Az atom ( ókori görög ἄτομος [átomos], „oszthatatlan”) az egyszerű test legkisebb része, amely kémiailag kombinálható egy másikkal. Az atomok az összes szilárd, folyékony vagy gáznemű anyag építőkövei. Ezen anyagok fizikai és kémiai tulajdonságait az őket alkotó atomok, valamint ezen atomok háromdimenziós elrendezése határozza meg.
Az etimológiájukkal ellentétben az atomok nem oszthatók meg, hanem maguk is szubatomi részecskékből állnak . Az atomok közé tartozik egy mag , amely tömegének több mint 99,9% -át koncentrálja, és amely körül elektronok oszlanak el , amelyek 10–100 000-szer nagyobb felhőt képeznek, mint maga a mag, így a d 'atom nagyjából gömb alakú üres. A mag protonokból áll , amelyek pozitív elektromos töltést hordoznak , és neutronokból , amelyek elektromosan semlegesek; a hidrogén kivétel, mivel 1 H izotópjának magja , Protium , nem tartalmaz neutront. Protonok és a neutronok, más néven nukleonok , tartja össze a sejtmagban a nukleáris kötés , amely egy megnyilvánulása az erős kölcsönhatás . Az elektronok elfoglalják az atompályákat, amelyek az elektromágneses erő révén kölcsönhatásba lépnek a maggal . Az elektronfelhőt a mag körül számszerűsített energiaszintek rétegezik , olyan szintek, amelyek meghatározzák az elektronikus rétegeket és az alrétegeket ; nukleonokat is forgalmazzuk magukat nukleáris rétegben , bár meglehetősen kényelmes közelítő modelljét popularizes nukleáris szerkezetet , miután a folyadék csepp modell .
Számos atom képes kémiai kötéseket létrehozni közöttük elektronjaiknak köszönhetően . Általánosságban elmondható, hogy az atomok kémiai tulajdonságait elektronikus konfigurációjuk határozza meg , amely a magjukban lévő protonok számából adódik. Ez az atomszámnak nevezett szám kémiai elemet határoz meg . 118 kémiai elemet ismer el a Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Szövetsége (IUPAC) 2016. november 18-a óta . A különböző elemek atomjainak mérete különböző, valamint általában más a tömegük, bár egy adott kémiai elem atomjainak tömegei a figyelembe vett izotópoktól függően eltérőek lehetnek . A legnehezebb atomok, amelyeknek a magja túlságosan kiegyensúlyozatlan a kétféle nukleon között, általában instabilabbá válnak, majd radioaktívak ; a 208- as ólom a legnehezebb stabil izotóp .
Az atomista elmélet , amely egy oszthatatlan "szemekből" álló anyag gondolatát támasztja alá (a végtelenül osztható anyag eszméjével szemben), már az ókorban ismert volt , és ezt különösen Leucippus és tanítványa, Democritus , filozófusok védte. az ókori Görögország , valamint Indiában , korábban, a hindu filozófia hat iskolájának egyike , a Vaisheshika , amelyet Kanada alapított . A XIX . Század végéig vitatták, és azóta sem vitatták. Az atomok közvetlen megfigyelése a XX . Század közepéig lehetővé válik a transzmissziós elektronmikroszkóppal és a pásztázó alagútmikroszkóp feltalálásával . Így az atomok tulajdonságain alapszik minden modern anyagtudomány , míg az atomok természetének és szerkezetének tisztázása döntő mértékben hozzájárult a modern fizika , és különösen a kvantummechanika fejlődéséhez .
A becsült átmérője egy „szabad” atom (kivéve a kovalens vagy kristályos kötés ) között van 62 pm (6,2 × 10 -11 m ) a hélium és 596 pm (5,96 × 10 -10 m ) számára. A cézium , míg egy az atommag 2,4 fm (2,4 × 10 -15 m ) és az 1 H és 14,8 fm (1,48 × 10 -14 m ) között van a 238 U nuklid esetében : a hidrogénatom magja ezért körülbelül 40 000-szer kisebb, mint maga a hidrogénatom.
A mag azonban az atom tömegének legnagyobb részét összpontosítja: például a lítium 7 magja körülbelül 4300-szor nagyobb, mint az azt körülvevő három elektroné, maga a 7 Li atom tömege kb . 1,172 × 10 −26 kg . A fix ötletek, a tömege atomok közötti 1,674 × 10 -27 kg a Protium és 3,953 × 10 -25 kg számára az U-238 , által ragadt a izotópok , amelyek jelentős bősége a természetes környezetben (vannak olyan magok, amelyek nehezebbek, de sokkal instabilabbak is, mint a 238 U nuklid ).
Ezt a tömeget általában atomtömeg-egységekben ("amu" vagy "u") fejezik ki, amelyek az alapállapothoz nem kötött 12 C- os atom tömegének tizenkettedik részeként vannak meghatározva , akár 1 amu = 1, 66054 × 10 - 27 kg ; ebben az egységben a 238 U nuklid tömege 238,050 6782 amu . A részecskefizikában is széles körben alkalmazott alternatív egység az elektronfeszültség osztva a fénysebesség négyzetével (eV / c 2 ), amely homogén egy tömeggel a különleges relativitású E = mc 2 egyenlet alapján , és amely egyenlő 1 eV / c 2 = 1,783 × 10 -36 kg ; ebben az egységben a 238 U mag tömege 221,7 G eV / c 2 .
Méretüket és egyedileg csökkentett tömegüket figyelembe véve az atomok mindig nagyon nagy számban vannak, amint az ember egy mennyiségű makroszkopikus anyaggal manipulál. A anyajegy így meghatározott , hogy az az anyag mennyisége alkotja annyi elemi egységet (atomok, molekulák , elektronok , stb ), ahány atom 12 g a szén-12 , azaz nem kevesebb, mint 6,022 × 10 23 elemi egység, amely Avogadro számnak hívják .
Noha etimológiája az ókori görögben "oszthatatlan" jelent , az atom valójában kisebb elemi részecskékből áll , ezért felosztható ; de ez nem jelenti a legkisebb oszthatatlan egysége egy kémiai elem , mint például: a törés, például egy atom hélium , akkor megkapjuk az elektronok , protonok és neutronok , de már nem lesz egy teste. egyszerű tulajdonságokkal rendelkező hélium .
A standard modell a részecskefizika leírja a nukleonokat mint barionok vegyületek elemi részecskék úgynevezett túró :
Az elektronok , viszont olyan leptonok , amely együtt a kvarkok , a csoport fermionok . A nagy különbség a kvarkok és leptonok, hogy csak az előbbi tudja az összes elemi kölcsönhatások , beleértve az erős nukleáris kölcsönhatás , melynek mediátor nyomtávú bozonok úgynevezett gluonok ; A leptonok csak a gyenge interakciót ismerik ( a Z 0 és W + bozonokon keresztül ) és az elektromágneses interakciót ( a fotonokon keresztül ).
Mindezek a részecskék eleve ismerik a gravitációs kölcsönhatást is , de ezt még nem integrálták a részecskefizika standard modelljébe ; intenzitása az atomskálán azonban jelentéktelen a másik három kölcsönhatás intenzitásához képest.
Az atomok fizikai és kémiai tulajdonságainak nagy része elektronfelhőjüknek köszönhető. Ezen elektronikus felhő természetének és szerkezetének megértése nyitotta meg az utat maga az atom szerkezetének megértéséhez, és végül a részecskefizika fejlődéséhez vezetett .
