti.
Daltonovo hipotezo atomski model opisuje kot trdno žogo, kot pri suvanju krogle. Tako kot naslednja slika: Daltonov atomski model. Slabosti: Daltonova teorija ne pojasnjuje razmerja med raztopinami spojin in prevodnostjo električnega toka.
Atomska teorija J. J. Thomson
Na podlagi izuma izboljšane katodne cevi Williama Crookersa je J.J. Thomson je raziskoval več o katodnih žarkih in je mogoče ugotoviti, da so katodni žarki delci, ker lahko zasukajo lopatico, ki je postavljena med katodo in anoda. Iz rezultatov tega eksperimenta je Thomson izjavil, da so katodni žarki delci, ki tvorijo atome (subatomski delci), ki imajo negativni naboj in se v nadaljevanju imenujejo elektroni.
Atomi so nevtralni delci, ker imajo elektroni negativni naboj, zato mora obstajati še en delec s pozitivnim nabojem, ki bo nevtraliziral negativni naboj elektrona. Iz teh odkritij je Thomson odpravil slabosti Daltonove atomske teorije in napredoval v svoji atomski teoriji, znani kot Thomsonova atomska teorija. Kar navaja, da: "Atomi so trdne kroglice, ki imajo pozitiven naboj, znotraj pa so razpršeni negativni naboji elektronov"
Ta atomski model lahko opišemo kot olupljeno guavo. Semena guave opisujejo elektrone, ki so enakomerno porazdeljeni v trdni kroglici mesa guave, kar je v Thomsonovem atomskem modelu analogno trdni pozitivni krogli. Thomsonov atomski model lahko opišemo na naslednji način: thomsonov atom
Slabosti: Šibkost Thomsonovega atomskega modela je, da ne more razložiti razporeditve pozitivnih in negativnih nabojev v atomski krogli.
Rutherfordova atomska teorija
Rutherford in dva njegova študenta (Hans Geiger in Erners Masreden) sta na tanki plošči zlata izvedla poskus, znan kot alfa razprševanje (). V preteklosti so bili že najdeni delci alfa, ki so pozitivno nabiti delci, ki se premikajo v ravni črti z veliko prodorno močjo, tako da lahko prodrejo v tanke liste papirja. Namen poskusa je bil dejansko preizkusiti Thomsonovo mnenje, in sicer, ali je atom je res pozitivna trdna krogla, ki se bo ob udaru delca alfa odrazila oz odklonil.
Iz njihovih opazovanj je bilo ugotovljeno, da je bila večina alfa delcev, ko so izstrelili alfa delce na zelo tanko zlato ploščo, prenesena naprej (sicer je kotni odklon manjši od 1 °), vendar so Marsdenova opažanja ugotovila, da se bo eden od 20.000 delcev alfa celo upognil pod kotom 90 ° več. Na podlagi simptomov, ki se pojavijo, se dobijo naslednji zaključki:
- Atomi niso trdne kroglice, ker se skoraj vsi delci alfa prenašajo naprej
- Če zlato ploščo obravnavamo kot plast zlatih atomov, potem so v zlatih atomih zelo majhni delci, ki so pozitivno nabiti.
- Ti delci so delci, ki tvorijo atomsko jedro in temeljijo na dejstvu, da bo 1 od 20.000 delcev alfa odklonjen. Če je razmerje premera 1: 20.000, je velikost atomskega jedra približno 10.000 manjša od velikosti celotnega atoma.
Na podlagi dejstev, pridobljenih iz teh poskusov, je Rutherford predlagal model atoma, znan kot atomski model Rutherford, ki je izjavil, da je atom sestavljen iz zelo majhnega, pozitivno napolnjenega jedra, obdanega z elektroni negativno nabit. Rutherford je sumil, da v jedru atoma obstajajo nevtralni delci, ki delujejo tako, da vežejo pozitivne delce, tako da se med seboj ne odbijajo. Slabosti: ne morem razložiti, zakaj elektroni ne padejo v atomska jedra.
