Atómové modely, čo tam sú?

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, z čoho sú vyrobené veci okolo vás? Stačí povedať, že sa pozriete na stôl, môžete nazvať stôl z dreva. Aj tak si pri pohľade na zrkadlo poviete, že je vyrobené zo skla. Tieto dva materiály majú v zásade odlišné vlastnosti, ale vedeli ste, že sú zložené z rovnakej hmoty? Jeho názov je atóm.

Atómy sú najmenšie častice prvku, ktoré sa zúčastňujú chemických reakcií. Ich extrémne malá veľkosť znemožňuje ich viditeľnosť ani pri použití najsilnejších svetelných mikroskopov. Z nich najmenší je atóm vo vodíku.

Atomové modely

Vedci študovali tieto najmenšie častice po celé storočia, ale nedokázali určiť ich vzhľad. Až v roku 1808 Dalton publikoval svoju teóriu o štruktúre atómu. Od tej doby sa atómové modely vyvinuli spolu s najnovšími poznatkami. Tentokrát budeme diskutovať o rôznych atómových modeloch navrhovaných vedcami.

Daltonova teória

John Dalton je britský chemik, fyzik a meteorológ, ktorý ako prvý publikoval výskum o existencii atómov. Dalton vysvetlil, že hmota sa skladá z nedeliteľných častíc nazývaných atómy.

Bohužiaľ, ďalší výskum dokázal, že atómy samotné sú deliteľné a pozostávajú z subatomárnych častíc. Subatomárne častice pozostávajú z elektrónov, protónov a neutrónov. Od tej doby sa vedci pokúsili navrhnúť rôzne modely zvážením polohy týchto subatomárnych častíc, vrátane JJ Thomsona a Rutherforda.

Atómový model ukazuje atómovú štruktúru a usporiadanie subatomárnych častíc v atóme. Objav protónov a elektrónov viedol vedcov k tvrdeniu, že atómy sú tvorené protónmi a elektrónmi, ktoré vyrovnávajú svoje náboje. Zistili, že protóny boli na vnútornej strane atómu, zatiaľ čo elektróny na vonkajšej strane a ľahko sa oddelili.

Vedci navrhujú 4 atómové modely, a to model navrhnutý Thomsonom, Rutherfordom, Bohrom a kvantovo-mechanický model.

Thomsonov model atómu

Joseph John Thomson bol britský fyzik držiteľ Nobelovej ceny, ktorý ako prvý navrhol atómový model. V skutočnosti ich publikoval pred objavením protónového a atómového jadra. Thomson vo svojej teórii považoval atómy za hrozienkový chlieb alebo model slivkového pudingu, pretože elektróny vo sfére pozitívneho náboja vyzerali vo vianočnom pudingu ako sušené ovocie.

(Prečítajte si tiež: Poznajte vrstvy Zeme na základe ich vrstiev a chemického zloženia)

Tento model predpokladá, že atóm sa skladá z kladne nabitej gule, v ktorej sú zabudované elektróny. Atóm môže mať neutrálny náboj, pretože má rovnaké záporné a kladné náboje.

Rutherfordov model jadrového atómu

Ernest Rutherford je novozélandský fyzik a chemik so sídlom v Anglicku. Atómový model navrhol po uskutočnení experimentu známeho ako Rutherfordov rozptylový experiment. Spolu s dvoma svojimi študentmi uskutočnil experimenty s rozptylom alfa lúčov na tenkej zlatej doštičke.

Rutherford usúdil, že celkový kladný náboj atómu je koncentrovaný vo veľmi malej oblasti známej ako jadro. Elektróny sa otáčajú okolo atómového jadra vysokou rýchlosťou v kruhových dráhach nazývaných obežné dráhy. Elektrostatická príťažlivosť medzi jadrom a elektrónmi udržuje elektróny v ich trajektórii.

Rutherfordov model tiež odhalil, že počet protónov sa rovná počtu elektrónov a je známy ako atómové číslo. Medzitým, ak sa skombinuje počet protónov a počet neutrónov, hodnota je rovnaká ako číslo atómovej hmotnosti.