Mivel az atommag van pozitív töltésű , ez képezi a potenciális mosogató az elektronok , amelyek negatív töltésű. Ez a potenciál kút kvantumszámokkal meghatározott energiaszintekből áll , amelyek kombinációja meghatározza az atompályákat, amelyek a megfelelő hullámfüggvényeknek jellegzetes méreteket és alakokat adnak .
Bevezetés a Schrödinger modellbeAz elektron , mint minden kvantumtárgy , egy hullám-részecske kettősséget jelent , amelynek révén olykor úgy viselkedik, mint egy meghatározott pozíciót elfoglaló, geometrikusan körülhatárolt részecske , néha olyan hullámként, amely képes például interferencia-jelenségek bemutatására. Az elektronnak ez a két aspektusa létezik együtt az atomban, bár Schrödinger modellje kizárólag hullám:
Ezért egy elektron nem "eshet a magra ", amikor egy tárgy a földre esik, mivel ez azt jelentené, hogy hullámfüggvényének térbeli kiterjesztése egy pontra csökken, ami a Schrödinger-egyenlet megfelelő funkciójának hiánya esetén : ez utóbbi éppen ellenkezőleg azt írja elő, hogy az elektron a mag közelében egy térfogatban ( pályán ) "hígul" azzal a geometriával, amelyet az egyenletnek megfelelő kvantumszámok határoznak meg . Ezért figyelembe vehetjük, hogy egy atom elektronja már leesett a magra , amennyiben azt az elektrosztatikus potenciál kútja korlátozza a közelébe.
Ezenkívül az elektron hullámfüggvénye nem nulla a magban, bár annak valószínûsége alacsony, mivel a mag nagyon kicsi az atomi pályákhoz képest. Mivel egy atom elektronjainak lehetséges hullámfüggvényei a mag középpontjában állnak, ezért azt mondhatjuk, hogy az elektron valójában a magba esett , bár ott csak nagyon ritkán található meg: a kvantum szempontjából több részecske képes hullámtermészetüknél fogva valóban ugyanazt a helyet foglalják el. A dolgok látásának képi - de közelítő - módja az, hogy analógia útján azt képzeljük el, hogy az elektron hullámfüggvényét az atommag " diffrakcionálja ", amely a kvantumállapotától függően különböző formákat ad neki. amely az elektron jelenlétének valószínűsége a magtól többé-kevésbé távoli bizonyos zónákban eléri a maximumát - jellemzően a magsugár több tízezerszerese.
Pauli kirekesztés elve
| |
Schrödinger-egyenlet egy állóhullám . |
Minden elektront egy atomban egy kvantumszám ( n , ℓ , m ℓ , m s ) négyszeresével írunk le, amelyek kielégítik a Schrödinger-egyenletet, és ezeket hívjuk:
A Pauli-kizárási elv kimondja, hogy két , ugyanahhoz a fermion- rendszerhez (itt, ugyanahhoz az atomhoz) tartozó két fermionnak nem lehet egyszerre mindegyik kvantumszáma egyenlő. Ez az elv alapvető fontosságú, mert az atomok elektronikus konfigurációjának eredete : az atomban "felhalmozódó" elektronoknak mindegyiküknek a többitől elkülönülő kvantumállapotúnak kell lennie , ami megmagyarázza, hogy miért minden atompálya fokozatosan elfoglalt a a maghoz legkevésbé kötődve kötődik, amikor több elektron adódik az atomhoz; ez az elv a Aufbau ( „épülésére” németül) valósult meg a jogállamiság Klechkowski (más néven szabály Madelung ), amely megalapozza az elrendezése a periódusos a kémiai elemek a blokkok és időszakok :
Időszak | Alapozás | Kvantumszámok | Mágneses kvantumszám | Elektronok száma | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Fő | Azimuthal | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | Alapozás | Időszak | ||
n o 1 | 1 s | n = 1 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 2 | ||||||
n o 2 | 2 mp | n = 2 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 8. | ||||||
2 p | n = 2 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. | ||||||
n o 3 | 3 mp | n = 3 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 8. | ||||||
3 p | n = 3 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. | ||||||
n o 4 | 4 mp | n = 4 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 18. | ||||||
3 d | n = 3 | ℓ = 2 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 10. | ||||
4 p | n = 4 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. | ||||||
n o 5 | 5 mp | n = 5 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 18. | ||||||
4 d | n = 4 | ℓ = 2 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 10. | ||||
5 p | n = 5 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. | ||||||
n o 6 | 6 s | n = 6 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 32 | ||||||
4 f | n = 4 | ℓ = 3 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 14 | ||
5 d | n = 5 | ℓ = 2 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 10. | ||||
6. o | n = 6 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. | ||||||
n o 7 | 7 mp | n = 7 | ℓ = 0 | ↑ ↓ | 2 | 32 | ||||||
5 f | n = 5 | ℓ = 3 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 14 | ||
6 d | n = 6 | ℓ = 2 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 10. | ||||
7 p | n = 7 | ℓ = 1 | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | 6. |
A elektronikus szerkezet adja az atom annak kémiai és mágneses tulajdonságai . Így a kémiai elemeket rendszerint a kémiai tulajdonságaik szerint rendezett periódusos rendszerbe sorolják, amelynek elrendezését az elektronok atomok energiaszintjei közötti eloszlása határozza meg.
Két, egymástól elkülönülő atomhoz tartozó atompálya takarása két atom között kémiai kötést alkotó molekuláris pálya kialakulásához vezethet ; ha az átfedő atompályák ugyanahhoz az atomhoz tartoznak, akkor azt mondjuk, hogy hibridizáció van .
Egy molekulapálya azt mondják, hogy egy kötőanyag , ha az elektron fázisait atomi pályák ugyanaz az előjele ( konstruktív interferencia ); azt mondják, hogy anti- kötés, amikor az atomi pályáknak szakaszainak ellentétes előjelű (kioltó interferencia).
A protonok és a neutronok femtometrikus méretű atommagot alkotnak . Nukleáris sugara egy atom egy tömegszámú van egy körülbelül fm , míg az atom maga is egy sugara nagyságrendű száz picometers (mintegy 35 000 , hogy a 40 000 -szer nagyobb). A protonok pozitív töltésűek, és taszítják egymást a magban, de ennek az elektrosztatikus taszításnak az intenzitása jóval alacsonyabb, mint a nukleonok közötti vonzerőé, amelyet az erős nukleáris kölcsönhatás vált ki 2,5 fm- nél kisebb távolságban .
Az atommagok geometriája általában gömb alakú, bár egyes kellően masszív stabil magok gömb alakúakat is felvesznek , mint egy rögbi labda kinyújtva, vagy éppen ellenkezőleg, ellapítva. Bizonyos instabil magokat, úgynevezett halogén magokat , egy vagy több nagyon tágult hullámfüggvényű nukleon jellemez, amelyek a magnak homályos kontúrokat és nagyon megnövekedett látszó térfogatot adnak; ezeknek a magoknak az erős kölcsönhatás hatásmezőjének legszélső határán van nukleáris kohéziójuk .
A folyadékcsepp modellben a protonok hajlamosak egymást taszítani, ezért a magoktól kifelé koncentrálódnak (a gömbök esetében a "pólusoknál" vagy az "egyenlítőnél"), míg a neutronok a mag közepén halmozódnak fel. Több tucat modellt javasoltak az atommagok természetére és szerkezetére vonatkozó kísérleti adatok magyarázatára, de a mai napig egyik sem elegendő önmagában az összes megfigyelés figyelembe vételéhez.
