O reprezentare simplificată a unui atom de Heliu: Doi electroni (galbeni) înconjoară un nucleu format din doi protoni (roşii) şi doi neutroni (verzi).
Atomul este cea mai mică particulă, care nu poate fi divizată prin metode fizice obişnuite. Este şi cea mai mică particulă care păstrează proprietăţile fizice şi chimice ale unui element chimic.
Atomul la începuturi
Noţiunea de atom apare pentru prima dată către anul 450 î.Hr. Filozoful grec Leucip dezvoltă teoria conform căreia materia nu este infinit divizibilă şi introduce noţiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Câţiva ani mai târziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, defineşte materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile şi eterne: atomul. Această nouă concepţie nu a fost rezultatul unor observaţii sau experienţe, ci mai degrabă al unor intuiţii. Teoria a fost dezvoltată ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Laurenţiu. Au trecut însă 2000 de ani până când teoria atomică a fost formulată ştiinţific.
În anul 1803, fizicianul şi chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomică proprie care explică Legea proporţiilor multiple, afirmând că din moment ce substanţele se combină numai în proporţii integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.
Scurt istoric al teoriei atomice şi descoperirea structurii atomice
Meditaţiile filozofice atomiste datează încă de pe vremea vechilor gânditori greci şi indieni ai secolelor al VI-lea şi al V-lea î.d.Ch. Prima formulare filozofică a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltată de Democrit în Grecia secolului al VI-lea î.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, până la reaprinderea interesului ştiinţific din epoca Renaşterii.
În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg substanţele în constituenţi proporţionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, şi vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit şi tub Crookes) şi a fost primul care a observat particule încărcate negativ într-un astfel de tub. Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson, în urma cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parţial compuşi din particule foarte uşoare încărcate negativ (dovedite a avea proprietăţi identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai târziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, în care electronii sunt incluşi într-o bilă cu sarcină pozitivă precum "stafidele într-un cozonac".
În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai uşor nucleu, pe care l-a numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă "primul"). Pentru a explica de ce electronii "nu cad, în spirală, pe nucleu", Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate.
După descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbită circulară a fost înlocuit cu cel de "nor", în interiorul căruia distribuţia electronilor a fost descrisă prin ecuaţii probabilistice. În sfârşit, după descoperirea în anul 1932 a neutronului, particulă neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni şi neutroni, aceste ultime rezultate completând concepţia modernă despre structura atomică. Protonul şi neutronul se mai numesc şi nucleoni.
Modele atomice
Modelul sferic
După acest model atomii au formă sferică, sunt complet elastici şi atomii aparţinând aceluiaşi element chimic au aceeaşi masa şi aceeasi formă.
Modelul Thomson
Dezvoltat de J.J. Thomson (1856-1940) în anul 1904 şi care spune că: atomul este o masă incărcată pozitiv şi distribuită omogen sub o formă de sfera şi că în această masă există în unele locuri nişte sfere mai mici, care sunt încărcate negativ (aceste sfere mai mici au fost numite electroni). O proprietate de bază a acestui atom este că numărul sarcinilor negative este egal cu numărul masei pozitive, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
Modelul Rutherford
Acest model a apărut in 1911 şi a fost dedus de Rutherford (1871-1937) după experienţele lui: Hertz, Lenard, Geiger. Noul model atomic are următoarele proprietăţi:
aproape toată masa lui este concentrată în nucleu, care este încărcat pozitiv.
nucleul este înconjurat de un înveliş de electroni, care sunt incărcaţi negativ.
electronii sunt menţinuti de nucleu prin forţe electrostatice.
electronii au o mişcare circulară, care îi împiedică să cadă pe nucleu.
sarcina învelişului electronic se anulează cu sarcina nucleului, rezultând un atom neutru din punct de vedere electric.
Conceput conform legilor mecanicii clasice, atomul lui Rutherford nu putea să explice de ce electronii nu cad pe nucleu, ştiindu-se că orice sarcină electrică în mişcare pierde continuu din energia sa prin radiaţie electromagnetică.
Prin analogie cu Sistemul solar, nucleul este asemănat Soarelui, iar electronii planetelor ce orbitează in jurul acestuia, de unde şi numele de model atomic care îl mai poarta acest model.
Analogia cu planetele nu este valabila deoarece atat nucleul cât şi electronul au sarcina electrică şi conform teoriei electrodinamice clasice, aceea că orice sarcină electrică în mişcare pierde energie sub forma de radiaţii. Astfel electronii, pierzând continuu energie, capătă o traiectorie în spirală şi ar ajunge să cadă pe nucleu.
