Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο. Η δομή του ατόμου. Από τον Δημόκριτο μέχρι το σύγχρονο κβαντικό άτομο. από Διογένη Κοσμόπουλο

Η χρονική εξέλιξη της δομής του ατόμου. ατομική θεωρία Δημόκριτου ατομική θεωρία Dalton πρότυπο Rutherford πρότυπο Schrodinger ~450 π.Χ ~1800 μ.Χ 1904 μ.Χ 1911 μ.Χ 1913 μ.Χ 1926 μ.Χ πρότυπο Thomson πρότυπο Bohr Σε διάρκεια 125 χρόνων η εικόνα του ατόμου έχει αλλάξει δραστικά. Έτσι από το πρότυπο της απλής συμπαγής σφαίρας , καταλήξαμε σε ένα πρότυπο που κυριαρχεί η αβεβαιότητα και η πιθανότητα.

Η ατομική θεωρία του Δημόκριτου (~450 π.Χ.) Η ατομική θεωρία του Δημόκριτου (~450 π.Χ.) Η ύλη δεν είναι συνεχής αλλά αποτελείται από τα μικροσκοπικά σωματίδια αποκαλούμενα άτομα. Τα άτομα είναι συμπαγή και δεν τέμνονται (άτομο  α-τομή) νερό σίδηρος Η ατομική θεωρία του Δημοκρίτου δεν έγινε αποδεκτή από τον Αριστοτέλη και έμεινε σε αφάνεια για περισσότερα από 2000 χρόνια.

Η ατομική θεωρία του Dalton (~1800) Η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά, συμπαγή, αδιαίρετα σωματίδια τα άτομα. Τα άτομα ενός στοιχείου είναι ίδια μεταξύ τους , και διαφορετικά άτομα ανήκουν σε διαφορετικά στοιχεία. Κατά τις χημικές αντιδράσεις γίνεται αναδιοργάνωση των ατόμων αλλά κανένα νέο άτομο δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται. Τα άτομα των διαφορετικών στοιχείων συνδυάζονται σε σταθερή ακέραια αναλογία προκειμένου να σχηματίσουν μια συγκεκριμένη χημική ένωση.

Το πείραμα του Thomson (1897) μεταλλική θερμή κάθοδος εκπέμπει σωματίδια. τα σωματίδια φέρουν αρνητικό φορτίο και εκτρέπονται από ηλεκτρικό πεδίο. q/m= -1.76× 108 C/g σταθερό για κάθε στοιχείο.

Τα συμπεράσματα του Thomson (1897) Τα άτομα οποιουδήποτε στοιχείου μπορούν να εκπέμψουν μικροσκοπικά αρνητικά σωματίδια σταθερού q/m . Άρα τα άτομα δεν είναι συμπαγή (καταργείται το πρότυπο του Dalton) γιατί ΟΛΑ τα άτομα πρέπει να περιέχουν αυτά τα αρνητικά σωματίδια που ονομάστηκαν ηλεκτρόνια. Επειδή τα άτομα είναι ουδέτερα προτάθηκε το άτομο να είναι μια συμπαγή θετική μάζα όπου διάσπαρτα σ’ αυτή είναι τα ηλεκτρόνια.

Το πρότυπο του Thomson (1904) Το σταφιδόψωμο αρνητικά ηλεκτρόνια ουδέτερο άτομο θετικά φορτισμένη ύλη.

Το πείραμα του Rutherford (1910) πηγή ακτίνων a (θετικά σωματίδια) φύλο Au πέτασμα film Αποτέλεσμα σκεδασμού στο πείραμα του Rutherford.