Az elektronnyaláb-diffrakciós technikával kísérletileg becsült magtérfogat nagyjából megfelel a nukleonokat reprezentáló kemény gömbök halmazának , állandó magsűrűséggel, amelyet nagyon jól el lehet képzelni a cseppfolyadék modellel. Ennek ellenére úgy tűnik, hogy a nukleáris szerkezet egyes kvantumtulajdonságait legjobban az a rétegmodell írja le, amelyet Maria Goeppert-Mayer és Hans Daniel Jensen német fizikusok fejlesztettek ki , akik 1963-ban elnyerték a fizikai Nobel-díjat ezért az áttörésért. Modelljük a nukleonokat fermionoknak tekinti , amelyekre a Pauli kizárási elv vonatkozik, és az atom skálán az elektronokhoz hasonlóan számszerűsített energiaszinteken - „magrétegeken” - oszlanak el . A magban a protonok és a neutronok a fermionok két különálló populációját alkotják a Pauli-kizárási elv szempontjából.
Az analógia az elektrondonor megvannak a korlátai, mert, ha az elektronok kölcsönhatásba lépnek egymással és a kernel keresztül a elektromágneses kölcsönhatás , a nukleonok kölcsönhatásba elsősorban keresztül a erős nukleáris erő , és a gyenge erő . A magon belüli energiaszintek tehát más eloszlásúak, mint egy atom elektronjainak energiaszintjei. Ezenkívül a spin-pálya kapcsolási jelenségek sokkal érzékenyebbek a nukleonokra, mint az elektronokra, amelyek a mag alrétegeit a spin szerint osztják el (az alábbi táblázat indexként jelzi):
Aljszőrzet 1 s 1/2 | 2 állam | → 1 st réteg : magic szám = 2 | |
Alátét 1 p 3/2 | 4 állam | ||
1 p 1/2 alátét | 2 állam | → 2 E réteg : varázsszám = 8 | |
1 d 5/2 alátét | 6 állam | ||
Aljszőrzet 2 s 1/2 | 2 állam | ||
1 d 3/2 alátét | 4 állam | → 3 th réteg : mágikus számot = 20 | |
1. alréteg f 7/2 | 8 állam | → 4 th réteg : mágikus számot = 28 | |
2 p 3/2 alátét | 4 állam | ||
Alátét 1 f 5/2 | 6 állam | ||
2 p 1/2 alátét | 2 állam | ||
Alapréteg 1 g 9/2 | 10 állam | → 5 th réteg : mágikus számot = 50 | |
Alréteg 1 g 7/2 | 8 állam | ||
2 d 5/2 alátét | 6 állam | ||
2 d 3/2 alátét | 4 állam | ||
Alátét 3 s 1/2 | 2 állam | ||
1 óra 11/2 alátét | 12 állam | → 6 th réteg : mágikus számot = 82 | |
1 óra 9/2 alátét | 10 állam | ||
Alátét 2 f 7/2 | 8 állam | ||
Alátét 2 f 5/2 | 6 állam | ||
Alátét 3 p 3/2 | 4 állam | ||
3 p 1/2 alátét | 2 állam | ||
1. alréteg i 13/2 | 14 állam | → 7 th réteg : mágikus számot = 126 | |
Alréteg 2 g 9/2 | 10 állam | ||
3 d 5/2 alátét | 6 állam | ||
1. alréteg i 11/2 | 12 állam | ||
Alréteg 2 g 7/2 | 8 állam | ||
Alátét 4 s 1/2 | 2 állam | ||
3 d 3/2 alátét | 4 állam | ||
1. alréteg j 15/2 | 16 állam | → 8 th réteg : mágikus számot = 184 | |
A telítettség a nukleáris réteg adja az atommag stabilitása nagyobb, mint a számított a Weizsäcker képletű , származó folyadék csepp modell -, amely emlékeztet a kémiai semlegessége nemesgáz , azzal jellemezve, a telítési azok perifériás p elektronikus al- héj. Az adott populáció nukleonjainak a magréteg telítettségének megfelelő számát „ varázsszámnak ” nevezzük ; a stabil izotópok közül a legnehezebb 208 ólom magja tehát 82 protonból és 126 neutronból áll : a 82 és a 126 két mágikus szám, ami megmagyarázza ennek a nuklidnak a stabilitását azokhoz képest, amelyek nem különböznek egynél többet vagy két nukleon.
1 | 2 | 3 | 4 | 5. | 6. | 7 | 8. | 9. | 10. | 11. | 12. | 13. | 14 | 15 | 16. | 17. | 18. | ||
1 | H | Hé | |||||||||||||||||
2 | Li | Lenni | B | VS | NEM | O | F | Született | |||||||||||
3 | N / A | Mg | Al | Igen | P | S | Cl | Ar | |||||||||||
4 | K | Azt | Sc | Ti | V | Kr. | | Mn | Fe | Co | Vagy | Cu | Zn | Ga | Ge | Ász | Se | Br | Kr | |
5. | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | CD | Ban ben | Sn | Sb | Ön | én | Xe | |
6. | Cs | Ba | * | Olvas | HF | A te | W | Újra | Csont | Ir | Pt | Nál nél | Hg | Tl | Pb | Kettős | Po | Nál nél | Rn |
7 | Fr | Ra | * * |
Lr | Rf | Db | Vminek | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
↓ | |||||||||||||||||||
* | A | Ez | Pr | Nd | Délután | Sm | Volt | Gd | Tuberkulózis | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | |||||
* * |
Ac | Th | Pa | U | Np | Tudott | Am | Cm | Bk | Vö | Is | Fm | Md | Nem | |||||
Periódusos a kémiai elemek |
A kémia és a fizika ezen a ponton közelít egymáshoz, így a két tudományterületre vonatkozó elképzelések átfedik egymást témájukban. Így nukleáris fizika , hívunk nuklid egy atommag által meghatározott meghatározott számú protonok és neutronok , a kifejezés gyakran összekeverni az ekvivalens fogalma izotóp , amely kapcsolódik inkább a kémia .
A kémiai elem az atomok és ionok halmaza, amelyeknek magja adott számú protont tartalmaz . Ez a szám a megfelelő atom vagy kémiai elem atomszáma , amelyet Z jelez. Így minden atom, amelynek csak egy protonja van a magjában ( Z = 1), megfelel a hidrogén kémiai elemének . Három fő változat létezik: a protium 1 H, amelyet általában hidrogénnek neveznek (az egyetlen stabil neutron nélküli nuklid), a deutérium 2 H (stabil, amelynek magja protonból és egy neutronból áll), a trícium 3 H (radioaktív, amelynek magja egy protonból és két neutronból áll). Ezek a nuklidok izotópok, mert a magjuknak ugyanannyi protonja van, de eltérő a neutronja.
Az atomok osztályozása követi a kémiai tulajdonságokkal bíró - de fizikai is - kémiai elemek besorolását a XIX . Században felfedezett periodicitással és az elemek periódusos rendszerének okával . A stabil izotóp és a stabil nuklid , a radioizotóp és a radionuklid , vagy akár a nagy nehézségű elem és a nagy nehéz atom kifejezéseket felcserélhető módon használják .