Modelul Bohr
În anul 1913 apare modelul atomic al lui Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Rutherford şi îi aplica teoria cuantelor. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă al nucleului)
Modelul atomic al lui Bohr se bazează pe doua ipoteze:
1) Prima ipoteză e legată de orbitele atomice şi presupune că electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare, permise, staţionare, fără a emite sau a absorbi energie radiantă. Electronul se menţine datorită compensării forţei centrifuge cu forţa de atracţie Coulombiană.
2) A doua ipoteza emisă de Bohr se referea la faptul că, în mişcarea sa pe orbita permisă, electronul nu emite şi nici nu absoarbe energie radiantă de o anumită frecvenţă, numai discontinuu, corespunzând unor tranziţii electronice, care duc in final la liniile spectrale.
Acest model nu poate explica spectrele de emisie şi energia de ionizare decât pentru atomul de hidrogen si ionii hidrogenoizi.
Modelul Bohr-Sommerfeld
În anul 1915, fizicianul german Arnold Sommerfeld a dezvoltat modelul atomic al lui Bohr, elaborând modelul Bohr-Sommerfeld. El a presupus că orbitele staţionare din jurul nucleului nu sunt numai circulare ci pot fi şi eliptice. În modelul său, unei orbite circulare cu număr cuantic principal (Vezi numere cuantice) n îi corespund n-1 orbite staţionare eliptice. În consecinţă, fiecare orbită circulară a lui Bohr se descompune în n-1 elipse cu excentrităţi diferite, rezultând o familie de orbite pentru fiecare număr cuantic principal n>1.
Deşi perfecţionat faţă de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld îşi limitează aplicabilitatea la hidrogen şi ionii hidrogenoizi, nepermiţând interpretarea spectrelor atomilor cu mai multi electroni, sau comportarea lor magnetică. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic (stările de energie staţionare sunt calculate cu relaţii clasice, numerele cuantice şi condiţiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).
Modelul ondulatoriu staţionar
În anul 1926, Schrödinger elaborează prima lucrare de mecanică ondulatorie, redată prin Ecuaţia lui Schrödinger, prin care arată: caracterul ondulatoriu al mişcării electronului în atom, descris de o funcţie de undă, arată în termenii mecanicii cuantice că energia totală a unei particule (electronul) cu o anumită masă, care se mişcă in spaţiu, este suma dintre energia cinetică şi energia potenţială; ecuaţia are soluţii numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezintă energiile electronului în stările staţionare, stări caracterizate de numerele cuantice, energia în atom fiind cuantificată.
Structura atomului
În chimie şi fizică, atomul (în limba greacă ατομος înseamnă "indivizibil") este cea mai mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietăţile chimice ale unui element (chimic). Dacă, iniţial, cuvântul atom însemna cea mai mică particulă indivizibilă, mai târziu, după ce termenul a căpătat o semnificaţie precisă în ştiinţă, atomii au fost găsiţi a fi divizibili şi compuşi din particule şi mai mici, subatomice.
Cei mai mulţi atomi sunt compuşi din trei tipuri de particule subatomice care guvernează proprietăţile lor externe:
electronii, care au o sarcină electrică negativă şi sunt cele mai puţin masive particule subatomice;
protonii, care au o sarcină electrică pozitivă şi sunt de aproape 1836 ori mai masive decât electronii;
neutronii, care nu au sarcină electrică şi care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decât electronii.
Protonii şi neutronii creează un nucleu atomic dens şi masiv, ei fiind numiţi şi nucleoni. Electronii formează un larg nor electronic ce înconjoară nucleul.
Particule subatomice
Înainte de 1961, se acceptau ca particulele subatomice doar electronii, protonii şi neutronii. Azi se cunoaşte că protonii şi neutronii înşişi sunt constituiţi din particule şi mai mici numite quarci. În plus, electronul are un partener neutru din punct de vedere electric, aproape fără masă, numit neutrino. Electronul şi neutrino sunt ambii leptoni. Prin urmare, atomii sunt compuşi numai din quarci şi leptoni. Protonul este format din doi quarci "up" şi un quarc "down", iar neutronul este format din doi quarci:un quarc "down" şi un quarc "up". Deşi nu apar în substanţa ordinară, alte două generaţii mai grele de quarci şi leptoni pot fi generate în ciocnirile de înaltă energie.