Un atom este cea mai mică unitate constitutivă a materiei comune care are proprietățile unui element chimic. Fiecare atom este format dintr-un nucleu și din unul sau mai mulți electroni legați de nucleu. Conform ipotezei De Broglie, atomii sunt suficient de mici încât încercarea de a le prezice comportamentul folosind fizica clasică - de exemplu, ca și cum ar fi niște bile de biliard - dă predicții vizibil incorecte din cauza efectelor cuantice.
Structura nucleului și distribuția sarcinilor
Nucleul este format din unul sau mai mulți protoni și, de obicei, dintr-un număr similar de neutroni. Protonii și neutronii se numesc nucleoni. Peste 99,94% din masa unui atom este concentrată în nucleu. Protonii au sarcină electrică pozitivă, electronii au sarcină electrică negativă, iar neutronii nu au sarcină electrică. Dacă numărul de protoni este egal cu cel de electroni, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric. Electronii unui atom sunt atrași de protonii din nucleul atomic de această forță electromagnetică. Protonii și neutronii din nucleu sunt atrași unul de celălalt printr-o altă forță, forța nucleară, care de obicei este mai puternică decât forța electromagnetică de respingere ce acționează între protonii încărcați pozitiv.
Numărul de protoni din nucleu definește elementul chimic căruia îi aparține atomul: de exemplu, toți atomii de cupru conțin 29 de protoni. Numărul de neutroni definește izotopul elementului. Numărul de electroni influențează proprietățile magnetice ale unui atom.
Istorie și dezvoltare conceptuală
Ideea că materia este alcătuită din unități discrete este o idee foarte veche, care apare în multe culturi antice, cum ar fi Grecia și India. Cuvântul „atom” a fost inventat de vechii filosofi greci. Ca urmare, vederile lor asupra felului cum arată și cum se comportă atomii erau incorecte. Ele nu puteau nici să convingă pe toată lumea, astfel încât atomismul era doar una dintr-o serie de ipoteze concurente cu privire la natura materiei.
La începutul anilor 1800, John Dalton a folosit conceptul de atomi pentru a explica de ce elementele reacționează întotdeauna în raporturi de numere întregi mici (legea proporțiilor multiple). Acest model în chimie i-a sugerat lui Dalton că elementele care reacționează în număr întreg multiplu de unități discrete - cu alte cuvinte, atomi. În 1827, botanistul Robert Brown a folosit un microscop pentru a privi granule de praf plutind în apă și a descoperit că ele se mișcau haotic, fenomen care a devenit cunoscut sub numele de „mișcare browniană”.
Fizicianul J. J. Thomson a măsurat masa razelor catodice, arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de circa 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom, cel de hidrogen. Prin urmare, ele nu erau atomi, ci o nouă particulă, prima particulă subatomică descoperită, numită electron. Thomson a primit în 1906 Premiul Nobel în Fizică pentru acest lucru. El a postulat, incorect, că masa redusă a electronilor încărcați negativ este distribuită prin tot atomul printr-o mare uniformă de sarcini pozitive.
În 1909, Hans Geiger și Ernest Rutherford au investigat distribuția particulelor alfa în raport cu modelul lui Thomson. Rezultatele lor au arătat deviații mari, indicând structură atomică cu nucleu mic, masiv, înconjurat de electroni. În 1932, James Chadwick a descoperit neutronul, explicând de ce izotopii au mase diferite. Baza modelelor ulterioare a fost consolidată de descoperirea quarcilor, pioni, neutrini și înțelegerea forțelor dintre particule.
În Modelul Standard, electronii sunt considerați particule elementare, în timp ce protonii și neutronii sunt compuși din quarkuri. Forța nucleară tare, mediată de gluoni, menține nucleonii la distanțe foarte scurte, iar forța este responsabilă pentru coeziunea nucleului și pentru energiile legate în reacțiile nucleare.
Forța nucleară și sarcinile în nucleu
Forța nucleară (forța nucleon-nucleon sau forța tare) este o atracție puternică între nucleoni la distanțe de aproximativ 1 fm (femtometru) și scade rapid cu creșterea distanței. La distanțe sub 0,7 fm, forța devine de respingere, ceea ce determină limitele dimensiunii nucleare. Această forță între nucleoni este responsabilă pentru stabilitatea nucleului, pentru legăturile dintre protoni și neutroni, și, în final, pentru compoziția materiei.