Az elemi részecskék egy kvantumszám úgynevezett spin- , hasonló egy perdület , mértékegysége a Planck-állandó csökkentett (néha „Dirac állandó”) által kijelölt ℏ szimbólum, amely így szól: „h bar”. Ez is a helyzet a protonok és a neutronok az atommagban , a spin ami abban nyilvánul meg a nukleáris mágneses momentum . Ez utóbbi értéke minden egyes magra jellemző; Az alapállapotú , akkor nulla nuklidoknak amelynek mindkét páros számú protont és páros számú neutront.
Ezt a tulajdonságot jól használják a mágneses rezonancia képalkotásban (MRI), amely a magmágneses rezonancián (NMR) alapul: egyrészt elektromágneses sugárzásnak , másrészt intenzív mágneses mezőnek (l Tesla ), amely az atommagokat privilegizált irányba tereli (de az e két iránynak megfelelő két populációra szétválasztva) elnyeli az elektromágneses sugárzás egy részét olyan frekvencián, amelyet a megcélzott mag gyomromágneses aránya határoz meg, ez spektroszkópiával meghatározva ennek a gyűrűnek a térbeli koncentrációját - tipikusan a rádiófrekvenciák tartományában, a mágneses mezők esetében nem haladva meg a 20 T-ot .
Nukleáris kötés energiájaA nukleáris kötési általában le, mint egy reziduális esemény közötti nukleonok a erős nukleáris erő , amely együtt tartja a túró alkotó nukleonokat. A magkötési energiát egy egy magnak tekintett egy nukleon meghámozásához szükséges energiaként határozzuk meg. Ez a rend néhány megaelectron V nukleonpáronként, kezdve 0 (definíció szerint) a Protium 1 H, hogy elérje 7,57 MeV / A az urán 238 átmenő a maximuma 8,795 MeV / A a nikkel-62 . Ez az alapvető tulajdonság megmagyarázza, hogy miért csak a könnyű atomok szabadítják fel az energiát magfúzióval, míg csak a nehéz atomok szabadítják fel az energiát a maghasadás révén :
A fizikája atommagok irányadó három alapvető kölcsönhatások a standard modell a részecskefizika : a erős kölcsönhatást , a gyenge kölcsönhatás és az elektromágneses kölcsönhatás . Minden egyes atommagot a benne lévő protonok és neutronok száma , valamint a teljes energiája határoz meg, meghatározva a részecskék különböző "elrendezését" , amelyek szerint a rendszer teljes energiája elosztható. Minél több lehetséges elrendezés, annál stabilabb a rendszer: a lehető legtöbb elrendezéssel rendelkező államot alapállapotnak nevezzük ; ez az, amely felé e rendszer összes többi állapota hajlamos.
Bármely átmenet a rendszer egyik állapotából a másikba aktiváló energiát igényel , amelyet az atommagok esetében a kvantumvákuum ingadozása szolgáltat . Amikor az ilyen ingadozások elegendőek ahhoz, hogy az atommag áttérjen egy adott állapotról egy alacsonyabb energiájú állapotra, akkor ezt a magot instabilnak mondják: radionukliddal van dolgunk . Akár a kalcium ( Z = 20), a kémiai elemek van stabil izotópok , melyek száma N a neutronok közelítőleg egyenlő a száma Z a protonok , míg a túl Z = 20 aránya N / Z felé hajlik 3/2. Az instabil izotópok , az úgynevezett radioizotópok , radioaktív bomlást tapasztalnak, amely lehetővé teszi számukra, hogy közelebb kerüljenek egy nagyobb stabilitáshoz.
RadioaktivitásA radioaktivitás minden olyan fizikai jelenséget jelent, amelynek révén az instabil nuklid mag szerkezetének átalakításával stabilizálódhat. Ezek a radioaktív bomlási jelenségek a következők lehetnek:
Mindegyik radioizotópot felezési idő jellemzi , ez az az idő, amely alatt az izotóp atomjainak fele elbomlik. Egyetlen nuklid több bomlási módot is tapasztalhat , amelyek mindegyikének relatív arányát elágazási aránynak nevezzük .
A stabilitás szigeteEgyes elméletek extrapolálják a réteges modell eredményeit és a mágikus számok tulajdonságait azáltal, hogy megjósolják a szupernehéz nuklidok közötti stabilitási sziget létezését, mágikus számú 184 neutronra, és - elméletek és modellek szerint - 114 , 120 , 122 vagy 126 protonok. A nukleáris stabilitás korszerűbb megközelítése azonban alagútalapú számításokkal megmutatja, hogy bár az ilyen kétszeresen mágikus szuper nehéz magok valószínűleg spontán hasadási stabilak lennének, mégis meg kell tapasztalniuk az α bomlását . Néhány mikroszekundum felezési ideje relatív stabilitás azonban a darmstadium 293 körül létezhet , amely megfelel a Z által 104 és 116 , valamint az N 176 és 186 között definiált nuklidoknak : ezeknek az elemeknek lehetnek izotópjaik, amelyek radioaktív felezési ideje néhány perc.
Korlátozza a magok méretétAz eddigi legnehezebb szintetizált nuklid a 294 Og izotóp, és a GSI-n folytatódik a 302 120 izotóp előállítása . Nem tudjuk pontosan, hogy egy atommag hány nukleont tartalmazhat: általában a kísérleti megfigyelhetőség határát becsüljük körülbelül Z ≈ 130-ra, az elméleti határt pedig Z = 173-ra: egy 174. th proton (vagy neutron ) adna a nukleáris rétegnek 1 s 1/2 energia –511 k eV , egyenlő az elektron vagy a pozitron nyugalmi tömegével ; egy ilyen mag tehát instabil lenne a β-bomlás szempontjából .
Míg az atom nukleáris tulajdonságai (tömeg, atomenergia, radioaktivitás stb. ) A fizika , és különösen a magfizika és a részecskefizika alá tartoznak , az atomok elektronikus felhőinek tulajdonságai (méret, ionizációs energia , elektromos vezetőképesség , vegyérték , stb. ) elsősorban kémia és anyagtudomány kérdése .
