Ιστορική Εξέλιξη της δομής της Ύλης Η προσπάθεια κατανόησης και ερμηνείας του υλικού κόσμου ξεκίνησε από πολύ νωρίς, από τον 6ο αιώνα π.Χ. όταν ο Θαλής ο Μιλήσιος προσπάθησε για πρώτη φορά να δώσει μια ερμηνεία για την προέλευση της ύλης. Ο Θαλής υποστήριζε ότι η περίπλοκη ποικιλία όλων των μορφών της ύλης προέρχεται από μια και μόνη αρχέγονη ουσία η οποία ,πίστευε, ότι ήταν το νερό. Δηλαδή ο Θαλής υποστήριζε ότι όλα φτιάχνονται από το νερό και καταλήγουν σε αυτό. Κατά την ίδια εποχή ο Αναξιμένης πίστευε ότι το βασικό συστατικό του σύμπαντος είναι ο αέρας, ο οποίος διαπερνά τα πάντα και εισχωρεί παντού, με συνεχώς αλλοιούμενα χαρακτηριστικά.

Ακολούθησε ο Ηράκλειτος τον 5ο αιώνα π. Χ Ακολούθησε ο Ηράκλειτος τον 5ο αιώνα π.Χ., πού εισήγαγε την έννοια της φωτιάς, και ο Εμπεδοκλής πού προσθέτοντας την γη στα προηγούμενα στοιχεία του νερού, του αέρα και της φωτιάς ενοποίησε τις προηγούμενες θεωρίες και απέδωσε την προέλευση των πάντων σ’ αυτά τα τέσσερα στοιχεία. Τα στοιχεία αυτά ενώνονται υπό την επίδραση μιας δυνάμεως πού λέγεται «φιλότητα» (αγάπη), και αποχωρίζονται με την αντίθετη δύναμη, πού λέγεται «νείκος» (μίσος).

Αμέσως μετά τους τέσσερις προαναφερθέντες φιλοσόφους ακολούθησαν ο Δημόκριτος και ο Λεύκιππος οι θεωρίες των οποίων περί δημιουργίας του κόσμου, προσεγγίζουν εκπληκτικά τις σημερινές αντιλήψεις της κοσμολογίας. Η ύλη κατ’ αυτούς αποτελείται από άτομα πού διαφέρουν μεταξύ τους κατά το σχήμα και το μέγεθος, ενώ και τα φαινόμενα οφείλονται στις κινήσεις αυτών.

Παρόλο που οι θεωρίες του Δημόκριτου και του Λεύκιππου αποτέλεσαν τη βάση για τις σύγχρονες προσπάθειες κατανόησης της δομής της ύλης, η ανθρωπότητα χρειάστηκε να περιμένει περίπου δυο χιλιάδες χρόνια μέχρι να εγκαταλειφθούν οι απόψεις του Αριστοτέλη και του Πλάτωνα που πολέμησαν και τελικά επισκίασαν το έργο των προγενέστερων. Σύμφωνα με τον Αριστοτέλη και τον Πλάτωνα η βάση του υλικού κόσμου είναι μια πρωτογενής ουσία πού υπήρχε σε αναμονή, μέχρι που απέκτησε μορφή, η οποία επέτρεψε την εμφάνιση των θερμού – ψυχρού και ξηρού – υγρού. Οι δυο φιλόσοφοι υποστήριξαν επίσης ότι η ύλη είναι άφθαρτη και αγέννητη.

Είκοσι αιώνες αργότερα, τον 17ο αιώνα ο Boyle με τις εργασίες του κατέδειξε ότι δεν υπάρχει μια και μόνη αρχέγονη ουσία αλλά ότι τα συστατικά της ύλης είναι πολύ περισσότερα και τα ονόμασε στοιχεία. Αργότερα την ίδια εποχή, o Dalton επανάφερε την έννοια του ατόμου και υποστήριξε ότι τα στοιχεία δεν είναι το απλούστερο τμήμα της ύλης αλλά ότι αυτά είναι ενώσεις των ατόμων και κατάρτισε τον πρώτο πίνακα ατομικών βαρών.

Το 1880 ο Avogadro διόρθωσε τη θεωρία του Dalton ορίζοντας τα στοιχεία ως καθαρές ουσίες μη διαχωριζόμενες με χημικά μέσα και αποτελούμενες από άτομα ή μόρια όμοια μεταξύ τους. Αυτά τα στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους ανά δύο ή περισσότερα και σχηματίζουν τις χημικές ενώσεις ή τα μείγματα.

Το 1881 ο Thomson ανακαλύπτει τα ηλεκτρόνια και το 1895 ο Roentgen ανακαλύπτει τις ακτίνες χ. Το 1896 ο Becquerel ανακαλύπτει ότι κάποιες ενώσεις του ουρανίου εκπέμπουν ενέργεια και το 1897 η Curie ανακαλύπτει την ραδιενέργεια.

Οι προηγούμενες ραγδαίες ανακαλύψεις οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι τα άτομα του Δημόκριτου και του Dalton δεν είναι το απλούστερο τμήμα της ύλης αλλά ότι και αυτά έχουν κάποια δομή. Μετά από αυτό εμφανίστηκαν πολλά μοντέλα για τη δομή του ατόμου με κυριότερα ,κατά σειρά εμφάνισης, αυτά των Thomson, Rutherford, Bohr και  Sommerfeld. Έτσι, μεταξύ 1913 – 1932 ολοκληρώνεται η εικόνα του ατόμου.