Protonii și neutronii, ca nucleoni, sunt fermioni supuși principiului de excluziune al lui Pauli, ceea ce impune ocuparea stărilor cuantice distincte. Toate acestea contribuie la stabilitatea materială și la organizarea structurii atomice.
Numărul protonilor reprezintă numărul atomic al elementului, în timp ce numărul neutronilor definește izotopul. Numărul total de protoni și neutroni determină nuclidul, iar masa nucleului este mult mai mică decât masa întregului atom, deoarece masa nucleonilor reprezintă întreaga masă a atomului.
Energia nucleară și reacțiile nucleare
Fuziunea nucleară apare atunci când mai multe particule atomice se unesc pentru a forma un nucleu mai greu, de obicei având loc în condiții de energie înaltă, cum ar fi în centrul Soarelui. Fiziunea nucleară este procesul opus, divizarea nucleului în două nuclee mai mici. Diferența de masă dintre masele inițiale și produsele rezultate poate fi emisă sub formă de energie, conform lui Einstein E = mc². Fuziunea eliberează de obicei energie considerabilă și este sursa principală a energiei stelarelor, în timp ce reacțiile de fisiune sunt utilizate în reactoarele nucleare terestre.
Electronii, protonii și neutronii, în ansamblu, formează nucleonii, dar cărora le aparțin în funcție de tipul atomului. Electronii sunt mult mai ușori și se află în noruri de probabilitate în jurul nucleului, în timp ce nucleonii rămân în nucleu datorită forței nucleare. Sarcina purtata de electroni este negativă, iar cea a protonilor pozitivă; neutronii fiind neutri din punct de vedere electric.
Proprietăți fundamentale ale sarcinii electrice
Sarcina este o proprietate discreta, definită în Sistemul International ca being e ≡ 1,602 × 10−19 C pentru cea mai mică unitate de sarcină electrică. Nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta; sarcina oricărui obiect este un multiplu întreg al acestei valori. Sarcina este conservată: se poate transfera între obiecte, dar suma netă într-un sistem închis rămâne constantă. Dacă două obiecte au sarcini egale și opuse, forțele pe care le exercită asupra unui al doilea obiect se anulează, asigurând o forță netă zero.
În contextul atomului, sarcina pozitivă a nucleului este echilibrată de sarcina negativă a norului de electroni. Atomul neutru din punct de vedere electric are o sarcină totală zero, fiind compus din nucleu pozitiv și nor de electroni negativi ce compun un sistem cu câmp electric extern balansat.
Condiția finală: modelul actual al atomului
În modelul modern, nucleul este compus din protoni și neutroni, denumiți colectiv nucleoni, legați între ei de forța tare. Electronii constituie norul de probabilitate în jurul nucleului și nu au o locație precis determinată în spațiu, conform interpretării cuantice. Masa și sarcina totală a atomului depind de numărul de protoni, de neutroni și de electroni, iar proprietățile magnetice ale atomului sunt influențate de electroni. Existența neutronilor explică stabilitatea nucleară și reglează masele diferite ale izotopilor, în timp ce interacțiunile nucleare adesea explică structura energetică observată în spectrele atomice.
Notă despre figuri explicative
Figura 5.7 Acest model simplificat al unui atom de hidrogen prezintă un nucleu încărcat pozitiv înconjurat de un „nor” de electroni. Sarcina norului de electroni este egală cu sarcina nucleului, dar electronul nu are o locație definită în spațiu.
Figura 5.8 Nucleul unui atom de carbon este compus din șase protoni și șase neutroni.
Săptămânile 1 și 2 de sarcină | Sarcina pe săptămâni
Aceste descrieri conceptuale sunt susținute de observații istorice din măsurătorile spectroscopice, experimentele de dispersie, și dezvoltarea teoriei cuantice moderne care îmbină conceptul de particulă cu cel de undă pentru a explica comportamentul electronilor și al nucleonilor. Sursa: University Physics (OpenStax), traducere de Nicolae Sfetcu.
| Particulă | Masă (kg) | Sarcină | Rol în atom |
|---|---|---|---|
| Electron | 9,11×10^-31 | -1 | poartă sarcină electrică negativă, formă nor în jurul nucleului |
| Proton | 1,6726×10^-27 | +1 | participă la masa nucleului, determină numărul atomic |
| Neutron | 1,6749×10^-27 | 0 | masă aproape egală cu protonul, contribuie la izotopi |
tags: #precizati #sarcina #precizati #sarcina #electrica #a