Ви коли-небудь замислювались, з чого зроблені речі навколо вас? Просто скажіть, що ви дивитесь на стіл, ви можете назвати стіл з дерева. Навіть подивившись на дзеркало, ви скажете, що воно зроблене зі скла. В основному ці два матеріали мають різні характеристики, але чи знали ви, що обидва вони складаються з однієї і тієї ж речовини? Його назва - атом.
Атоми - це найдрібніші частинки елемента, які беруть участь у хімічних реакціях. Їх дуже малі розміри роблять їх нездатними бачити навіть за допомогою найсильніших світлових мікроскопів. З них найменшим є атом у водню.
Моделі Atom
Вчені вивчали ці найдрібніші частинки протягом століть, але вони не змогли зрозуміти, що вони собою являють. Лише в 1808 році Дальтон опублікував свою теорію про будову атома. З тих пір атомні моделі еволюціонували разом із останніми відкриттями. Цього разу ми обговоримо різні атомні моделі, запропоновані вченими.
Теорія Дальтона
Джон Далтон - британський хімік, фізик і метеоролог, який вперше опублікував дослідження існування атомів. Дальтон пояснив, що речовина складається з неподільних частинок, які називаються атомами.
На жаль, подальші дослідження довели, що самі атоми діляться і складаються з субатомних частинок. Субатомні частинки складаються з електронів, протонів та нейтронів. З тих пір вчені намагалися запропонувати різні моделі, розглядаючи положення цих субатомних частинок, включаючи Дж. Дж. Томсона та Резерфорда.
Атомна модель показує атомну структуру та розташування субатомних частинок в атомі. Відкриття протонів та електронів змусило вчених стверджувати, що атоми складаються з протонів та електронів, які врівноважують їх заряди. Вони виявили, що протони знаходяться всередині атома, тоді як електрони знаходяться зовні і легко від'єднуються.
Існує 4 атомні моделі, запропоновані вченими, а саме модель, запропонована Томсоном, Резерфордом, Бором, та квантово-механічна модель.
Модель атома Томсона
Джозеф Джон Томсон був британським фізиком-лауреатом Нобелівської премії, який першим запропонував атомну модель. Насправді він публікував їх до відкриття протона та атомного ядра. У своїй теорії Томсон вважав атоми схожими на хліб із родзинками або модель сливового пудингу, оскільки електрони в позитивно зарядженій сфері виглядали як сухофрукти в різдвяному пудингу.
(Читайте також: Знати шари Землі на основі їх шарів та хімічного складу)
Ця модель передбачає, що атом складається з позитивно зарядженої кулі з вбудованими в неї електронами. Атом може мати нейтральний заряд, оскільки він має однакові негативні та позитивні заряди.
Модель ядерного атома Резерфорда
Ернест Резерфорд - фізик і хімік, що народився в Новій Зеландії, який базується в Англії. Він запропонував атомну модель після проведення експерименту, відомого як експеримент розсіювання Резерфорда. Він і двоє його учнів проводили експерименти з розсіювання альфа-променів на тонкій золотій пластинці.
Резерфорд вважав, що загальний позитивний заряд атома зосереджений у дуже малій області, відомій як ядро. Електрони обертаються навколо атомного ядра з великою швидкістю круговими шляхами, які називаються орбітами. Електростатичне притягання між ядром і електронами утримує електрони в їх траєкторії.
Модель Резерфорда також виявила, що кількість протонів дорівнює кількості електронів і відоме як атомний номер. Тим часом, якщо кількість протонів і кількість нейтронів поєднано, значення збігається з атомним масовим числом.
На жаль, модель атома Резерфорда не змогла пояснити стабільність атома. Відповідно до електромагнітної теорії, заряджені частинки втрачають енергію під час прискорення. Втрачаючи енергію, можна сповільнити швидкість руху електронів, і з часом електрони будуть притягуватися до ядра, а атоми руйнуються. Крім цього, модель атома Резерфорда також нічого не пояснювала щодо розподілу електронів та енергій електронів. Більше того, ця атомна модель також не може пояснити лінійний спектр, заданий кожним елементом.
Атомна модель Бора
Щоб відповісти на недоліки атомної моделі Резерфорда, особливо щодо лінійного спектру та атомної стійкості, Нільс Бор опублікував свою власну атомну модель. Він сказав, що електрони обертаються навколо атомного ядра на певних кругових орбітах, які називаються енергетичними оболонками або енергетичними рівнями. Електрони, що обертаються в енергетичній оболонці, пов'язані з фіксованою кількістю енергії. Ці енергетичні оболонки нумеруються 1, 2, 3 тощо від атомного ядра або визначаються як оболонки k, l, m тощо.
Розташування електронів в атомі відоме як електронна конфігурація. Електронна конфігурація може допомогти пояснити, як атоми можуть зв’язуватися. Заповнення електронів в атомних оболонках починається з заповнення самої внутрішньої оболонки або тієї, що має найменшу енергію. Максимальна кількість електронів, які можуть зайняти оболонку, становить 2n2.
Атомна теорія квантової механіки
На жаль, запропонована Бором атомна модель не змогла пояснити спектр атомів водню як в магнітному, так і в електричному полях. На це спробував відповісти австрійський фізик Ервін Шредінгер. Він розробив атомну теорію, засновану на принципах квантової механіки. Модель, запропонована Шредінгером, не сильно відрізняється від моделі Бора тим, що атом має позитивно заряджене ядро і оточений негативно зарядженими електронами. Різниця полягає в положенні електронів, які оточують атомне ядро.
У своїй теорії Бор доводив, що електрони обертають атомне ядро на орбітах з певною відстанню від атомного ядра, яке називається атомним радіусом. Але в квантово-механічній теорії положення електронів, що оточують атомне ядро, не може бути точно відоме, згідно з принципом невизначеності Гейзенберга. Отже, найбільша ймовірність положення електрона на цій орбіті. Тобто можна сказати, що область найбільшої ймовірності пошуку електронів в атомах знаходиться на орбіталях.
Квантово-механічна модель також стверджує, що рух електронів навколо атомного ядра має властивість дуалізму, як пропонував де Бройль. Оскільки рух електронів навколо атомного ядра має хвилеподібну природу, рівняння руху електронів навколо ядра має бути пов'язане з хвильовою функцією.
Шредінгер доповнив свою теорію рівнянням, яке стверджує, що рух електронів навколо атомного ядра, пов'язаний з дуалістичною природою речовини, може бути виражений через декартові координати. Це рівняння стало відомим як рівняння Шредінгера.
З цього рівняння Шредінгер створив три квантові числа, а саме головний квант (n), азимутальний квант (A) та магнітний квант (m). Ці три квантові числа є простими цілими числами, що вказують на ймовірність електронів навколо атомного ядра. Рішення рівняння Шредінгера дає три квантові числа. Орбітала виведена з рівняння Шредінгера, так що існує зв'язок між орбіталлю і трьома числами.