Az atomok méreteAz atom elektronfelhőjének nincsenek jól definiált dimenziói, mert valószínűségi természetű atompályák szuperpozíciójából áll . Ezért nincs egyetlen meghatározás vagy végleges mérés az atomok méretéről: általában az összekapcsolt atomok közötti átlagos távolság alapján határozzák meg, de ez a távolság az atomok kémiai jellegétől függően változik. és geometriája a kötvények, amelyekben az atom vesz részt, vagy a természet e kötések ( fém , kovalens , ionos , stb ). Az atompályák kiterjesztésének elméleti értéke mégis kiszámítható minden egyes atommagra, amely meghaladja a kristályrácsok geometriáján alapuló empirikus módszerek vagy a molekulákon végzett mérések értékét :
H 53 |
Ő 31 |
|||||||||||||||||
Li 167 |
Legyen 112 |
B 87 |
C 67 |
N 56 |
O 48 |
F 42 |
Ne 38 |
|||||||||||
Na 190 |
Mg 145 |
Al 118 |
Ha 111 |
P 98 |
S 88 |
Cl 79 |
Ar 71. |
|||||||||||
K 243 |
Ca 194 |
Sc 184 |
Ti 176 |
V 171 |
Cr 166 |
Mn 161 |
Fe 156 |
Co 152 |
149. sem |
Cu 145 |
Zn 142 |
Ga 136 |
Ge 125 |
114. ász |
Lásd 103. o |
Br 94 |
Kr 88 |
|
Rb 265 |
Sr 219 |
Y 212 |
Zr 206 |
Nb 198 |
Mo 190 |
Tc 183 |
Ru 178 |
Rh 173 |
Pd 169 |
Ag 165 |
Cd 161 |
A 156 |
Sn 145 |
Sb 133 |
Te 123 |
I 115 |
10. 108. |
|
Cs 298 |
Ba 253 |
* |
Olvassa el a 217. cikket |
Hf 208 |
A 200 |
W 193 |
Re 188 |
Csont 185 |
Ir 180 |
Pt 177 |
174- kor |
Hg 171 |
Tl 156 |
Pb 154 |
Bi 143 |
Po 135 |
at 127 |
Rn 120 |
Fr | Ra | ** |
Lr | Rf | Db | Vminek | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
↓ | ||||||||||||||||||
* |
A 226 |
Ez a 210 |
Pr 247 |
Nd 206 |
Pm 205 |
Sm 238 |
Eu 231 |
Gd 233 |
Tb 224 |
Dy 228 |
Ho 226 |
Er 226 |
Tm 222 |
Yb 222 |
||||
** |
Ac | Th | Pa | U | Np | Tudott | Am | Cm | Bk | Vö | Is | Fm | Md | Nem |
A számszerű értékeken túl, amelyeket itt csak tájékoztató jellegűnek kell tekinteni, ez a táblázat két tendenciát mutat be:
A összehúzódása lantanidák egy jól illusztrálja ezt utóbbi jelenség, és az eredete az a tény, hogy az atomok az átmeneti fémek a ötödik és hatodik időszakok nagyjából egyenlő méretek: alig két picometers többet hafnium és tantál. , Mint a cirkónium és nióbium ; ez a megfelelő fémek sűrűségének jelentős növekedését eredményezi , például 6,5 és 13,3 g / cm 3 a cirkónium és a hafnium esetében - több mint kétszeresére.
Kémiai kötésekAz atomok egyik legfigyelemreméltóbb tulajdonsága, hogy hajlamosak különféle kémiai kötések kialakítására más atomokkal, molekuláris építmények , kristályok vagy akár atomi aggregátumok ( klaszterek , „ szuperatomok ”) kialakítása érdekében. Ezek a kötések a két atomhoz tartozó atompályák átfedéséből származnak, és molekuláris pályát alkotnak, amelyet két , a kötésben részt vevő két atom egyikéből származó két elektron foglal el (ebben az esetben kovalens kötésről beszélünk ), de jöhetnek is. a elektrosztatikus vonzás atomjai között ellentétes elektromos töltés (a pozitív kation és egy negatív anion : ez az úgynevezett ionos kötéssel ).
Az atomok kémiai reaktivitása attól függ, hogy hány elektron van a perifériás elektronikus alhéjaikban ( s és p alhéjaikban ) - valens elektronok . Azáltal bájtos szabály , minden atom sőt hajlamos, hogy elérje egy állapot, amikor a perifériás s és p subshells telítjük elektronok: két elektron a s subshell és hat elektronok a subshell. P . Például a hidrogén 1s alhéjában csak egyetlen elektron van , ezért egy másik atomhoz társul, hogy megszerezze a második elektront, amelynek telítetlen hiánya van ennek az alhéjnak: azt mondjuk, hogy a hidrogén egyértékű . Az oxigén , amelynek 2 p alrétegében négy elektron van , ezért két másik atomhoz kapcsolódva két, ebben az alrétegben hiányzó elektron telítetté válik: az oxigén kétértékű . Az a szén, amelynek 2 p alrétegében két elektron van, négyértékű . A ritka gáz öngyújtók, mint például a hélium és a neon , az elektronrétegben 1 s- vel két elektron és a 2 p-os alrétegben hat elektron , szinte kémiailag inertek, mivel elektronikus konfigurációjuk már telített vegyértékű elektron - de ritka gázkémia van a nehezebb ritka gázok, amelyek nem nulla kémiai reaktivitást mutatnak a magnak az elektron által végzett szűrése miatt, amely mobilizálhatóbbá teszi a perifériás elektronokat.
A kovalens kötés erős kötés: az, amely egyesíti az I 2 molekula két jódatomjátcsak 151 k J / mol , de eléri 436 kJ / mol a molekula H 2, 498 kJ / mól az O 2, És a 945 kJ / mol a N 2.
A kémiai kötés egy másik típusa figyelhető meg a fémekben : a fém kötés . A fémes atomoknak valójában az a tulajdonságuk, hogy összegyűlve felfedjék a perifériás atompályáik lefedésével egy „ vezetési sávot ”, amelyet a delokalizált elektronok elfoglalhatnak („fémes aromásságról” beszélünk. ") A legkevésbé kötött pályákról ezen atomok közül; a fémek elektromos vezetőképessége abból adódik, hogy sokkal több lehetséges elektronikus konfiguráció van ( az elektronikus állapotok sűrűségéről beszélünk ), mint elektronok vannak ebben a vezetősávban, így az utóbbiak "elektrongázt" alkotnak.
A különálló molekulákhoz tartozó atomok nem csak kovalens vagy ionos kötés útján léphetnek kapcsolatba elektronikus felhőikkel. Így egy halogén atom hiányos elektronok és könnyen polarizálható képezhet halogén kötéssel a atomok vagy funkciós csoportok gazdag elektronok, így hidrogén vagy nitrogéntartalmú származékai. Hasonlóképpen, egy savas hidrogénatomot tartalmazó molekula gyenge kötést ( 5-20 kJ / mol ) képes kialakítani egy nem kötődő dublettekkel rendelkező elektronegatív atomhoz . Végül két atom dipólmomentumainak kölcsönhatása származik a van der Waals-erőtől , amelynek ereje ugyanolyan nagyságrendű, mint a hidrogénkötésé.
Elektronegativitás és elektronikus affinitásElektronikus konfigurációjuk miatt egyes atomok a többinél nagyobb valószínűséggel vonzanak elektronokat kovalens kémiai kötések kialakításával . Ezt a tulajdonságot nevezzük egy atom elektronegativitásának . Először a tömegszámuktól és korrelációban az atommag és a vegyérték elektronok közötti kötés erősségétől függ . Ez általában értékelik a Pauling skála elnevezett Linus Pauling , aki fejlesztette 1932-ben Egyéb értékelési módszerek eltérő eredményeket, de ugyanolyan tendenciát mutatott, az egész skála. Periódusos .