Σκεδασμός. Υποθετικός σκεδασμός βάση του ατομικού προτύπου Tomson Πραγματικός σκεδασμός στο πείραμα Rutherford θετικά φορτισμένη ύλη. ηλεκτρόνιο ηλεκτρόνιο

Τα συμπεράσματα από το πείραμα Rutherford Ο Rutherford κατάφερε να εξηγήσει τις παρατηρήσεις του σκεδασμού των ακτίνων a , υποθέτοντας ότι το μεγαλύτερο ποσό μάζας του ατόμου και όλο το θετικό του φορτίο, βρίσκεται σε μια πολύ μικρή περιοχή με πολύ μεγάλη πυκνότητα, την οποία ονόμασε πυρήνα. Ο μεγαλύτερος χώρος του ατόμου είναι άδειος όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα. Στο πείραμα της σκέδασης των σωματιδίων a , τα περισσότερα σωματίδια περνούν μέσα από τον κενό χώρο του ατόμου και δεν επηρεάζονται από τον πυρήνα. Λίγα σωματίδια a περνούν κοντά από από τους πυρήνες των ατόμων χρυσού οπότε αυτά απωθούνται λόγω του ομώνυμου θετικού φορτίου.

Το πρότυπο του Rutherford (1910) ηλεκτρόνιο Το πλανητικό Πρότυπο του πυρηνικού ατόμου. πυρήνας Η βασική αδυναμία του προτύπου του Rutherfond Οι τυχαίες τροχιές των ηλεκτρονίων δεν μπορούν να ερμηνεύσουν τις συγκεκριμένες ιδιότητες των ατόμων των στοιχείων.

Το πρότυπο του Bohr (το πρώτο κβαντισμένο άτομο) Το βασικό σημείο της θεωρίας είναι ότι τα ηλεκτρόνια των ατόμων έχουν την δυνατότητα να κινούνται μόνο σε αυστηρά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρο από τον πυρήνα με καθορισμένη ενέργεια.

Οι στιβάδες στο πρότυπο του Bohr. Κ L M N n=1 n=2 n=3 n=4 n= Το σύνολο των ηλεκτρονίων που είναι στην ίδια επιτρεπόμενη τροχιά ονομάζεται στιβάδα ή φλοιός, συμβολίζεται με τα κεφαλαία γράμματα Κ, L, Μ, N, … και αντιστοιχεί στην τιμή ενός ακέραιου αριθμού n (n=1,2,3…) που ονομάζεται πρώτος ή κύριος κβαντικός αριθμός.

Οι στάθμες ενέργειας στο άτομο του υδρογόνου βάσει του πρότυπου του Bohr. Κ L M N n=1 n=2 n=3 n=4 n= αύξηση ενέργειας e

Η θεμελιώδης και οι διεγερμένες καταστάσεις στο άτομο του υδρογόνου. Tο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει την μικρότερη δυνατή ενέργεια όπου το ηλεκτρόνιο είναι στην 1η (n=1) στιβάδα. Tο άτομο είναι δυνατόν να απορροφήσει ενέργεια οπότε το ηλεκτρόνιο μεταβαίνει σε στιβάδα με n2 . Η κατάσταση αυτή χαρακτηρίζεται ως διεγερμένη και είναι ασταθής.

Προσοχή: Η ενέργεια είναι κβαντισμένη. Τα ηλεκτρόνια μπορούν έχουν μόνο συγκεκριμένες ενέργειες που καθορίζονται από τα ενεργειακά επίπεδα των στιβάδων, ΟΧΙ μεταξύ των επιπέδων. Διεγερμένη κατάσταση e- e- Θεμελιώδης κατάσταση

Βασικές αδυναμίες του προτύπου του Bohr Λειτουργεί μόνο για τα άτομα του υδρογόνου ή τα υδρογονοειδή (μονοηλεκτρονικά) ιόντα π.χ. Ηe+, Li2+ . Δεν έχει την δυνατότητα να εξηγήσει θεωρητικά πλήθος χημικών φαινόμενων όπως τον χημικό δεσμό κ.α. Διέξοδο στις παραπάνω αδυναμίες έδωσε η σύγχρονη εικόνα της δομής του ατόμου που βασίστηκε στη κβαντομηχανική.