Bohrova atomska teorija
leta 1913 je danski fizik Neils Bohr s svojimi eksperimenti na spektru vodikovega atoma popravil okvaro Rutherfordovega atoma. Ta eksperiment je uspel zagotoviti pregled stanja elektronov, ki so zasedli območje okoli atomskega jedra. Bohrova razlaga atoma vodika je vključevala kombinacijo Rutherfordove klasične teorije in Planckove kvantne teorije, izražene s štirimi postulati, kot sledi:
- Za en elektron v vodikovem atomu je dovoljen le določen nabor orbit. Ta orbita je znana kot stacionarno stanje gibanja (ustaljeno) elektrona in je krožna pot okoli jedra.
- Dokler je elektron v mirujoči orbiti, ostane energija elektrona konstantna, tako da se energija v obliki sevanja ne odda ali absorbira.
- Elektroni se lahko premikajo samo iz ene mirujoče orbite v drugo. Pri tem prehodu je vključena določena količina energije, katere velikost ustreza Planckovi enačbi, ΔE = hv.
- Dovoljena mirujoča pot ima količino z določenimi lastnostmi, zlasti lastnost, imenovano kotni moment. Velikost kotnega momenta je večkratnik h / 2∏ ali nh / 2∏, kjer je n celo število, h pa Planckova konstanta.
V skladu z Bohrovim modelom atoma elektroni krožijo okoli jedra v določenih orbitah, imenovanih elektronske lupine ali ravni energije. Najnižja raven energije je najbolj notranja elektronska lupina, bolj ko izhaja, večje je število lupine in višja je raven energije. Slabosti: Ta atomski model ne more razložiti barvnega spektra atomov z več elektroni.
Sodobna atomska teorija
Kvantno-mehanski atomski model je razvil Erwin Schrodinger (1926), pred Erwinom Schrodingerjem pa strokovnjak iz Nemčije Werner Heisenberg razvil teorijo kvantne mehanike, znano kot načelo negotovosti, in sicer "Nemogoče je določiti položaj in zagon" predmet hkrati previdno, kar lahko ugotovimo, je verjetnost, da najdemo elektron na določeni razdalji od jedra atom ".
Območje vesolja okoli jedra z verjetnostjo pridobivanja elektronov imenujemo orbitala. Obliko in energijsko raven orbital je oblikoval Erwin Schrodinger. Erwin Schrodinger je rešil enačbo, da je dobil valovno funkcijo, ki opisuje meje možnosti iskanja elektronov v treh dimenzijah.
Ta atomski model z elektronskimi orbitalami se imenuje sodobni atomski model ali kvantno-mehanski atomski model, ki je trenutno uporaben, kot je prikazano na naslednji sliki.
Elektronski oblak okoli jedra kaže, kje bodo verjetno elektroni. Orbite opisujejo raven elektronske energije. Orbitale z enakim ali skoraj enakim nivojem energije bodo tvorile podlupino. Več podkož se združi v kožo. Tako je lupina sestavljena iz več podlupnin, podlupina pa iz več orbital. Čeprav je položaj kože enak, položaj orbite ni nujno enak.
Značilnosti atomskega modela valovne mehanike
- Gibanje elektrona ima valovno naravo, zato njegova pot (orbita) ni mirujoča kot Bohrov model, ampak sledi kvadratni rešitvi. valovne funkcije, imenovane orbitale (tridimenzionalne oblike največje verjetnosti iskanja elektronov z določenimi stanji v a) atom)
- Oblika in velikost orbital je odvisna od vrednosti treh kvantnih števil. (Elektroni, ki zasedajo orbitale, so izraženi v teh kvantnih številkah)
- Položaj elektrona do 0,529 Armstronga od H-jedra po Bohru ni nekaj, kar je gotovo, je pa lahko največja možnost, da najdemo elektron.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Atomski delci - razumevanje, zgodovina, elektroni, protoni, nevtroni, atomska jedra, strokovnjaki
Atomski osnovni delci
Electron
Daltonova atomska teorija trdi, da so atomi najmanjši koščki snovi. Pravzaprav lahko atome delimo na sestavne delce, in sicer elektrone, nevtrone in protone. To dokazujejo raziskave električnega toka v nizkotlačnem plinu. Raziskave je leta 1855 začel Heinrich Geissler, ki je uspel zasnovati nizkotlačno stekleno cev, imenovano Geisslerjeva cev. Leta 1859 je Julius Plucker uporabil Geisslerjevo cev pri poskusih elektrolize plinov v notranjosti cevi namestite 2 plošči z elektrodo, elektroda na pozitivnem polu se imenuje anoda, medtem ko se elektroda na pozitivnem polu imenuje katoda. Potem ko je dobil visoko napetost, je opazil snop svetlobe, ki ga oddaja katoda. Toda Plucker meni, da je žarek običajna električna svetloba.