Bohužiaľ Rutherfordov model atómu nedokázal vysvetliť stabilitu atómu. Podľa elektromagnetickej teórie nabité častice strácajú energiu počas akcelerácie. Strata energie môže spomaliť rýchlosť elektrónov a nakoniec budú elektróny priťahované k jadru a atómy sú zničené. Okrem toho Rutherfordov model atómu tiež nevysvetlil nič o distribúcii elektrónov a elektrónových energiách. Tento atómový model navyše nie je schopný vysvetliť čiarové spektrum poskytované každým prvkom.

Bohrov model atómu

Aby odpovedal na nedostatky Rutherfordovho atómového modelu, najmä čo sa týka líniového spektra a atómovej stability, zverejnil Niels Bohr svoj vlastný atómový model. Povedal, že elektróny sa otáčajú okolo jadra atómu v určitých kruhových dráhach nazývaných energetické škrupiny alebo energetické hladiny. Elektróny rotujúce v energetickom obale sú spojené s pevným množstvom energie. Tieto energetické škrupiny sú očíslované 1, 2, 3 atď. Z atómového jadra alebo sú špecifikované ako škrupiny k, l, m atď.

Usporiadanie elektrónov v atóme je známe ako elektrónová konfigurácia. Konfigurácia elektrónov môže pomôcť vysvetliť, ako sa atómy spájajú. Plnenie elektrónov do atómových obalov začína plnením najvnútornejšej škrupiny alebo škrupiny s najnižšou energiou. Maximálny počet elektrónov, ktoré môžu obaliť, je 2n2.

Atómová teória kvantovej mechaniky

Bohužiaľ, atómový model navrhnutý Bohrom nebol schopný vysvetliť spektrum atómov vodíka v magnetickom aj elektrickom poli. Na to sa pokúsil odpovedať rakúsky fyzik Erwin Schrödinger. Vypracoval atómovú teóriu založenú na princípoch kvantovej mechaniky. Schrödingerov model sa veľmi nelíši od Bohrovho, pretože atóm má pozitívne nabité jadro a je obklopený záporne nabitými elektrónmi. Rozdiel je v polohe elektrónov, ktoré obklopujú atómové jadro.

Vo svojej teórii Bohr tvrdil, že elektróny krúžia okolo atómového jadra na obežných dráhach s určitou vzdialenosťou od atómového jadra, ktorá sa nazýva atómový polomer. Ale v kvantovo-mechanickej teórii nemožno podľa Heisenbergovho princípu neurčitosti poznať s istotou polohu elektrónov obklopujúcich atómové jadro. Preto je najväčšia pravdepodobnosť polohy elektrónu na tejto obežnej dráhe. To znamená, že sa dá povedať, že oblasť s najväčšou pravdepodobnosťou nájdenia elektrónov v atómoch je na orbitáloch.

Kvantovo-mechanický model tiež uvádza, že pohyb elektrónov okolo atómového jadra má vlastnosť dualizmu, ako to navrhol de Broglie. Pretože pohyb elektrónov okolo jadra má vlnovú povahu, musí byť rovnica pohybu elektrónov okolo jadra spojená s vlnovou funkciou.

Schrödinger svoju teóriu doplnil rovnicou, ktorá uvádza, že pohyb elektrónov okolo atómového jadra spojený s dualistickou povahou hmoty možno vyjadriť v karteziánskych súradniciach. Táto rovnica sa stala známou ako Schrödingerova rovnica.

Z tejto rovnice Schrödinger vyprodukoval tri kvantové čísla, a to hlavné kvantum (n), azimutové kvantum (A) a magnetické kvantum (m). Tieto tri kvantové čísla sú jednoduché celé čísla, ktoré označujú pravdepodobnosť elektrónov okolo atómového jadra. Riešenie Schrödingerovej rovnice poskytne tri kvantové čísla. Orbitál je odvodený zo Schrödingerovej rovnice tak, že existuje vzťah medzi orbitálom a všetkými tromi číslami.