H 2.2 |
Hé | |||||||||||||||||
Li 0,98 |
Legyen 1,57 |
B 2.04 |
C 2,55 |
N 3,04 |
O 3,44 |
F 3,98 |
Született | |||||||||||
Na 0,93 |
Mg 1,31 |
Al 1,61 |
Si 1.9 |
P 2.19 |
S 2.58 |
Cl 3,16 |
Ar | |||||||||||
K 0,82 |
Ca 1 |
Sc 1.36 |
Ti 1,54 |
V 1.63 |
Cr 1,66 |
Mn 1,55 |
Fe 1,83 |
Co 1,88 |
Ni 1,91 |
Cu 1.9 |
Zn 1,65 |
Ga 1,81 |
Ge 2.01 |
Ász 2.18 |
Lásd: 2.55 |
Br 2,96 |
Kr 3 |
|
Rb 0,82 |
Sr 0,95 |
Y 1.22 |
Zr 1,33 |
Nb 1.6 |
MB 2.16 |
Tc 1.9 |
Ru 2.2 |
Rh 2,28 |
Pd 2.2 |
Ag 1,93 |
Cd 1,69 |
Az 1.78-ban |
Sn 1,96 |
SB 2.05 |
Te 2.1 |
I 2.66 |
Xe 2.6 |
|
Cs 0,79 |
Ba 0,89 |
* |
Olvassa el az 1,27-et |
Hf 1.3 |
Az Ön 1.5 |
W 2,36 |
Re 1.9 |
Csont 2.2 |
Ir 2.2 |
Pt 2.28 |
2.54- kor |
Hg 2 |
Tl 1,62 |
Pb 2.33 |
Bi 2.02 |
Po 2 |
A 2.2 |
Rn 2.2 |
Fr 0,7 |
Ra 0,9 |
** |
Lr 1.3 |
Rf | Db | Vminek | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
↓ | ||||||||||||||||||
* |
az 1.1 |
Ez az 1.12 |
Pr 1.13 |
Nd 1.14 |
Pm 1.13 |
Sm 1.17 |
Eu 1.2 |
Gd 1,2 |
Tb 1.1 |
Dy 1.22 |
Ho 1,23 |
Er 1.24 |
Tm 1,25 |
Yb 1.1 |
||||
** |
Ac 1.1 |
Th 1.3 |
Pa 1,5 |
U 1,38 |
Np 1.26 |
Pu 1.28 |
1.13. Módosítás |
Cm 1,28 |
Bk 1.3 |
Lásd: 1.3 |
Van 1,3 |
Fm 1.3 |
Md 1.3 |
Nem 1.3 |
A táblázat elolvasása két fő tendenciát mutat:
Maguk a nemesgázok esete azért különlegesek, mert közülük a legkönnyebb kémiailag inert, az igazi nemesgáz-kémia csak a kripton esetében létezik, és mindenekelőtt a xenon - a radon túl radioaktív ahhoz, hogy jelentős kémiai anyagot mutasson be.
Az elektronegativitás nem abszolút atomfogalom, sokkal inkább a más atomokkal kötődő atomokra vonatkozó kémiai tulajdonság. Az elektronegativitásnak megfelelő stricto sensu atomi tulajdonságot elektronikus affinitásnak nevezzük, és annak az energiának felel meg, amelyet egy elektron hozzáadása a semleges atomhoz anion képződéséhez ad . Ezért mérhető fizikai mennyiség, ellentétben az elektronegativitással.
H 73. |
Ő 0 |
|||||||||||||||||
Li 60 |
Legyen 0 |
B 27 |
C 122 |
N 0 |
O 141 |
F 328 |
Ne 0 |
|||||||||||
Na 53 |
Mg 0 |
Al 42 |
Ha 134 |
P 72 |
S 200 |
Cl 349 |
Ar 0 |
|||||||||||
K 48 |
Ca 2 |
Sc 18 |
Ti 8 |
V 51 |
Cr 65 |
Mn 0 |
Fe 15 |
Co 64 |
Ni 112 |
Cu 119 |
Zn 0 |
Ga 41 |
Ge 119. o |
Ace 79 |
Lásd 195 |
Br 324 |
Kr 0 |
|
Rb 47 |
Sr 5 |
Y 30 |
Zr 41 |
Nb 86 |
Mo 72 |
Tc 0 |
Ru 101 |
Rh 110 |
Pd 54. |
Ag 126. |
CD 0 |
A 39 |
Sn 107 |
Sb 101. |
Te 190 |
I 295 |
Xe 0 |
|
Cs 46 |
Ba 14 |
* |
Olvassa el a 33-at |
HF |
A te 31 |
W 79 |
Re 14 |
Csont 104 |
Ir 150 |
Pt 205 |
223- kor |
Hg 0 |
Tl 36 |
Pb 35 |
Bi 91 |
Po | Nál nél |
Rn 0 |
Fr | Ra | ** |
Lr | Rf | Db | Vminek | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
↓ | ||||||||||||||||||
* |
A 45 |
Ez az 55 |
Pr 93 |
Nd | Délután | Sm |
Van 11 |
Gd | Tuberkulózis | Dy | Ho | Er |
Tm 99 |
Yb 0 |
||||
** |
Ac | Th | Pa | U | Np | Tudott | Am | Cm | Bk | Vö | Is | Fm | Md | Nem |
Által képviselt értékek egy csillaggal a fenti táblázatban közel nulla szerint kvantum értelmezése az elektronikus konfiguráció a megfelelő atomok. Megjegyezzük, hogy az elektronikus affinitást nem mutat a rendszeres periodicitása elektronegativitása, hanem azt, hogy az összes ugyanazt a legmagasabb a halogének és a lényegesen alacsonyabb az alkálifémek és mindenekelőtt, alkáli-földfémek .
MágnesességA nukleonokhoz hasonlóan az elektronoknak is van egy spinje , amely analóg az egyes elektronokhoz tartozó szögmomentummal , amelyre egy olyan orbitális szögmomentum kerül, amelyet a szekunder kvantumszám képvisel, amelyet az elektron valószínűségi eloszlása generál az atomi pályáján. "mozgalomhoz" hasonlítják. Ez a két szögmomentum együtt alkot mágneses teret az atom körül. Amikor két elektron foglalja el az atom kvantumsejtjét , akkor mindegyikük ellentétes spinű a Pauli-kizárási elv alapján , amely megsemmisíti a keletkező szögmomentumot; de azoknak az atomoknak és ionoknak, amelyeknek páratlan az elektronszámuk, az elektronjuk pörgésétől eredő nem nulla mágneses momentumuk van.
A ferromágneses anyagoknak az a sajátosságuk, hogy atomjaik mágneses momentumait ugyanabba az irányba orientálják egymással kölcsönhatás révén , ami makroszkopikus mágneses teret hoz létre : ez a helyzet például a Fe 3 O 4 magnetit esetében. Éppen ellenkezőleg, bizonyos anyagok atomjaik mágneses momentumait váltakozva, ellentétes irányba terelik, amit „ antiferromágnesességnek ” neveznek .
A paramágneses anyagok belső mágnességüket csak egy külső mágneses mező hatására tárják fel, amely az atomjaik mágneses momentumát addig igazítja, amíg jelen van ( pozitív mágneses érzékenység ); amint ez a külső mágneses tér megszűnik alkalmazni, a paramágneses anyag mágnesezettsége eltűnik. Az atomok párosítatlan elektronnal azok alapozók nap és f magas mágneses tulajdonságait, mert ezek az elektronok erősen lokalizált; A lantanidok különösen erős mágneseket alkotnak, mivel mágneses momentumukat akár hét párosítatlan elektron - nevezetesen a neodímium és a szamárium - váltja ki . Van egy spektroszkópiai elemzési módszer a magmágneses rezonanciához (NMR) hasonló mágneses mező alatt, amely magában foglalja az elektronok spinjét a magok helyett : az elektron paramágneses rezonanciát (más néven "elektron spin-rezonanciának" nevezik).
A diamágnesesség eközben meglehetősen általános jelenség az elektronok orbitális szögmomentuma miatt, nem pedig ezeknek a pörgése miatt, amely a külső mágneses terektől távol eső mágneses mező megjelenéséből áll; általában alacsony intenzitású jelenség, eltekintve néhány speciális esettől, mint például az arany , a higany , a bizmut és különösen a szupravezető anyagok ( Meissner-effektus ).
