Opbau vum Atom
Den Opbau vun engem Atom ass kee Sonnesystem am Miniaturformat. En Atom huet e winzege Kär aus Protonen an Neutronen, ëmgi vun Elektronen, déi duerch Quantenzoustänn beschriwwe ginn. De Kär bestëmmt d’Identitéit a enthält bal déi ganz Mass; d’Verdeelung vun den Elektrone bestëmmt de gréissten Deel vun der Chimie.
Dräi Partikelen, dräi verschidde Rollen
Proton
Ladung +e. Befënnt sech am Kär. D’Zuel vun de Protonen Z definéiert d’Element.
Neutron
Keng Nettoladung. Befënnt sech am Kär. Verschidden Neutronenzuele féieren zu Isotopen.
Elektron
Ladung −e. Ongeféier 1/1836 vun der Mass vun engem Proton. Besetzt Quantenzoustänn ronderëm de Kär a bestëmmt gréisstendeels d’Chimie.
En neutralt Atom huet genee sou vill Elektrone wéi Protonen. Ännert een d’Elektronenzuel, entsteet en Ion; ännert een d’Neutronenzuel, entsteet en Isotop; ännert een d’Protonenzuel, kritt een en anert Element.
Uerdnungszuel, Massenzuel an Isotopennotatioun
D’Uerdnungszuel Z ass d’Zuel vun de Protonen. D’Massenzuel A zielt Protonen an Neutronen zesummen, also ass d’Neutronenzuel N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: nach ëmmer 11 Protonen an 12 Neutronen, mee elo 10 Elektronen.
D’Atommass am Periodesche System ass normalerweis keng ganz Zuel, well si e gewiichtent Mëttel vun den natierlech virkommenden Isotopen ass an net d’Massenzuel vun engem eenzelen Atom.
Vum Rutherford zum Quantenatom
D’Rutherford-Streuung huet de Kär nogewisen, mee e klasseschen Elektron, deen ëm e positive Kär kreest, géif Energie ofstralen an an de Kär falen. De Bohr huet diskret Energieniveaue fir Waasserstoff agefouert; d’Quantenmechanik huet fest Bunnen duerch Wellefunktiounen an Orbitaler ersat.
En Orbital ass keng Bunn. Et ass e Quantenzoustand, deem seng Wellefunktioun eng Wahrscheinlechkeetsverdeelung dofir festleet, wou en Elektron fonnt ka ginn. Schuelen an Ënnerschuelen ordnen dës Zoustänn no Quantenzuelen an Energie.
Dësen Ënnerscheed ass wichteg, well chemesch Trends — Bindung, Ioniséierung, Gréisst a Spektren — aus den Energien an der raimlecher Verdeelung vun den Elektronen entstinn, net aus klenge Planéiten, déi ëm de Kär kreese.
Bau en Atom: Ladung a Mass am A behalen
D’Instrument trennt déi dräi Zuele bewosst. D’Identitéit vum Kär gëtt vun der Protonenzuel bestëmmt; d’Ladung vum Ënnerscheed tëscht Protonen an Elektronen.
Skalen, Kräften a wat den Atom zesummenhält
Elektrone ginn duerch elektromagnetesch Unzéiung un de Kär gebonnen. Protonen stoussen sech am Kär elektresch of, mee op nuklearen Distanze kann déi staark Wiesselwierkung Protonen an Neutronen zesummebannen.
Déi zwou Skale sollen net vermëscht ginn: Chimie reorganiséiert haaptsächlech Elektronen a betrëfft typescherweis Elektronvolt pro Partikel; Kärreaktioune veränneren de Kär a kënne pro Evenement Millioune Mol méi Energie fräisetzen.
Och d’Ausso „Gréisst vun engem Atom“ verlaangt Virsiicht. D’Elektronendicht huet keng schaarf Grenz, dofir ginn Atomradien aus Ofstänn tëscht Atomer a Moleküllen oder Feststoffer ofgeleet.
