Замисляли ли сте се от какво са направени нещата около вас? Просто кажете, че погледнете маса, може да се обадите на маса, изработена от дърво. Въпреки това, когато погледнете огледалото, ще кажете, че е направено от стъкло. По принцип тези два материала имат различни характеристики, но знаете ли, че и двата са съставени от една и съща материя? Името му е атом.
Атомите са най-малките частици от даден елемент, които участват в химични реакции. Тяхният много малък размер ги прави неспособни да бъдат забелязани, използвайки дори най-силните светлинни микроскопи. От тях най-малък е атомът във водорода.
Атомни модели
Учените са изследвали тези най-малки частици от векове, но не са успели да разберат какви са те. Едва през 1808 г. Далтън публикува своята теория за структурата на атома. Оттогава атомните модели се развиват заедно с най-новите открития. Този път ще обсъдим различни атомни модели, предложени от учените.
Теорията на Далтън
Джон Далтън е британски химик, физик и метеоролог, който първо публикува изследвания за съществуването на атоми. Далтън обясни, че материята се състои от неделими частици, наречени атоми.
За съжаление, допълнителни изследвания доказаха, че самите атоми са делими и се състоят от субатомни частици. Субатомните частици се състоят от електрони, протони и неутрони. Оттогава учените се опитват да предложат различни модели, като разглеждат положението на тези субатомни частици, включително J. J. Thomson и Rutherford.
Атомният модел показва атомната структура и разположението на субатомните частици в атома. Откриването на протони и електрони кара учените да твърдят, че атомите са изградени от протони и електрони, които балансират своите заряди. Те открили, че протоните са от вътрешната страна на атома, докато електроните са от външната страна и лесно се отделят.
Има 4 атомни модела, предложени от учените, а именно моделът, предложен от Томсън, Ръдърфорд, Бор, и квантовомеханичният модел.
Модел на атом на Томсън
Джоузеф Джон Томсън е британският физик, носител на Нобелова награда, който първо предлага атомния модел. Всъщност той ги публикува преди откриването на протонното и атомното ядро. В своята теория Томсън смята, че атомите са като хляб със стафиди или модел от сливов пудинг, тъй като електроните в положително заредената сфера изглеждат като сушени плодове в коледния пудинг.
(Прочетете също: Познавайте слоевете на Земята въз основа на техните слоеве и химичен състав)
Този модел предполага, че атомът се състои от положително заредена топка с вградени в нея електрони. Атомът може да има неутрален заряд, тъй като има същите отрицателни и положителни заряди.
Моделът на ядрения атом на Ръдърфорд
Ърнест Ръдърфорд е физик и химик, роден в Нова Зеландия, базиран в Англия. Той предложи атомния модел след провеждане на експеримент, известен като експеримент с разсейване на Ръдърфорд. Той и двама от неговите ученици проведоха експерименти с разсейване на алфа лъчи върху тънка златна плоча.
Ръдърфорд смята, че общият положителен заряд на атом е концентриран в много малък регион, известен като ядро. Електроните се въртят около атомното ядро с висока скорост по кръгови пътеки, наречени орбити. Електростатичното привличане между ядрото и електроните поддържа електроните в тяхната траектория.
Моделът на Ръдърфорд също разкрива, че броят на протоните е равен на броя на електроните и е известен като атомно число. Междувременно, ако броят на протоните и броят на неутроните се комбинират, стойността е същата като атомното масово число.
За съжаление моделът на атом на Ръдърфорд не успя да обясни стабилността на атома. Според електромагнитната теория заредените частици губят енергия по време на ускорението. Загубата на енергия може да забави скоростта на електроните и в крайна сметка електроните ще бъдат привлечени към ядрото и атомите ще бъдат унищожени. Отделно от това, атомният модел на Ръдърфорд също не обяснява нищо за разпределението на електроните и енергиите на електроните. Освен това този атомен модел също не е в състояние да обясни линейния спектър, даден от всеки елемент.
Атомният модел на Бор
За да отговори на недостатъците в атомния модел на Ръдърфорд, особено по отношение на линейния спектър и атомната стабилност, Нилс Бор тогава публикува свой собствен атомен модел. Той каза, че електроните се въртят около атомното ядро в определени кръгови орбити, наречени енергийни обвивки или енергийни нива. Електроните, въртящи се в енергийната обвивка, са свързани с фиксирано количество енергия. Тези енергийни обвивки са номерирани 1, 2, 3 и така нататък от атомното ядро или се определят като черупки k, l, m и т.н.
Разположението на електроните в атома е известно като електронна конфигурация. Електронната конфигурация може да помогне да се обясни как атомите могат да се свържат. Пълненето на електрони в атомни обвивки започва от запълването на най-вътрешната обвивка или тази с най-ниска енергия. Максималният брой електрони, които могат да заемат черупката, е 2n2.
Атомна теория на квантовата механика
За съжаление, атомният модел, предложен от Бор, не успя да обясни спектъра на водородните атоми както в магнитно, така и в електрическо поле. Австрийският физик Ервин Шрьодингер се опита да отговори. Той разработи атомна теория, основана на принципите на квантовата механика. Моделът, предложен от Шрьодингер, не се различава много от този на Бор, тъй като атомът има положително заредено ядро и е заобиколен от отрицателно заредени електрони. Разликата е в положението на електроните, които обграждат атомното ядро.
В своята теория Бор твърди, че електроните обикалят атомното ядро в орбити с определено разстояние от атомното ядро, което се нарича атомния радиус. Но в квантово-механичната теория положението на електроните, заобикалящи атомното ядро, не може да бъде известно със сигурност, според принципа на несигурността на Хайзенберг. Следователно, най-голямата вероятност за позицията на електрона е в тази орбита. Тоест, може да се каже, че областта с най-голяма вероятност за намиране на електрони в атомите е в орбитали.
Квантовомеханичният модел също така заявява, че движението на електрони около атомното ядро има свойството на дуализъм, както е предложено от de Broglie. Тъй като движението на електроните около атомното ядро има вълнообразна природа, уравнението за движението на електроните около ядрото трябва да бъде свързано с вълновата функция.
Шрьодингер допълва теорията си с уравнение, което гласи, че движението на електроните около атомното ядро, свързано с дуалистичната природа на материята, може да бъде изразено чрез декартови координати. Това уравнение стана известно като уравнението на Шрьодингер.
От това уравнение Шрьодингер произвежда три квантови числа, а именно главния квант (n), азимуталния квант (A) и магнитния квант (m). Тези три квантови числа са прости цели числа, указващи вероятността от електрони около атомното ядро. Решението на уравнението на Шрьодингер дава три квантови числа. Орбиталата е получена от уравнението на Шрьодингер, така че има връзка между орбиталата и трите числа.