Fluoreszcencia és foszforeszcenciaAz atom elektronja gerjeszthető egy beeső foton abszorpciójával , aminek következtében az atom energiapályáját nagyobb, mint az alapállapota . Számos aromás molekula vagy konjugált π kötéssel rendelkező molekula valószínűleg ily módon egyszerűen megvilágítással gerjesztődik; az alapállapot felé történő relaxációjuk egy vagy több foton emisszióját eredményezi, két különböző mechanizmus szerint:
Az atomok és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása abszorpciós vagy emissziós vonalak megjelenését is eredményezheti bizonyos hullámhosszakon , az egyébként folyamatos spektrumon . Ezek a hullámhosszak megfelelnek az elektronrétegek és az elektronikus alrétegek közötti átmeneti energiának : amikor az atomot egy foton éri el, amelynek energiája megegyezik ezen átmenetek egyikével az elektronikus energiaszintek között, akkor egy elektron képes elnyelni ezt a fotont és magasabb energiaszintre lépni. a fotonokban hiányos hullámhosszat hagyva, amely abszorpciós vonalként materializálódik a spektrumban.
Minden atomnak, minden egyes ionnak , sőt minden egyes molekulának vagy szabad gyököknek van egy jellegzetes spektrális aláírása, amelyet széles körben használnak például az asztrofizikában jelenlétük detektálására és koncentrációjuk meghatározására a csillagközi közegben , vagy akár az intergalaktikus térben : spektrum, lehetséges eltolódásuk ( eltolódás a piros felé ), szélességük, élességük és esetleges több komponensre történő szétválasztása (amit finom szerkezetüknek nevezünk ) tehát paraméterekben gazdag információk az elemzett sugárzás által keresztezett közeg információiban forrás és annak detektálása spektroszkópiai eszközökkel .
A barionos anyag hőmérséklettől és nyomástól függően létezhet szilárd , folyékony vagy gáz halmazállapotban : ezen állapotok közötti átmenetek olyan hőmérsékleti és nyomásszinteken történnek, amelyek közvetlenül kapcsolódnak az egyes atomok tulajdonságaihoz és molekuláris elrendezéseikhez. Szilárd és folyékony állapotokat nevezik kondenzált Államok , míg a folyadék és a gáz állapotokat nevezik folyadék állapotok . A folyadékkristály ( mezofázis ) egy közbenső állapot a szilárd és a folyékony között.
A Földön is vannak olyan kevésbé gyakori anyagállapotok , amelyek az előzőekhez vezetnek :
Az atomok a világegyetem teljes megfigyelhető energiájának körülbelül 4% -át teszik ki , átlagos koncentrációja egy atom négy köbméterenként. Egy olyan galaxis csillagközi közegében , mint a Tejútrendszer , az atomok koncentrációja köbméterenként százezer és egymilliárd atom közötti régiók szerint változik, bár a Nap közvetlen környezete sokkal gyengébb: alig ötvenezer atom köbméterenként, amely pontosan meghatározza a helyi buborékot egy üregként a csillagközi közegben, amelyet a szomszédos szupernóvák két-négy millió évvel ezelőtti robbanása képzett . A csillagok sűrű felhőkből alakulnak ki, és a mellükben zajló magfúziós reakciók a hidrogénnél nehezebb kémiai elemek , a hélium és a lítiumtermékek képződéséhez vezetnek az Nagy Bumm után .
A Tejútrendszer atomjainak több mint 95% -a a csillagokban található, és galaxisunk "látható" atomjai tömegének körülbelül 10% -át képviselik: ennek a tömegnek a többi részét egy titokzatos sötét anyag alkotná .
Az univerzum létezésének első perceiben a primer nukleoszintézis során kialakult négy legkönnyebb elem : körülbelül 75% hidrogén 1 H, 25% hélium 4 He, 0,01% 2 H deutérium és nyomok (10 -10 nagyságrendűek) ) a 7 Li lítium . Ez nukleoszintézis lett volna túl rövid ahhoz, hogy a szintézis a nehezebb elemek, mint a lítium , és hogy lehetővé tegye a fúziós a deutérium . Maguk az atomok elektronikus felhőjükkel a rekombináció során keletkeztek volna , körülbelül 377 000 évvel az Ősrobbanás után, az első kvazárok és csillagok pedig 150 millió év után.
A nukleoszintézis ezután átvette alkotnak valamennyi kémiai elemek , hogy a vas által olvadó egymást követő atommagok hélium :
Ezen a ponton, a fúziós megszűnik a exoterm reakciók igénylő rendkívül energikus beavatkozni alkotnak nehezebb elemek: neutronbefogási ( folyamat r , eljárás s ), proton ( folyamat RP ) és photodisintegration ( folyamat p ), amely előfordulhat a legvégén a a csillagok élete, még akkor is, ha nem túl masszívak, és különösen a szupernóvák robbanása során .
Valószínűleg a Földet alkotó atomok döntő többsége már jelen volt a napködben , amelynek gravitációs összeomlása létrehozta volna a Naprendszert . Az atomok, amelyek azóta megjelent leggyakrabban származhat a radioaktív bomlás instabil primordiális elemeket, és az izotóparány az a megfelelő elemek eszközként szolgálhatnak becslésével a Föld korát által radiometrikus társkereső . Ezen túlmenően, a természetes bősége a hélium 3 majd a Földön héliumot 4 a földgáz mezők lehetővé teszi számunkra, hogy következtetni, hogy 99% hélium 4 Földön származik α radioaktivitást . Más, "kozmogén" minősítésű atomok a kozmikus sugarak és a földi légkör kölcsönhatásából származnak : ez a 14 szén , de például a berillium 10 közismert esete . Végül nagyszámú szintetikus atom termelődik a laboratóriumban alapvetően tudományos célokra, néha katonai, ritkán ipari (az így előállított anyagok túlzott költsége miatt), például a szilícium-42 (bizonyos hipotézisek igazolására a réteges modellen, amely leírja a nukleáris szerkezet ), a plutónium-239 (a nukleáris fegyverek anyagának megválasztása ), a technécium-99m (a nukleáris orvostudományban széles körben használják ) vagy az americium-241 (iparban használják a füstérzékelőkben ).
Bizonyos körülmények között lehetőség van atomok gerjesztésére, például festéklézerrel , elektronjaik egy részének atompályákra helyezésére , amelyek n többségi egységnek megfelelő, vagy akár 100-nál nagyobb n fő kvantumszámnak felelnek meg. Az ilyen atomokat ún. Rydberg atomok . Figyelemre méltó tulajdonságokkal rendelkeznek, például nagyon magas az elektromos és mágneses érzékenység , a relatív stabilitás és az elektronikus hullámfüggvények , amelyek bizonyos fokig megközelítik azt a pályát, amelyet az elektron a klasszikus mechanikában ír le a mag körül . A mag elektronok szkrínelésére elektrosztatikus mező a mag a szempontból a perifériás elektron, melyek a potenciális a mag ugyanaz, mint a hidrogénatom. Ennek a bizonyos elektronnak a viselkedését különösen jól leírja a Bohr-modell , amely azonban nagyon nem elegendő a „hagyományos” atomok modellezéséhez.