D’Evidenz hannert dem moderne Atommodell
| Evidenz | Wat si gewisen huet | Wat si nach net erkläert huet |
|---|---|---|
| Kathodestralen | Atomer enthalen negativ Elektronen; d’Verhältnis vu Ladung zu Mass vum Elektron ka gemooss ginn. | D’Plaz vun der positiver Ladung. |
| Dem Millikan säin Uelegdrëpsexperiment | D’Elektroneladung ass quantiséiert; zesumme mat e/m kann domat d’Mass vum Elektron bestëmmt ginn. | Den Opbau vum Kär. |
| Rutherford-Streuung | Déi positiv Ladung a bal déi ganz Mass leien an engem winzege Kär. | Déi stabil Elektronestruktur an d’Spektren. |
| Atomspektren | Atomer hunn diskret elektronesch Energien. | Eng komplett Theorie fir Atomer mat ville Elektronen. |
| Dem Chadwick seng Neutronenexperimenter | De Kär enthält och neutral Partikele mat enger Mass, déi där vum Proton änelt. | Déi detailléiert Kärkräften an d’Schuelestruktur vum Kär. |
De Modell huet sech geännert, well Experimenter fréier Virstellungen ausgeschloss hunn. Eng wëssenschaftlech nëtzlech Atomzeechnung soll dofir als Modell gelies ginn, deen un konkret Evidenz gebonnen ass, an net als wuertwiertlech Foto.
Mass, Isotopen an d’Atommasseskala
D’Masse vu Proton an Neutron leien no bei 1 vereenheetlechter Atommassenunitéit, wärend en Elektron nëmmen ongeféier 0,00055 u bäidréit. Dofir ass d’Massenzuel A eng gutt ganzzueleg Zuel vun den Nukleonen, mee keng exakt Atommass.
Kärbindung verännert d’Mass och. E gebonnene Kär weit e bëssen manner wéi seng getrennte Protonen an Neutronen; déi feelend Mass entsprécht iwwer E = mc² der Bindungsenergie. Chemesch Atommassen bezéie sech ausserdeem op neutral Atomer an enthalen d’Masse vun den Elektronen.
De Wäert am Periodesche System ass normalerweis e Mëttelwäert, dee mat der natierlecher Isotopenheefegkeet gewiicht gëtt. Beim Chlor ginn déi heefeg natierlech Isotopen ³⁵Cl an ³⁷Cl en Duerchschnëtt vu ronn 35,45 u. Keen normalen Chloratom huet „35,45 Nukleonen“.
Positioun, Wahrscheinlechkeet an Elektronewollek
D’Quantenmechanik gëtt engem Elektron keng klassesch Bunn mat zu all Zäit bekannter Positioun a Vitess. Eng Wellefunktioun beschreift den Zoustand, an |ψ|² gëtt eng Wahrscheinlechkeetsdicht fir Positiounsmiessungen un.
Orbitalzeechnunge schléissen normalerweis e gewielten Undeel — dacks ronn 90 % — vun der Wahrscheinlechkeet an. D’Grenz ass also eng Visualiséierungskonventioun. D’Elektronendicht geet iwwer déi gezeechent Uewerfläch eraus.
Den Onsécherheetsprinzip geet méi wäit wéi schlecht Miessmethoden: Quantenzoustänn kënnen net gläichzäiteg eng beliebeg präzis Positioun an en beliebeg präzisen Impuls hunn. Dat ass ee Grond, firwat d’Bild vu planetaresche Bunnen um Enn net funktionéiert.
Übungen
Magnesium-Ion
²⁴Mg²⁺ huet Z = 12. Ziel Protonen, Neutronen an Elektronen.
Léisung
12 Protonen, 24 − 12 = 12 Neutronen, an 12 − 2 = 10 Elektronen.
Isotop oder Ion?
Zwee Atomer hunn 17 Protonen; deen een huet 18 Neutronen an deen aneren 20. Wéi hänke si zesummen?
Léisung
Si sinn Isotope vum Chlor. Hir Protonenzuel — an domat d’Identitéit vum Element — ass déiselwecht.
Rutherford-Evidenz
Wéi eng Observatioun schléisst eng gläichméisseg verdeelt positiv Ladung aus?
Léisung
Déi seelen Ofleenkunge bei grousse Wénkelen verlaangen, datt déi positiv Ladung a bal déi ganz Mass an engem ganz klenge Beräich konzentréiert sinn: am Kär.