Structura atomului

Particule subatomice

Deși cuvântul atom a denotat inițial o particulă care nu poate fi divizată în particule mai mici, în utilizarea științifică modernă atomul este compus din diferite particule subatomice. Particulele constitutive ale unui atom sunt electronul, protonul și neutronul; toate trei sunt fermioni. Cu toate acestea, atomul de hidrogen-1 nu are neutroni, iar ionul hidron nu are electroni.

Electronul este de departe cel mai puțin masiv din aceste particule cu 9,11×10^-31 kg, cu o sarcină electrică negativă și o dimensiune prea mică pentru a fi măsurată utilizând tehnicile disponibile. A fost cea mai ușoară particulă cu o masă de repaus pozitivă măsurată, până la descoperirea masei neutrinilor. În condiții obișnuite, electronii sunt legați de nucleul încărcat pozitiv de atracția creată de sarcinile electrice opuse. Dacă un atom are mai mulți sau mai puțini electroni decât numărul său atomic, atunci acesta devine încărcat negativ sau pozitiv ca un întreg; un atom încărcat este numit ion. Electronii au fost cunoscuți de la sfârșitul secolului al XIX-lea, mai ales datorită lui J.J. Thomson.

Protonii au o sarcină pozitivă și o masă de 1.836 de ori mai mare decât cea a electronului, de 1,6726 × 10^-27 kg. Numărul de protoni dintr-un atom se numește numărul atomic al atomului respectiv. Ernest Rutherford (1919) a observat că azotul sub bombardament de particule alfa ejectează ceea ce părea a fi nuclei de hidrogen. Până în 1920 a acceptat că nucleul de hidrogen este o particulă distinctă în interiorul atomului și l-a numit proton.

Neutronii nu au sarcină electrică și au o masă liberă de 1.839 ori masa electronului sau 1,6929 × 10^-27 kg, cea mai grea dintre cele trei particule constitutive, dar poate fi redusă de energia de legătură nucleară. Neutronii și protonii (denumiți în mod colectiv nucleoni) au dimensiuni comparabile – de ordinul a 2,5 × 10^-15 m – deși „suprafața” acestor particule nu este clar definită. Neutronul a fost descoperit în 1932 de fizicianul englez James Chadwick.

În modelul standard al fizicii, electronii sunt particule cu adevărat elementare fără structură internă. Dar atât protonii, cât și neutronii sunt particule compuse constituite din particule elementare numite cuarci. Există două tipuri de cuarci în atomi, fiecare având o sarcină electrică fracționată. Protonii sunt compuși din doi cuarci up (fiecare cu sarcină +2/3) și un cuarc down (cu o sarcină de -1/3). Neutronii constau dintr-un cuarc up și doi cuarci down. Această distincție explică diferența de masă și de sarcină dintre cele două particule.

Cuarcii sunt ținute împreună prin interacțiunea puternică (sau forța puternică), care este mediată de gluoni. Protonii și neutronii, la rândul lor, sunt reținuți unul în celălalt în nucleu de forța nucleară, care este un reziduu al forței puternice care are proprietăți oarecum diferite. Gluonul este un membru al familiei de bosoni gauge, care sunt particule elementare care mediază forțele fizice.

Nucleul

 (Energia de legătură necesară pentru ca un nucleon să scape din nucleu, pentru diferiți izotopi)

Toți protonii și neutronii legați dintr-un atom formează un nucleu atomic mic și sunt numiți în mod colectiv nucleoni. Raza unui nucleu este aproximativ egală cu 1,07 ³√A fm, unde A este numărul total de nucleoni. Aceasta este mult mai mică decât raza atomului, care este de ordinul a 10⁵ fm. Nucleonii sunt legați împreună de un potențial atractiv scurt numit forța reziduală puternică. La distanțe mai mici de 2,5 fm această forță este mult mai puternică decât forța electrostatică care determină protonii încărcați pozitiv să se respingă reciproc.

Atomii aceluiași element au același număr de protoni numit număr atomic. Într-un singur element, numărul de neutroni poate varia, determinând izotopul acelui element. Numărul total de protoni și neutroni determină nuclidul. Numărul de neutroni raportat la protoni determină stabilitatea nucleului, cu anumiți izotopi supuși dezintegrării radioactive.

Protonul, electronul și neutronul sunt clasificați ca fermioni. Fermionii respectă principiul excluziunii Pauli, care interzice fermionilor identici, cum ar fi protonii multipli, să dețină aceeași stare cuantică în același timp. Astfel, fiecare proton din nucleu trebuie să ocupe o stare cuantică diferită de toți ceilalți protoni, și același lucru se aplică tuturor neutronilor nucleului și tuturor electronilor norului de electroni. Cu toate acestea, unui proton și unui neutron le este permis să ocupe aceeași stare cuantică.

Pentru atomii cu numere atomice scăzute, un nucleu care are mai mulți neutroni decât protoni tinde să scadă la o stare de energie mai mică prin dezintegrarea radioactivă, astfel încât raportul neutron-proton să fie mai aproape de unu. Cu toate acestea, pe măsură ce crește numărul atomic, este necesară o proporție mai mare de neutroni pentru a compensa repulsia reciprocă a protonilor. Astfel, nu există nuclei stabili cu numere egale ale protonilor și neutronilor deasupra numărului atomic Z = 20 (calciu) și cu cât Z crește, raportul neutron-proton al izotopilor stabili crește. Izotopul stabil cu cel mai mare raport neutroni-protoni este plumb-208 (aproximativ 1,5).

