Δομή του ατόμου
Το άτομο δεν είναι ένα μικροσκοπικό πλανητικό σύστημα. Διαθέτει έναν εξαιρετικά μικρό πυρήνα από πρωτόνια και νετρόνια, ενώ τα ηλεκτρόνια περιγράφονται από κβαντικές καταστάσεις γύρω από τον πυρήνα. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το στοιχείο και η ηλεκτρονιακή δομή καθορίζει το μεγαλύτερο μέρος της χημικής του συμπεριφοράς.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια
Το πρωτόνιο έχει φορτίο +e και βρίσκεται στον πυρήνα. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ο ατομικός αριθμός Z· αν αλλάξει το Z, αλλάζει και το χημικό στοιχείο. Το νετρόνιο δεν έχει καθαρό ηλεκτρικό φορτίο και μαζί με τα πρωτόνια συγκεντρώνει σχεδόν όλη τη μάζα του ατόμου.
Το ηλεκτρόνιο έχει φορτίο −e και μάζα περίπου 1/1836 της μάζας ενός πρωτονίου. Σε ουδέτερο άτομο ο αριθμός ηλεκτρονίων ισούται με τον αριθμό πρωτονίων. Αλλαγή ηλεκτρονίων δημιουργεί ιόν, αλλαγή νετρονίων δημιουργεί ισότοπο, ενώ αλλαγή πρωτονίων δημιουργεί διαφορετικό στοιχείο.
Ατομικός αριθμός, μαζικός αριθμός και ισοτοπική γραφή
Ο μαζικός αριθμός A μετρά τα νουκλεόνια: A = Z + N, όπου N είναι ο αριθμός νετρονίων. Για το ²³₁₁Na έχουμε Z = 11, A = 23 και N = 12. Στο ²³₁₁Na⁺ ο πυρήνας παραμένει ίδιος, αλλά υπάρχουν 10 ηλεκτρόνια αντί για 11.
Η ατομική μάζα που εμφανίζεται στον περιοδικό πίνακα συνήθως δεν είναι ακέραιος μαζικός αριθμός. Είναι μέσος όρος των μαζών των φυσικών ισοτόπων, σταθμισμένος με τις αφθονίες τους. Έτσι, τιμή όπως 35,45 u για το χλώριο δεν σημαίνει ότι ένα μεμονωμένο άτομο έχει 35,45 νουκλεόνια.
Από τον Rutherford στο κβαντικό άτομο
Οι μεγάλες αποκλίσεις λίγων σωματιδίων α στη σκέδαση Rutherford έδειξαν ότι το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα είναι συγκεντρωμένα σε έναν πολύ μικρό πυρήνα. Ένα κλασικό ηλεκτρόνιο σε κυκλική τροχιά, όμως, θα ακτινοβολούσε ενέργεια και το μοντέλο θα κατέρρεε.
Η κβαντομηχανική αντικαθιστά τις καθορισμένες τροχιές με τροχιακά. Ένα τροχιακό είναι κβαντική κατάσταση και η |ψ|² δίνει πυκνότητα πιθανότητας για τη θέση του ηλεκτρονίου. Τα σχήματα τροχιακών οριοθετούν επιλεγμένο ποσοστό πιθανότητας· δεν είναι σκληρά τοιχώματα της ηλεκτρονιακής νέφωσης.
Κλίμακα και δυνάμεις
Η ακτίνα ενός τυπικού ατόμου είναι τάξης 10⁻¹⁰ m, ενώ ο πυρήνας τάξης 10⁻¹⁵ m. Ο πυρήνας είναι λοιπόν περίπου εκατό χιλιάδες φορές μικρότερος σε ακτίνα, αλλά περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα. Το «μέγεθος» του ατόμου δεν έχει απόλυτο σύνορο και ορίζεται πειραματικά από αποστάσεις σε μόρια ή στερεά.
Τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται από την ηλεκτρομαγνητική έλξη προς τον θετικό πυρήνα. Μέσα στον πυρήνα τα πρωτόνια απωθούνται ηλεκτρικά, αλλά σε πολύ μικρές αποστάσεις η ισχυρή αλληλεπίδραση μπορεί να δεσμεύσει πρωτόνια και νετρόνια. Χημικές και πυρηνικές διεργασίες ανήκουν επομένως σε πολύ διαφορετικές ενεργειακές κλίμακες.
Πώς τα πειράματα έχτισαν το μοντέλο
Οι καθοδικές ακτίνες αποκάλυψαν το ηλεκτρόνιο, το πείραμα Millikan μέτρησε το στοιχειώδες φορτίο, η σκέδαση Rutherford αποκάλυψε τον πυρήνα και τα ατομικά φάσματα έδειξαν διακριτές ηλεκτρονιακές ενέργειες. Η ανακάλυψη του νετρονίου από τον Chadwick ολοκλήρωσε τη βασική εικόνα του πυρήνα.
Κάθε στάδιο πρόσθεσε κάτι που μπορούσε να ελεγχθεί πειραματικά. Ένα διάγραμμα ατόμου είναι επομένως μοντέλο που συνοψίζει μετρήσεις και όχι φωτογραφία. Η αξία του φαίνεται όταν προβλέπει σωστά φορτία, ισότοπα, φάσματα και χημικές τάσεις.
Ασκήσεις
Άσκηση 1
Το ²⁴Mg²⁺ έχει Z = 12. Πόσα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια έχει;
Λύση: 12 πρωτόνια, 24 − 12 = 12 νετρόνια και 12 − 2 = 10 ηλεκτρόνια.
Άσκηση 2
Δύο άτομα έχουν 17 πρωτόνια, αλλά 18 και 20 νετρόνια. Ποια είναι η σχέση τους;
Λύση: Είναι ισότοπα του χλωρίου, επειδή έχουν ίδιο Z και διαφορετικό αριθμό νετρονίων.
Άσκηση 3
Ποια παρατήρηση της σκέδασης Rutherford αποκλείει ομοιόμορφα κατανεμημένο θετικό φορτίο;
Λύση: Οι σπάνιες αποκλίσεις σε πολύ μεγάλες γωνίες απαιτούν μικρή, πυκνή και θετικά φορτισμένη περιοχή: τον πυρήνα.