Atommodellek

Abdreai Démokritosz (Kr. e. 460-370) Démokritosz azt állította, hogy a létező végtelen sokaságú parányi, és épp ezért az érzékszervek által fel nem fogható részecskékből, atomokból épül fel. Kijelentette, hogy az ő részecskéi végtelen sokaságának egyik darabja sem osztható, hanem mindegyikük valóban egy. Az atomok, mint nevük is jelzi (görögül: a-tomos, oszthatatlant jelent) matematikailag oszthatatlanok, nem keletkeztek és nem is pusztulnak el soha: örök létezők. Modellje elméleti alapon nyugszik, nem voltak közvetlen megfigyelések.

A modern atomelmélet John Dalton angol kémikus (1766-1844)  Dalton felfedezte, hogy egy kémiai vegyületben a vegyületet alkotó elemek súlyainak aránya mindig állandó. A hidrogén és az oxigén súlyaránya mindig 1:8. A súlyarányok kísérleti megállapításával meghatározhatók lettek az egyes atomok tömegarányai. Definíció szerint (1960) a C12-es szénizotóp egy atomjának tömegét 12 atomi tömegegységnek tekintjük. (u) Tehát ennek 1/12-ed része az atomi tömegegység. Egy hidrogénatom atomi tömegegysége megközelítőleg 1. (1 proton) A relatív atomtömeg (Ar) pedig az a mértékegység nélküli szám, amely ennek az egységnek az egész számú többszöröse.

Dalton érdeme az, hogy a kísérleti eredményeket az atomok létezésével magyarázta és bizonyította. Szerinte az anyagokat olyan atomok építik fel, melyek oszthatatlan, kicsiny gömbök. Atomok mérete Egyetlen gombostűfejbe 250 trillió atom van összezsúfolva. Tízmillió sorbaállított atom mindössze egy-két milliméteres vonalat adna. Az atomi mikrovilág lineáris méretei : 10-10m 10-10m = 1 Å (Ångström svéd fizikus) Tömegek 10-27 kg nagyságrendűek Anders Jonas Ångström 1814-1874

Az atomok tömege Az atomok elemi részecskékből állnak. M moláris tömeg NA Avogadro-állandó Az elemi hidrogén moláris tömege a legkisebb 1g/mol. A hidrogénatom tömegértékét atomi tömeg-egységnek tekintjük. A tudományos gyakorlatban a 12C izotóp tömegének 1/12 része

Thomson féle atommodell Joseph John Thomson (1856-1940) angol Nobel díjas fizikus, az elektron felfedezője.

Thomson-féle atommodell A fizikusok az atomok belső szerkezetére és törvényszerűségeinek feltárására atommodelleket alkottak. 1897-ben Joseph John Thomson a katódsugarakkal végzett kísérleteket, mely alapján megállapította, hogy az elektron minden anyagnak része az atom semleges, ezért pozitív töltést is kell tartalmaznia. .

Az atom szerinte egy folytonos eloszlású pozitív részecske, amelynek belsejében negatív töltésű, pontszerű elektronok vannak. Eszerint az elektronok az atom középpontjára nézve szimmetrikusan helyezkednek el. Ha az atom sok elektront tartalmaz, akkor azok koncentrikus gyűrűket alkotva helyezkednek el. Ez már magában rejti az elektronok héjszerkezetét és majd az atomok spektrumvonalait.

Ha az atom egyensúlyát egy külső erő megzavarja, akkor az elektronok rezegni kezdenek és fényt bocsátanak ki. A modellt később „mazsolás pudingnak” nevezték el. Segítségével azonban nem lehetett megmagyarázni az atomok spektrumvonalait. (vonalas színkép)

Rutherford féle atommodell Ernest Rutherford (1871-1937) A bolygó-modell Thomson atommodelljét (tanítványa) Ernest Rutherford cáfolta meg 1911-ben. Rutherford és munkatársai ún. szóráskísérleteikben igen vékony aranyfóliát bombáztak -részecskékkel (hélium atommagok). Az aranyfóliát fényérzékeny lemezzel vették körül, amely érzékelte azt, hogy hova csapódnak az  -részecskék.

Az  -részecskék legnagyobb része zavartalanul áthatolt a fólián, néhány irányt változtatott és igen kis részük pattant vissza. Mindez csak úgy lehetséges, hogy az atomok tömegének nagy része egy igen kicsiny központi magban (atommag) összpontosul. A Rutferford által felállított ún. bolygómodell szerint az atomban a nagy tömegű, de kis méretű mag körül az elektronok úgy keringenek, mint a bolygók a Nap körül.

