Atom Ilustrație a atomului de heliu, reprezentând nucleul atomic (roz) și distribuția norului electronic (negru). Nucleul (dreapta-sus) de heliu-4 prezintă în realitate simetrie sferică și se aseamănă cu norul electronic, dar aceasta nu se întâmplă și pentru nuclee mai complicate. Un atom este cea mai mică unitate constitutivă a materiei comune care are proprietățile unui element chimic.
Orice solid, lichid, gaz și plasmă este compus din atomi neutri sau ionizați. 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. Fiecare atom este format dintr-un nucleu și din unul sau mai mulți electroni legați de nucleu. 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.
Atomii se pot atașa de unul sau mai mulți alți atomi prin legături chimice pentru a forma compuși chimici, cum ar fi moleculele. 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. Cu toate acestea, aceste idei își aveau fundamentul mai mult în raționamentele filozofice și teologice, decât în dovezi și experimente. 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.
De la atomii primi la înțelegerea modernă a nucleului
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). De exemplu, există două tipuri de oxid de staniu: unul este 88,1% staniu și 11,9% oxigen, iar celălalt este 78,7% staniu și 21,3% oxigen. Acest model comun în chimie i-a sugerat lui Dalton că elementele care reacționează în număr întreg multiplu de unități discrete - cu alte cuvinte, atomi. Dalton credea și că teoria atomică ar putea explica de ce apa absoarbe gaze diferite în proporții diferite. 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 ce a fost descoperită, și pe care el a numit-o inițial „corpuscul”, și mai târziu electron, după particulele postulate de către Johnstone Stoney în 1874. Thomson a răsturnat credința că atomii sunt particulele finale, indivizibile, de materie. Thomson a și 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 Marsden, sub conducerea lui Ernest Rutherford, au bombardat o folie metalică cu particule alfa și au observat devieri mari ale unor particule alfa, ceea ce a condus la un model nuclear al atomului: nucleul este dens și întreaga masă este concentrată în el, în timp ce electronii orbitează în jurul său. În 1913, Frederick Soddy a descoperit conceptul de izotop. Terminul izotop a fost inventat de Margaret Todd. Modelul Bohr și apoi rafinările experimentale au consolidat ideea nucleului cu un număr de sarcini pozitive egal cu numărul atomic. În 1922-1924, experimentele Stern-Gerlach și ideile lui de Broglie și Schrödinger au condus la descrierea cuantică a electronilor ca unde și, mai târziu, la principiul incertitudinii formulat de Heisenberg.
Dezvoltarea spectrometriei de masă a permis măsurarea cu precizie sporită a masei atomilor. Dispozitivul folosește un magnet pentru a îndoi traiectoria unui fascicul de ioni, iar masa relativă față de sarcină determină abaterile. Francis William Aston a demonstrat că izotopii au mase diferite, iar masa atomică a izotopilor variază cu multipli întregi ai unei valori. Aceasta a pregătit terenul pentru înțelegerea structurii nucleare și a stabilității nucleare. Explicația pentru acești izotopi diferiți aștepta descoperirea neutronului de către James Chadwick în 1932. În 1938, Hahn a produs fuziuni și fisiuni nucleare, confirmate ulterior de Meitner și Frisch, iar în 1944 Hahn a primit Nobelul pentru Chimie. În 1950, acceleratoarele de particule și detectoarele îmbunătățite au permis studii ale atomilor în mișcare la energii înalte.
Neutronii și protonii s-au dovedit a fi hadroni, iar în Modelul Standard electronii sunt fermioni fundamentali. Protonii și neutronii sunt compuși din quarkuri, iar interacțiunea tare, mediată de gluoni, ține nucleonii împreună. Raza nucleului este aproximativ egală cu 1.07 × 3√A fm, iar nucleonii sunt legați prin forța tare reziduală. Atomii aceluiași element au același număr de protoni, numit număr atomic, în timp ce numărul de neutroni poate varia în interiorul unui element, definind izotopii. Fermionii respectă principiul de excluziune al lui Pauli, conducând la ocuparea stărilor cuantice distincte de către protoni, neutroni și electroni.
