Atomin rakenne
Atomi koostuu hyvin pienestä positiivisesta ytimestä ja sitä ympäröivästä elektronipilvestä. Protoniluku Z määrää alkuaineen, neutronit muuttavat isotooppia ja elektronien määrä määrää neutraalin atomin tai ionin varauksen. Elektroneja ei kuvata klassisina planeettoina vaan kvanttitiloina.
Koko ja massa
Atomin tyypillinen mittakaava on noin 10⁻¹⁰ m, kun ytimen säde on noin 10⁻¹⁵ m. Ydin vie siis äärimmäisen pienen osan tilavuudesta mutta sisältää lähes koko massan. Elektronipilvellä ei ole kovaa ulkoreunaa, vaan todennäköisyystiheys pienenee asteittain etäisyyden kasvaessa.
Protonit, neutronit ja elektronit
Protonin varaus on +e, elektronin −e ja neutroni on sähköisesti neutraali. Jos protonien määrä muuttuu, alkuaine vaihtuu. Jos neutronien määrä muuttuu, saadaan saman alkuaineen eri isotooppi. Elektronien lisääminen tai poistaminen tuottaa ionin muuttamatta ydintä.
Ytimen koossapysyminen
Protonit hylkivät toisiaan Coulombin voimalla, mutta ydinmittakaavassa vahva vuorovaikutus sitoo protonit ja neutronit. Raskaissa ytimissä sähköinen hylkiminen kasvaa ja vakaa neutroni-protoni-suhde muuttuu, mikä selittää osan radioaktiivisuudesta.
Elektronien kvanttitilat
Elektronin tila kuvataan aaltofunktiolla ja kvanttiluvuilla. Orbitaali kertoo tilajakaumasta ja energiasta, ei tarkasta radasta. s-, p-, d- ja f-orbitaalien muodot ja energiat seuraavat kvanttimekaniikasta ja muodostavat perustan jaksolliselle järjestelmälle.
Varjostus ja tunkeutuminen
Monielektronisessa atomissa sisemmät elektronit varjostavat ytimen vetovoimaa. Eri orbitaalit tunkeutuvat kuitenkin eri voimakkaasti kohti ydintä, joten ne kokevat erilaisen efektiivisen ydinvarauksen. Tämä vaikuttaa atomikokoon, ionisaatioenergiaan ja orbitaalien järjestykseen.
Spektrit todisteena
Kun atomijärjestelmä siirtyy kahden sallitun energiatilan välillä, fotonin energia on ΔE=hν. Tietyt spektriviivat osoittavat, etteivät sidotut elektronienergiat ole mielivaltaisia. Spektroskopia antaa siksi suoraa tietoa elektronirakenteesta.
Mallien rajat
Bohrin malli auttaa hahmottamaan vetyä, mutta monielektroniset atomit vaativat Schrödingerin yhtälöä, Paulin periaatetta ja elektronien välisiä vuorovaikutuksia. Tarkassa kuvauksessa tarvitaan myös relativistisia korjauksia erityisesti raskaille alkuaineille.
Kokeellinen kuva
Rutherfordin sirontakokeet osoittivat, että positiivinen varaus ja lähes koko massa ovat pienessä ytimessä. Myöhemmät elektronisironta- ja spektroskopiakokeet tarkensivat ydinkokoa ja elektronitiloja. Atomin rakenne ei siis perustu vain mallikuvaan, vaan eri mittaukset testaavat sen eri osia.
Ionit eivät vaihda alkuainetta
Kun natrium menettää 3s-elektronin, Na⁺ on edelleen natriumia, koska ytimessä on yhä 11 protonia. Kemiallinen käyttäytyminen voi muuttua voimakkaasti, vaikka alkuaineen identiteetti ei muutu. Tämä erottaa elektroniset reaktiot ydinreaktioista.
Yleinen virhe
Elektronipilven “koko” ei tarkoita, että elektroni olisi suurimman osan ajasta tietyllä pallopinnalla. Orbitaalin todennäköisyys on kolmiulotteinen ja jatkuva, ja eri mittarit voivat määritellä atomisäteelle hieman eri arvon.
Harjoitus
Neutraalilla atomilla on Z=13 ja A=27. Kuinka monta protonia, neutronia ja elektronia sillä on?
Ratkaisu
Protoneja on 13, neutroneja A−Z=14 ja neutraalissa atomissa elektroneja 13.