(Ilustrația unui proces de fuziune nucleară care formează un nucleu de deuteriu, constând dintr-un proton și un neutron, din doi protoni. Un pozitron (e+) – un electron de antimaterie – este emis împreună cu un neutrino electron.)

Numărul de protoni și neutroni din nucleul atomic poate fi modificat, deși acest lucru poate necesita energii foarte mari din cauza forței puternice. Fuziunea nucleară are loc atunci când mai multe particule atomice se unesc pentru a forma un nucleu mai greu, cum ar fi prin coliziunea energetică a două nuclee. De exemplu, în centrul Soarelui protonii necesită energii de 3-10 keV pentru a depăși repulsia lor reciprocă – bariera coulombiană – și se pot uni într-un singur nucleu. Fisiunea nucleară este procesul opus, determinând un nucleu să se împartă în două nuclee mai mici – de obicei prin dezintegrare radioactivă. Nucleul poate fi, de asemenea, modificat prin bombardament prin particule subatomice de energie înaltă sau fotoni. Dacă acest lucru modifică numărul de protoni dintr-un nucleu, atomul se transformă într-un alt element chimic.

Dacă masa nucleului care urmează unei reacții de fuziune este mai mică decât suma maselor particulelor separate, atunci diferența dintre aceste două valori poate fi emisă ca un tip de energie utilizabilă (cum ar fi o rază gamma sau energia cinetică a unei particule beta), așa cum este descris de formula de echivalență masă-energie a lui Albert Einstein, E = mc², unde m este pierderea de masă și c este viteza luminii. Acest deficit face parte din energia obligatorie a noului nucleu și este pierderea nerecuperabilă a energiei care determină ca particulele fuzionate să rămână împreună într-o stare care necesită separarea acestei energii.

Fuziunea a două nuclee care creează nuclee mai mari cu numere atomice mai scăzute decât fierul și nichelul – un număr total de nucleoni de aproximativ 60 – este de obicei un proces exotermic care eliberează mai multă energie decât este necesar pentru a le aduce împreună. Este acest proces de eliberare a energiei care face fuziunea nucleară în stele o reacție auto-susținută. Pentru nucleele mai grele, energia de legare pe nucleon din nucleu începe să scadă. Asta înseamnă că procesele de fuziune care produc nuclee care au numere atomice mai mari decât aproximativ 26 și mase atomice mai mari decât aproximativ 60, este un proces endotermic. Acești nuclei mai masivi nu pot suferi o reacție de fuziune producătoare de energie care să susțină echilibrul hidrostatic al unei stele.

Norul de electroni

 (O groapă de potențial arătând, conform mecanicii clasice, energia minimă V(x) necesară pentru a ajunge la fiecare poziție x. În mod clasic, o particulă cu energie E este limitată la o gamă de poziții între x₁ și x₂.)

Electronii dintr-un atom sunt atrași de protonii din nucleu de forța electromagnetică. Această forță leagă electronii într-o groapă de potențial electrostatic care înconjoară nucleul mai mic, ceea ce înseamnă că este nevoie de o sursă externă de energie pentru ca electronul să scape. Cu cât un electron este mai aproape de nucleu, cu atât este mai atractivă forța. Prin urmare, electronii legați în apropierea centrului gropii de potențial necesită mai multă energie pentru a scăpa decât cei care au separări mai mari.

Electronii, ca și alte particule, au proprietăți atât de particule, cât și de unde. Norul de electroni este o regiune în interiorul gropii de potențial unde fiecare electron formează un tip de undă tridimensională staționară – o formă de undă care nu se mișcă în raport cu nucleul. Acest comportament este definit de un orbital atomic, o funcție matematică care caracterizează probabilitatea ca un electron să pară a fi într-o anumită locație atunci când se măsoară poziția sa. Numai un set discret (sau cuantificat) al acestor orbite există în jurul nucleului, deoarece alte modele de unde se pot dezintegra rapid într-o formă mai stabilă. Orbitalele pot avea una sau mai multe structuri inel sau nod și diferă una de cealaltă în dimensiune, formă și orientare.

(Funcțiile de undă ale primelor cinci orbite atomice. Cele trei orbite 2p afișează fiecare un singur nod unghiular care are o orientare și un minim în centru.)

Fiecare orbital atomic corespunde unui anumit nivel de energie al electronului. Electronul își poate schimba starea la un nivel de energie mai ridicat prin absorbția unui foton cu o cantitate suficientă de energie pentru a-l forța în noua stare cuantică. De asemenea, prin emisia spontană, un electron într-o stare de energie mai înaltă poate scădea la o stare de energie mai scăzută, radiind excesul de energie ca un foton. Aceste valori caracteristice ale energiei, definite de diferențele dintre energiile stărilor cuantice, sunt responsabile pentru liniile spectrale atomice.

Cantitatea de energie necesară pentru a îndepărta sau a adăuga un electron – energia de legare a electronilor – este mult mai mică decât energia de legare a nucleonilor. De exemplu, este nevoie de numai 13,6 eV pentru a îndepărta un electron din starea de bază a unui atom de hidrogen, comparativ cu 2,23 milioane eV pentru divizarea unui nucleu de deuteriu. Atomii sunt neutri din punct de vedere electric dacă au un număr egal de protoni și electroni. Atomii care au fie un deficit, fie un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt mai îndepărtați de nucleu pot fi transferați către alți atomi din apropiere sau partajați între atomi. Prin acest mecanism, atomii sunt capabili să se lege în molecule și alte tipuri de compuși chimici cum ar fi cristale de rețea ionice și covalente.

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/structura-atomului/