Η κβαντομηχανική και η γέννηση του σύγχρονου ατομικού πρότυπου. Η κβαντομηχανική και η γέννηση του σύγχρονου ατομικού πρότυπου. Η κβαντομηχανική είναι ένας νέος σχετικά κλάδος της φυσικής αλλά και της χημείας και της βιολογίας που μελετά φαινόμενα σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο. Η κβαντομηχανική θεμελιώθηκε από λαμπρούς ερευνητές όπως οι Planck, De Broglie, Heisemberg, Schrodinger, Dirac και πολλοί άλλοι που επέφεραν σαρωτικές αλλαγές στις ιδέες για την συμπεριφορά της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Ειδικότερα η κβαντοχημεία αναγέννησε τη θεωρητική χημεία σχετικά με την μορφή του ατόμου, τον τρόπο ανάπτυξης δεσμών, τα σχήματα των μορίων, τους μηχανισμούς των αντιδράσεων κτλ.

Το σύγχρονο ατομικό πρότυπο (1/3) Εάν σήμερα έχετε για το άτομο την εικόνα που αποδίδεται με τα ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα τότε έχετε χάσει το τραίνο της κβαντομηχανικής περίπου 80 χρόνια. Η σύγχρονη κβαντική εικόνα του ατόμου βασίζεται στις εξής αρχές: 1. Το ηλεκτρόνιο δεν συμπεριφέρεται μόνο σαν σωματίδιο αλλά και σαν κύμα. Έχει δηλαδή διπλή υπόσταση. (Κυματοσωματιδιακή θεωρία De Broglie.) 2. Είναι αδύνατον να προσδιοριστεί ταυτόχρονα με ακρίβεια η θέση και η ταχύτητα του ηλεκτρονίου. (Αρχή αβεβαιότητας του Heisemberg.)

Το σύγχρονο ατομικό πρότυπο (2/3) 3.Καταργείται η έννοια της τροχιάς του ηλεκτρονίου και (από την περίφημη εξίσωση του Schrodinger) αντικαθίσταται από την έννοια του τροχιακού από το οποίο μπορεί να υπολογιστεί η πιθανότητα που έχει το ηλεκτρόνιο να βρεθεί σε κάποια θέση γύρο από τον πυρήνα. 4. Κάθε ηλεκτρόνιο ισοδυναμεί με ένα ηλεκτρονικό νέφος που έχει μεγάλη ηλεκτρονική πυκνότητα στις θέσεις που έχει μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο .

Αναπαράσταση ηλεκτρονικού νέφους (3/3) Η πυκνότητα του ηλεκτρονικού νέφους αποδίδεται με πυκνότητα στιγμάτων ή με πυκνότητα χρώματος που ισοδυναμεί με την ηλεκτρονική πυκνότητα. μικρή πυκνότητα μεγάλη πυκνότητα πυρήνας Πρώτα φάνηκε σαν μία μικρή κηλίδα, και έπειτα φάνηκε σαν μία ομίχλη και κινήθηκε και κινήθηκε και πήρε επιτέλους μια αδιαφιλονίκητη μορφή . Τη γνώρισα. Samuel Taylor Coleridge: Η πάχνη του αρχαίου ναυτικού " Εάν φαίνομαι κατ' ασυνήθιστο τρόπο σαφής σε σας , πρέπει να έχετε παρανοήσει τι είπα." Alan Greenspan

Η εξέλιξη των ιδεών για τη μορφή ατόμου. Δημόκριτος , 450 π.Χ. Dalton , 1803 μ.Χ. (το συμπαγές άτομο) Thomson-1904 μ.Χ. (τα ηλεκτρόνια στο άτομο) Rutherford ,1911 μ.Χ. (το πυρηνικό άτομο) Bohr, 1913 μ.Χ. (οι στιβάδες των ηλεκτρονίων) Schrodinger, 1926 μ.Χ. (τα ηλεκτρονικά νέφη )

Οι έννοιες: Συμπαγές άτομο, πρότυπα του Δημόκριτου και του Dalton. Ατομικό πρότυπο Thomson. Πυρηνικό άτομο, πρότυπο Rutherford Πρότυπο Bohr, στιβάδα (ή φλοιός) Θεμελιώδης κατάσταση του ατόμου. Διεγερμένη κατάσταση του ατόμου. Διπλή φύση του ηλεκτρονίου Αρχή αβεβαιότητας Τροχιακό. Ηλεκτρονικό νέφος Ηλεκτρονική πυκνότητα.