Ατομικά Πρότυπα Πρότυπο του Thomson (Σταφιδόψωμο) Το άτομο αποτελείται από μια σφαίρα θετικού φορτίου, ομοιόμορφα κατανεμημένου, μέσα στο οποίο είναι ενσωματωμένα τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία). Πρότυπο του Rutherford (Πλανητικό Μοντέλο) Το άτομο αποτελείται από έναν πολύ βαρύ, θετικά φορτισμένο πυρήνα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια σε κυκλικές τροχιές.

Πώς ο Rutherford κατέληξε στο μοντέλο του για το άτομο; Ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού βομβαρδίζεται με μία δέσμη θετικά φορτισμένων σωματιδίων. Γύρω από το φύλλο χρυσού υπάρχει μία φωσφορίζουσα οθόνη που ανιχνεύει τα θετικά σωματίδια. Αν το άτομο ήταν συμπαγές, τα περισσότερα σωματίδια θα κατέληγαν ακριβώς πίσω από το φύλλο χρυσού. Παρατηρήθηκε ότι αρκετά σωματίδια αποκλίνουν σε διάφορες γωνίες ενώ κάποια αποκλίνουν κατά 180ο . Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο όταν το θετικό φορτίο είναι συγκεντρωμένο σε μια πολύ μικρή περιοχή με μεγάλη μάζα (πυρήνας).

Πρότυπο του Bohr για το Υδρογόνο Το πρότυπο του Rutherford είχε τις εξής αδυναμίες: Δεν μπορούσε να εξηγήσει τα γραμμικά φάσματα Δεν μπορούσε να εξηγήσει τη σταθερότητα των ατόμων Ο Bohr εισήγαγε δύο συνθήκες για να λύσει αυτές τις αδυναμίες: Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται μόνο σε συγκεκριμένες τροχιές (επιτρεπόμενες τροχιές) για τις οποίες ισχύει ότι η στροφορμή τους είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της ποσότητας h/2π. 2. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κινείται σε μια επιτρεπόμενη τροχιά, δεν ακτινοβολεί. Όταν όμως το ηλεκτρόνιο μεταπηδήσει από μια επιτρεπόμενη τροχιά σε μία άλλη μικρότερης ενέργειας τότε εκπέμπεται ένα φωτόνιο ενέργειας hf ίσης με την ενεργειακή διαφορά των δύο τροχιών. Εα – Ετ = hf

Συνεχές Φάσμα Εκπομπής Τι είναι τα φάσματα; Συνεχές Φάσμα Εκπομπής Αν αναλύσουμε με τη βοήθεια ενός πρίσματος το φως που εκπέμπει ένα διάπυρο στερεό, θα διαπιστώσουμε ότι διαθέτει όλες τις συχνότητες (χρώματα) του ορατού φωτός. Τα χρώματα εμφανίζονται το ένα μετά το άλλο σε μια συνεχόμενη, πολύχρωμη ταινία που ονομάζεται συνεχές φάσμα εκπομπής.

Γραμμικό Φάσμα Εκπομπής Αν αναλύσουμε με τη βοήθεια ενός πρίσματος το φως που εκπέμπει ένα θερμό αέριο, θα διαπιστώσουμε ότι διαθέτει μόνο μερικές συχνότητες (χρώματα) του ορατού φωτός. Τα χρώματα εμφανίζονται διάσπαρτα πάνω σε μία μαύρη ταινία που ονομάζεται γραμμικό φάσμα εκπομπής.

Διέγερση, Αποδιέγερση και Ιοντισμός του Ατόμου. Διέγερση: Όταν το ηλεκτρόνιο απορροφήσει ενέργεια και μεταβεί από μία χαμηλή τροχιά σε μια ψηλότερη. Αποδιέγερση: Όταν το ηλεκτρόνιο από μία ψηλότερη τροχιά επιστρέψει στην αρχική του τροχιά. Ιονισμός: Όταν ένα ηλεκτρόνιο φύγει εντελώς από το άτομο. Η ενέργεια που χρειάζεται για τη διέγερση ονομάζεται ενέργεια διέγερσης ενώ η ενέργεια που χρειάζεται για τον ιόνισμο ονομάζεται ενέργεια ιονισμού.

Το άτομο παραμένει σε κατάσταση διέγερσης για μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (10-9 sec) και επανέρχεται στη θεμελιώδη (αρχική) του κατάσταση. Κατά την αποδιέγερση εκπέμπεται ένα φωτόνιο που έχει ενέργεια όση είναι η διαφορά της ενέργειας των δύο σταθμών. Εφ = Εψηλή - Εχαμηλή Παράδειγμα Διέγερση n=4, E4=-0,85 eV n=3, E3=-1,51 eV Η ενέργεια διέγερσης είναι: Ε4-Ε1 = -0,85 - (-13,6) = 12,75 eV n=2, E2=-3,4 eV n=1, E1=-13,6 eV

Η αποδιέγερση του ατόμου από τη στάθμη 4 στη στάθμη 1 n=4, E4=-0,85 eV n=3, E3=-1,51 eV n=2, E2=-3,4 eV n=1, E1=-13,6 eV Η αποδιέγερση του ατόμου από τη στάθμη 4 στη στάθμη 1 εκπέμπει έξι διαφορετικά φωτόνια (έξι διαφορετικές γραμμές στο γραμμικό φάσμα εκπομπής του).