Leta 1876 je Eugene Goldstein uporabljal isto tehniko kot Plucker, vendar je žarke, ki jih oddaja katoda, imenoval kot katodne žarke. Postavlja se vprašanje, ali so katodni žarki elektromagnetni valovi ali delci?
William Crookes je leta 1880 spremenil Geisslerjevo cev, da bi naredil boljši vakuum, ta cev se je imenovala Crookesova cev. Crookesova opazovanja značilnosti katodnih žarkov lahko zaključimo na naslednji način:
- Katodni žarki potujejo v ravni črti.
- Katodni žarki nosijo naboj, ker so odbiti v magnetnem polju.
- Katodni žarki imajo maso, saj lahko v cevi vrtijo majhno kolesce.
- Katodni žarki povzročajo, da se snovi, kot so plini in druge snovi, svetijo.
- Sčasoma je Crookes zaključil, da so katodni žarki nabiti delci.
Leta 1891 je George Johnston Stoney trdil, da so katodni žarki delci, ki jih je imenoval kot elektroni. Leta 1897 je J.J. Thomson je s posebno katodno cevjo dokazal, da so katodni žarki žarki delcev.
Elektroni so subatomski delci, ki imajo negativni naboj in so običajno zapisani kot e-. Elektron nima znanih osnovnih komponent ali podstrukture, zato naj bi bil elementarni delec. Masa elektrona je približno 1/1836 mase protona.
Proton
Proton je subatomski delček s pozitivnim nabojem 1,6 x 10-19 kulomov in maso 938 MeV (1,6726231 x 10-27 kg ali približno 1836-krat večja od mase elektrona).
Leta 1886 je Eugene Goldstein dokazal obstoj pozitivnega naboja. Dokaz se opravi s pomočjo katodne cevi, kjer je katodna plošča dobila luknjo. Opazoval je pot katodnih žarkov, ki so se širili proti anodi, izkazalo se je, da so skozi luknje na katodni plošči v nasprotni smeri potovali še drugi žarki. Ker so smeri nasprotne, morajo biti žarki sestavljeni iz pozitivnih nabojev.
Nevtroni
Nevtroni ali nevtroni so subatomski delci, ki nimajo naboja (nevtralni) in imajo maso 940 MeV / c.2 (1,6749 x 10-27 kg, nekoliko težji od protona.
Odkritje nevtronskega delca je sprožila Rutherfordova raziskava, v svojih poskusih je skušal izračunati število pozitivnega naboja v atomskem jedru in mase atomskega jedra in ugotovil je, da je masa atomskega jedra le polovica mase atom. Leta 1920 je William Draper Harkins domneval, da v atomskem jedru obstajajo še drugi delci protona, ima delec skoraj enako maso kot proton in nima naboja, ga je imenoval nevtroni. Do leta 1932 je James Chadwick dokazoval obstoj nevtronskih delcev.
Odkritje tega nevtrona je naredilo strukturo atoma bolj jasno, da je atom sestavljen iz atomskega jedra z elektroni, ki krožijo v orbiti njegove lupine. Atomsko jedro je sestavljeno iz pozitivno nabitih protonov in nenabitih nevtronov. Medtem ko so elektroni negativno nabiti.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: 323 Definicija energije po mnenju strokovnjakov in vrste energetskih oblik
Vodikov atomski spekter (Bohrov atomski model)
Ključ do uspeha Bohrovega atomskega modela je bil v razlagi Rydbergove formule za spektralne emisijske črte atoma vodika; Čeprav je bila Rydbergova formula eksperimentalno znana, pred uvedbo Bohrovega modela ni nikoli dobila teoretičnih temeljev. Ne samo zato, ker Bohrov model pojasnjuje razloge za strukturo formule. Rydberg, svoje empirične rezultate utemeljuje tudi z izrazi osnovnih fizikalnih konstant.
