Budowa atomu

Upłynęło wiele czasu zanim ludzkość dowiedziała się o atomie i jego budowie. Dopiero pod koniec XIX w. Udowodniono, że atom nie stanowi kresu podziału substancji.

Joseph John Thomson (1856-1940) – badał wyładowania elektryczne w gazach rozrzedzonych. W 1896r. odkrył istnienie ujemne naładowanej cząstki mniejszej od atomu. Cząstkę nazwano elektronem i przypisano mu symbole e-. Masa elektronu wynosi ok. 0,00055u (9,11 ^. 10-31kg), a jego ładunek –1 jest to elementarny ujemny ładunek elektryczny i ma wartość 1,6 ^. 10-19.

Antoni Henri Becquerel (1852-1908) oraz Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie – okryli, że atomy niektórych pierwiastków rozpadają się samoczynnie emitując 3 rodzaje promieniowania a, b, g.
· Promienie b - okazało się strumieniem odkrytych przez Thomsona elektronów.
· Promienie a - są to cząstki o ładunku dodatnim 2 razy większym od bezwzględnej wartości ładunku elektronu i masie równej czterem jednostkom mas atomowych.
· Promienie g - ma charakter fal elektromagnetycznych, tak jak fale radiowe i świetlne.

Zjawisko samorzutnego rozpadu atomów połączone z emisją promieni a, b, g nazwano promieniotwórczością naturalną a pierwiastki, których atomy ulegają takiemu rozpadowi – pierwiastkami promieniotwórczymi.

Ernest Rutherford – angielski fizyk, profesor uniwersytetu w Cambridge był następnym współtwórcą atomu. Przeprowadził doświadczenie w którym zastosował pierwiastek promieniotwórczy – polon, jako źródło emisji cząsteczek a. Strumień ich skierował na cienką folię złota. Zauważył, że większość z nich swobodnie przechodzą przez folię i uderzają w ekran wywołując na nim, za każdym razem słaby rozbłysk. Część cząsteczek a odchylała się na boki, a mniej więcej jedna na 20 000 odbijała się od folii wędrując z powrotem w stronę źródła emisji.

W 1911 r. Rutherford opracował i opublikował koncepcje planetarnego modelu atomu. Założył, że atom każdego pierwiastka jest zbudowany z jądra i powłok elektronowych. Planetarny model atomu stał jednak w jawnej sprzeczności z prawami fizyki klasycznej. Zgodnie z nimi ujemny elektron, krąży wokół dodatniego jądra i zbliża się do niego po torze spiralnym, emitując energię w postaci fali elektromagnetycznej o długości zmieniającej się w sposób ciągły. Analiza takiego promieniowania wykonana za pomocą spektrografu powinna zatem dawać tzw. widmo ciągłe w postaci tęczy. W rzeczywistości jednak poszczególne pierwiastki emitują widmo nieciągłe, tzw. liniowe i to tylko po wzbudzeniu, np. przez ogrzanie lub wyładowanie elektryczne.

Fakt, że masy wszystkich izotopów danego pierwiastka wyrażają się liczbą zbliżoną do całkowitej, nasuwał wniosek, że jądro atomów są zbudowane z cząstek, tzw. nukleonów, o względnej masie atomowej zbliżonej do jedności. Znane są dwie cząstki- proton i neutron, których masy różnią się nieznacznie od jedności. Proton i neutron uważa się obecnie za dwa różne stany ładunkowe tej samej cząstki – nukleonu.

Niels Bohr – W 1913 r. duński fizyk, profesor uniwersytetu w Kopenhadze stworzył teorię kwantów, punktem wyjścia tej teorii był model atomu Rutherforda według, którego cała prawie masa atomu skupiona jest w jądrze w bardzo małych rozmiarach w porównaniu do rozmiarów atomów. Wyprowadził on teoretycznie po raz pierwszy empiryczny wzór Balmera. Jego teoria odegrała istotną rolę w rozwoju mechaniki kwantowej. Została ona z biegiem czasu zmodyfikowana. Atom wodoru zawiera proton (+e) jako jądro oraz elektron (-e) krążący wokół jądra. Między tymi cząsteczkami działa coulombowska siła centralna:
· gdzie v oznacza prędkość elektronu na torze.

Założenia jakie wprowadził Bohr w swojej teorii, są następujące:

1. Pierwsze założenie Bohra – moment pędu albo kręt elektronu mvr musi być całkowitą wielokrotnością wielokrotności.
Według Bohra istnieje tylko pewien ciąg wybranych torów, po których może krążyć elektron. Ich promienie są proporcjonalne do kwadratów kolejnych liczb całkowitych. Przy poruszaniu się po jednym z tych torów elektron nie traci energii, nie wysyła promieniowania. Założenie to jest sprzeczne z elektrodynamiką klasyczną, według której elektron poruszający się ruchem przyśpieszonym (a w tym wypadku ma przyśpieszenie dośrodkowe) powinien wypromieniować fale elektromagnetyczne. Normalnie elektron krąży po pierwszym, najbliższym torze. Jego promień jest jednocześnie promieniem atomu w jego normalnym stanie. Elektron krążący po jednym z dalszych torów pozostaje na nim zwykle przez czas bardzo krótki, po czym przeskakuje na tor bliższy. Podczas tego przeskoku energia atomu zmniejsza się. Według zasady zachowania energii nie może ona zniknąć. Bohr wprowadza drugie założenie:

2. Drugie założenie Bohra
Gdy elektron przeskakuje z toru n- tego na tor i- ty, bliższy, wskutek czego energia atomu zmniejsza się z En na Ei , to różnica energii En – Ei jest wysyłana w przestrzeń w postaci promieniowania w pewnej określonej ilości, czyli kwantu promieniowania hv, gdzie h oznacza stałą Plancka, a v- część wysłanego promieniowania.

W ogólności można powiedzieć, że gdy atom przechodzi z wyższego poziomu energetycznego E1 – E2 w postaci promieniowania monochromatycznego o częstości v określonej wzorem:
hv= E1 - E2

Jeden atom w danej chwili może wysłać tylko jeden kwant światła o określonej długości fali. Od ilości atomów wysyłających kwanty danej częstości zależy natężenie danej linii widmowej (tj. ilość energii wysyłanej w sekundzie, przypadającej na dana linię widomą)