A bolygómodell: 1.Az igen kis méretű pozitív töltésű térrész az atommag, a benne lévő pozitív töltésű részecskék pedig a protonok. 2. Az atom két részből áll: a pozitív töltésű protont tartalmazó atommagból és a körülötte lévő negatív töltésű elektronfelhőből. 3. Az elektronok a mag körül kör alakú pályán úgy keringenek, mint a Nap körül a bolygók. 4. Az atommag igen kicsi térrészt foglal el és az atom tömegének legnagyobb része itt koncentrálódik. 5. Az atomban a pozitív töltésű protonok és negatív töltésű elektronok száma megegyezik, ezért az atom elektromosan semleges.

A bolygó modell hibái: A gravitációs erő helyett a töltések közti elektromos vonzóerő az, ami az atomot összetartja. Ez a modell elektrodinamikai okokból nem lehet stabil. A keringő elektronok állandóan sugározva és energiát veszítve a magba zuhannának.

Niels Henrik David Bohr (1885-1962) Nobel-díjas dán fizikus

A Bohr féle modell A bolygómodell nem helyes, mert a keringő elektron energiát veszít, melynek következtében a másodperc töredéke alatt belezuhanna a magba és ilyen atom nem létezhetne. (1913 Niels Bohr ) A lényeg ugyanaz: a pozitívan töltött atommag körül keringenek a negatívan töltött elektronok. Viszont: az elektronok csak meghatározott sugarú pályákon tudnak keringeni. Ezeken az állandó (stacionárius) pályákon keringve viszont nem tudnak sugározni.

Sommerfeld 1920-ban a Bohr-modellt módosította azzal, hogy az elektronok nemcsak kör, hanem ellipszis alakú pályán is mozoghatnak (Bohr-Sommerfeld féle atommodell). Az ellipszispálya mindkét tengelye csak meghatározott értéket vehet fel (újabb kvantumszám az ún. mellékkvantumszám, jele: l) Bohr modell további kiegészítései: m mágneses kvantumszám s spinkvantumszám A négy kvantumszám (n, l, m, s) egyértelműen meghatározza az atomon belül az elektronok ún. kvantumállapotát. Arnold Sommerfeld 1868-1951

Kvantumszámok:

Bohr atommodell atomok sugárzása Az atom elektronjai csak meghatározott pályákon keringhetnek a mag körül. Ezeken a pályákon - ellentétben a klasszikus elektrodinamika törvényeivel - az elektron nem sugároz. Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron az egyik pályáról a másikra ugrik. Energiáját egy foton formájában bocsátja ki. Frekvenciája: h∙f = Em - En egyenlet határozza meg.

Em ; En az egyes pályákhoz tartozó energiák. Fordítva: az atom csak olyan foton befogására képes, amelynek energiája éppen egyenlő két pályaenergia különbségével.

Az atomok hullám modellje Tizenöt évvel Rutherford mérései után Werner Heisenberg (1925), Erwin Schrödinger (1926) munkássága nyomán kialakult az atomok hullámmodellje. Bohr-modell hiányossága, hogy nem vette figyelembe az atomi elektron hullámtermészetét. Ellentmondásokat az atomok hullámmodellje oldotta fel.

Az elektron L hosszúságú szakaszon v állandó sebességgel mozog Az elektron L hosszúságú szakaszon v állandó sebességgel mozog. /Az elektron L hosszúságú szakaszra van bezárva. / A szakaszon kialakuló elektron-állóhullámok:

h*f =Em-En (m>n) =1/2 m*v2 L hosszúságú láncmolekulába zárt elektron gerjesztése és a molekula foton-kibocsátása a modell alapján: h*f =Em-En (m>n) =1/2 m*v2 Az elektron mozgási energiája nem vehet fel tetszőleges értéket.

Meghatározhatjuk azt, hogy hol milyen eséllyel fordulnak elő elektronok. Az atommagot felhő (vagy köd) módjára veszik körül. Az atomba bezárt elektron állóhullám alakjaihoz rendelt n, l, m kvantumszámok: n főkvantumszám, csomófelületek száma (állóhullám mérete arányos n2-tel) l mellékkvantumszám (csomósíkok száma 0< l < n) m mágneses kvantumszám, térbeli beállást jelzi ( m=0, +-1, +-2,…+-l )

Minden állóhullámalak 3 kvantumszámmal jellemezhető, melyekben maximálisan 2-2 elektron tartózkodhat, +1/2 -1/2 spinkvantumszámmal.