Bohrov model je primitivni model atoma vodika. Kot teorijo lahko Bohrov model razumemo kot približek prvega reda vodikovega atoma uporablja bolj splošno in natančno kvantno mehaniko, zato jo je mogoče obravnavati kot model, ki je zastarel. Zaradi enostavnosti in natančnih rezultatov za dani sistem pa se Bohrov model še vedno uči kot uvod v kvantno mehaniko.
Na podlagi analize atomskega spektra je Niels Bohr predlagal naslednji atomski model:
- V elektronih obstajajo določene poti, kjer lahko elektroni krožijo okoli jedra, ne da bi oddajali ali absorbirali energijo. orbita, ki ji pravimo tudi atomska lupina, je krožna orbita določenega polmera. vsaka pot je označena s celim številom, imenovanim glavno kvantno število (n), začenši z 1, 2, 3, 4 itd., ki ga predstavljajo simboli K, L, M, N itd. Prva pot z n = 1 se imenuje lupina K itd. večja kot je vrednost n (dlje od jedra), večja je energija elektronov, ki krožijo okoli lupine.
-
Elektroni morajo biti samo na dovoljenih poteh (obstoječe poti) in ne smejo biti med dvema potoma. Pot, ki jo bo zasedel elektron, je odvisna od njegove energije. V normalnih pogojih (brez zunanjih vplivov) elektroni zasedajo najnižjo raven energije. Takšno stanje se imenuje osnovno stanje.
-
elektroni se lahko premikajo iz ene lupine v drugo z oddajanjem ali absorpcijo določene količine energije. prenos elektronov v globljo lupino bo spremljala absorpcija energije. Nasprotno pa bo prenos elektronov v globljo lupino spremljalo sproščanje energije.
Če v cev vstavimo plin in v cev teče električni tok, bo plin oddajal svetlobo. Svetloba, ki jo oddaja vsak plin, je drugačna in je značilnost tega plina. Svetloba se oddaja v obliki linijskega spektra in ne v neprekinjenem spektru. Dejstvo, da plini oddajajo svetlobo v obliki linijskega spektra, naj bi bilo tesno povezano s strukturo atoma. Tako lahko s spektri atomske črte preizkusimo pravilnost atomskega modela.
Linijski spekter tvori vrsto barv svetlobe z različnimi valovnimi dolžinami. Za plinski vodik, ki je najpreprostejši atom, se izkaže, da ima ta niz valovnih dolžin določen vzorec, ki ga lahko izrazimo v obliki matematične enačbe. Številni drugi so kasneje odkrili serije, ki niso Balmer, tako da so bile znane kot serije Lyman, Paschen, Bracket in Pfund. Izkaže se, da je vzorec teh serij podoben in ga je mogoče povzeti v eni enačbi. Ta enačba se imenuje serija vodikovega spektra.
V Rutherfordovem modelu atoma se elektroni vrtijo okoli atomskega jedra v orbitah ali orbitah. Zdi se, da se elektroni, ki se vrtijo v poti, gibljejo v krogu, tako da v svojem gibanju občutijo pospešek. V skladu z elektromagnetno teorijo bodo elektroni, ki doživljajo pospešek, neprekinjeno oddajali elektromagnetne valove. To pomeni, da bo sčasoma elektronom zmanjkalo energije in bodo padli v privlačnost atomskega jedra. To pomeni, da so elektroni nestabilni. Po drugi strani pa elektroni neprekinjeno oddajajo energijo v neprekinjenem spektru. To je v nasprotju z dejstvom, da atomi oddajajo spekter črt.
Nestabilnost elektronov in kontinuirani spekter kot posledica Rutherfordovega modela atoma ne ustrezata dejstvu, da morajo biti atomi stabilni in oddajati linijski spekter. Potrebna je druga razlaga, ki lahko razloži stabilnost atoma in linijski spekter atoma vodika.