La nucleul unui atom cu număr atomic scăzut, raportul neutroni-protoni tinde spre unu pentru stabilitate, dar creșterea numărului atomic necesită mai mulți neutroni pentru a contracara respingerea dintre protoni. Fuziunea nucleară apare ca un proces în care mai multe particule atomice se unesc, de exemplu în centrul Soarelui, unde protonii necesită energii de 3-10 keV pentru a depăși bariera Coulomb și a fuziona într-un nucleu. Fisiunea nucleară este procesul invers, provocând divizarea unui nucleu în două nuclee mai mici. Massa nucleului poate scădea în timpul fuziunii, iar diferența poate fi emisă ca energie sub forma radiațiilor gamma sau kinetica particulelor, conform E = mc². Fuziunea nucleară între nuclee cu numere atomice mai mici decât fierul eliberează energie, fiind principala sursă a energiei stelare.
Pentru nucleele mai grele, energia de legătură per nucleon scade, ceea ce explică de ce fuziunea între nuclee mai grele devine mai puțin favorabilă energetic. În același timp, nucleul poate fi modificat prin reacții nucleare, bombardament cu particule sau fotoni de înaltă energie, sau prin falii nucleare rezultate în fisiune. În concluzie, sarcina electrică a nucleului este purtătoare de un cumul de sarcini pozitive (protoni), iar distribuția norului electronic determină proprietățile exterioare ale atomului. Pentru a determina sarcina efectivă a nucleului în contextul unui atom, se poate utiliza numărul atomic: totalul protonilor, iar valența și distribuția electronilor influențează interacțiunile magnetice și chimice ale atomului.
Elemente-cheie în studiu
- Numărul atomic (protoni) definește elementul chimic.
- Numărul de neutroni definește izotopul.
- Numărul de electroni influențează proprietățile magnetice și chimice.
- Fermioni Pauli și ocupația stărilor cuantice explică distribuția particulelor în nucleu și în norul electronic.
- Forța tare și interacțiunea gluonilor asigură legătura nucleonilor în nucleu.
- Izotopii, masa atomică și regula numerelor întregi au condus la descoperiri despre particulele subatomice și structură atomi.
Tablou de date relevante
| Particulă | Sarcină | Masă (kg) | Rol în atom |
|---|---|---|---|
| Electron | -e | 9,11×10^-31 | Leagă în norul atomic |
| Proton | +e | 1,6726×10^-27 | Constituie nucleul |
| Neutron | 0 | 1,6749×10^-27 | Contribuie la masă și stabilitate |
Nucleul atomului: protoni, neutroni și sarcina nucleară - Clasa a VII-a
În Modelul actual, electronii sunt considerați particule elementare fără structură internă, în timp ce protonii și neutronii sunt compuși din quarkuri ținuți împreună de forța tare. Raza nucleului este mult mai mică decât raza întregului atom, fapt ce evidențiază concentrarea masei în nucleu și distribuția spațială a electronilor în jurul său. Principiile cuantice, inclusiv principiul incertitudinii, guvernează poziția și impulsul electronilor în norul orbital, iar numărul de protoni (număr atomic) stabilește identitatea elementului chimic. Aceste noțiuni stau la baza înțelegerii sarcinii electrice a nucleului și a comportamentului său în diverse reacții chimice și nucleare.
tags: #sarcina #nucleului #este
Postări populare:
- Bancuri despre boli ginecologice: umor în oglinda tabu-urilor medicale
- Abordarea curriculului preșcolar în germana maternă Baden-Württemberg și impactul asupra Școlii Germane din București
- Ritmul primilor ani: cum dansează bebelușii în reclame
- Evaluarea fertilității la femei și bărbați: ce includ rezultatele
- Somnul sigur al bebelușului: când poate folosi perna și cum să o introduci