Bohrov model atoma je predlagal Niels Bohr, ki je poskušal razložiti stabilnost atoma in linijski spekter vodikovega atoma, česar pa atomski model Rutherford ni mogel razložiti. Bohrov atomski model vsebuje naslednje tri postulate.
- v atomu vodika lahko elektroni obidejo le določene dovoljene poti, ne da bi sprostili (sproščali) energijo. Ta pot se imenuje stacionarna pot in ima določeno ustrezno energijo.
- elektroni se lahko premikajo z ene poti na drugo. Energija v obliki fotonov svetlobe se bo sprostila, če se elektron premakne na globljo pot, medtem ko se bo energija v obliki fotonov svetlobe absorbirala, tako da se bodo elektroni premaknili v bolj usmerjeno smer zunaj.
- Stacionarne poti, ki smejo zasedati elektrone, imajo kotni moment, ki je celo število, mnogokratnik atomske vrednosti.
Bohrovemu atomskemu modelu je uspelo razložiti stabilnost elektronov z vključitvijo koncepta stacionarnih orbit ali poti, v katerih so lahko elektroni v orbiti, ne da bi sproščali energijo. Spekter atomske črte je tudi še en učinek Bohrovega modela atoma. Linijski spekter je rezultat mehanizma elektronov v atomih, ki lahko spreminjajo poti z absorpcijo ali sproščanjem energije v obliki fotonov svetlobe.
Tako je atomska struktura, ki temelji na Bohrovem atomskem modelu, ta, da so lahko elektroni v mirujočih orbitih z določenimi energijami. Pot elektrona lahko mislimo tudi kot energijsko raven elektrona.Elektron, ki je v določeni mirujoči poti z določenim polmerom, naj bi imel določeno energijo. Elektroni v n-ti orbiti so v polmerih poti in energijah, kot sledi.
Čeprav lahko Bohrov atomski model razloži stabilnost atoma in linijski spekter vodikovega atoma, Bohrovega atomskega modela ni mogoče uporabiti za določanje spektra večelektronskega atoma. Poleg tega obstajajo skrivnostne spektralne črte zaradi Zeemanovega učinka, ki jih je treba še pojasniti. To je slabost Bohrovega atomskega modela, ki je še vedno nepopoln, čeprav je naprednejši od Rutherfordovega atomskega modela.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Razumevanje temperaturnih in merilnih instrumentov
Atomska masa in sila
Atomska doba
Atomi v različnih elementih imajo različne mase. Masa je odvisna od števila protonov in nevtronov v jedru. Vodikov atom ima en proton in nima nevtronov, zato ima atomsko maso samo enega. Večja kot je atomska masa, manjši bo atom.
Atomska številka
Ti atomi različnih snovi imajo v jedrih neenako število protonov. Število protonov v jedru se imenuje atomsko število. Če se število protonov v jedru atoma spremeni, se bo atom spremenil v atom z drugačnimi lastnostmi kot prej.
Atomski slog
Negativno nabiti elektroni bodo z elektromagnetno silo zadržani v orbiti okoli pozitivno nabitega jedra. Jedrska privlačnost, ki v jedru atoma zadržuje tako proton kot nevtron, je najmočnejša sila v vesolju. Sila je 100 (stokrat) močnejša od elektromagnetne sile.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Razumevanje kemije - zgodovina, veje, koncepti, industrija, koristi
Električni naboj
Večina prisotnih atomov ima nevtralni električni naboj, kar pomeni število na pozitivno nabitih protonih in tudi število negativno nabitih elektronov je enako Veliko. Obtožbe s to privlačno silo se medsebojno prekličejo.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Potencialna energija - opredelitev, vrste, gravitacija, elektrika, magnetna, elastična, primeri težav
Atomska oblika
Ti atomi imajo različne oblike, ki jih imenujemo izotopi. Vsaka od teh oblik ima enako število protonov in elektronov, vendar različno število nevtronov. Torej imajo vsi izotopi atoma enako atomsko število, vendar različna masna števila.
Ti izotopi imajo enake fizikalne lastnosti, vendar imajo različne kemijske lastnosti. Večina atomov v elementu je ena vrsta elementa.