A Rydberg atomok mérete sokkal nagyobb, mint az alapállapotú atomoké : a hidrogénatom n = 137- ig terjedő gerjesztési állapota kb. 1 μm , azaz öt nagyságrenddel a sugár fölötti atom sugarának felel meg. alapállapotú hidrogénatom ( n = 1 ). Nem létezhetnek a természetes földi környezetben, mert ott az ionizációs energiájuk jóval alacsonyabb, mint a hőenergia, de a csillagközi közeg anyagának fontos részét képviselik , ahol sokáig fennmaradhatnak más atomokkal vagy elektromos vagy mágneses mezők valószínűleg az alapállapotba való visszatérést okozzák. A spektrális vonal 2,4 G Hz felfedi az átmenet a főkvantumszám közötti n = 109 és n = 108 a hidrogénatom tehát nagyon gyakran megfigyelhető a csillagászok .
Figyelembe véve a nagyon magas elektromos és mágneses érzékenységet, a Rydberg-atomok jelentős részét tartalmazó közegek elektromos és mágneses tulajdonságait jelenlétük érezhetően megváltoztatja.
Az egzotikus atomok különböző formáit sejtették, és néha megfigyelték. Ez a helyzet például a müonatomokkal, amelyekben az elektront egy müon helyettesíti : ez utóbbi nagyobb, mint egy elektron, és az orbitális pályái közelebb vannak a maghoz, amely több "atomot" ad. Hasonlóképpen, egy elektron lehet helyettesíteni egy hadron , mint például egy mezon , a Σ - részecske , vagy akár egy antiproton . Az egyetlen egzotikus atommal, amelynek jelentős élettartam - nem haladja meg az azonban 2,2 μ s - a muonium , kölcsönhatásából eredő elektron egy müon μ + szolgáló „kernel”. Az ilyen típusú atomok hasznosak vizsgál egyes aspektusait a standard modell a részecskefizika , beleértve az elemi kölcsönhatások .
A kölcsönhatás egy pozitron egy antiproton ad egy atom antihidrogén , amely egy atom a antianyag . Minden atomnál eleve van egy " antiatom "; az antianyag előállítása továbbra is különösen költséges kísérlet az energiában, és a mai napig csak antihidrogén 1 H -t szintetizáltak.
A „hagyományos” atomok sokféle változata is létezik, de ennek ellenére nincsenek jelen a természetes környezetben, ezért mesterségesen állítják elő őket. Ezek a szintetikus elemek két kivételtől eltekintve transzuránok , amelyek atomszámuk növekedésével egyre instabilabbak .
Az atom fogalmát a lakosság különösen jól elfogadja, paradox módon azonban az atomok nem figyelhetők meg optikai eszközökkel, és csak néhány ritka fizikus manipulálja az izolált atomokat. Az atom tehát lényegében elméleti modell. Bár ezt a modellt ma már nem kérdőjelezik meg, az idő múlásával sokat fejlődött, hogy megfeleljen az új fizikai elméletek követelményeinek, és figyelembe vegye az idővel elért kísérleti eredményeket.
Lehetséges, hogy különféle népek kifejlesztették a "gabona alkotó anyag" fogalmát, mivel ez a fogalom nyilvánvalónak tűnhet, amikor egy földréteget felszakítasz, vagy ha egy dűnére nézünk. A növekvő európai , ez a koncepció jelent meg először az ókori Görögországban a V -én század ie. J. - C. , között preszokratikus filozófusok , különösen Leukipposz (körülbelül 460 - 370 av. J. - C ), Demokritosz és később Epikurosz . Az atomista elméletet aztán a római Lucretia nagyszerűen kifejti De rerum natura című művében , amelyet úgy foglal össze, hogy azt állítja, hogy "az elsődleges testek [...] áthatolhatatlan egyszerűségűek, és a visszavonhatatlan részecskék homogén és szorosan összefüggő egészét alkotják. [...] amelynek természete még nem enged semmit levonni vagy levonni. Az atomisták által kifejlesztett egyik legfontosabb érv a világegyetem állandósága, amely végső soron oszthatatlan tárgyak létezésére utal, amelyek bizonyos mennyiségű energiát hoznak létre az anyag boncolásához. Ellenkező esetben bármilyen nulla nélküli energia elegendő lenne az anyag lebontásához és az univerzum elhasználódásához, amely fokozatosan megtapadhatatlan por formájában alakul ki. A görögök által öregnek gondolt univerzumot tekintve az anyag folytonosságának ez az elképzelése tehát összeegyeztethetetlen volt a megfigyelt világ stabilitásával.
Olyan világfelfogásról van szó, amely a valóság alapelveinek kutatásának része, és amely az első filozófusokat jellemzi : feltételezhetjük, hogy az ügyet nem lehet végtelenül felosztani, és így fennmarad a világ elemeinek megőrzése. , amelyeket különféle folyamatok szerint alakítanak át vagy kombinálnak. A világ négy elemre ( víz , levegő , föld , tűz ) bomlása tehát kiegészítheti ezt a tézist. Az atomizmus versengő megoldás, amely a lét és a semmi ellentétéből fakad: az atom a lét parcellája, amely örökké megmarad, különben a dolgok eltűnnek. Az atomok oszthatatlanok; úgy komponálják az anyagot, mint a betűk a szavakat. Kétségtelenül jelentős filozófiai fordulópont volt, a materializmus eredeténél, valamint a tudomány és a vallás szétválasztásánál . Még akkor is, ha az epikureai empirizmus tudományos alapon próbálja megalapozni ezt a hipotézist , az atom meg nem erősített intuíció marad.
Évezredek azt vettük észre, hogy a termékek átalakult: a tűz , a kohászat , a korrózió , az élet , főzés élelmiszer, bomlás a szerves anyagok , stb Például az Empedokles esetében az anyag átalakulásait a következőképpen magyarázták: négyféle elem létezett (víz, levegő, föld, tűz), amelyek társultak és elszakadtak, a szeretet vagy az egymást érő gyűlölet függvényében - a híres atomok ". A középkorban az alkimisták tanulmányozták ezeket az átalakulásokat, és észrevették, hogy nagyon pontos szabályokat követnek. 1760 körül a brit vegyészek érdeklődni kezdtek a reakciók során keletkező gázok iránt, hogy megmérjék térfogatukat és megmérjék azokat. Így Joseph Black , Henry Cavendish és Joseph Priestley különböző „levegőket” (azaz gázokat) fedezett fel: „fix levegőt” ( szén-dioxidot ), „gyúlékony levegőt” ( hidrogént ), a „levegőt flogglizáló” ( dinitrózist ), levegő "(az oxigén ) ... (a" phlogiston " kifejezés Georg Ernst Stahl német kémikus elméletéből származik , a XVIII . Század elején, hogy megmagyarázza az égést; ezt az elméletet Lavoisier félresöpörte .)
Antoine Laurent de Lavoisier (francia vegyész) 1775-ben kijelenti, hogy: "Semmi sem veszett el, semmi sem jött létre, minden átalakult" (akkoriban kissé másképp fogalmazták meg), vagyis:
Ez a fogalom jelzi a kémia valódi születését . A kémikusok ezért elkezdték azonosítani az összes anyag alkotóelemeit, és létrehozni egy szisztematikus nómenklatúrát - oxigént: amely savakat termel (görögül „savat” jelent), hidrogént: vizet termel ... Például 1774- ben Lavoisier a brit kémikusok munkáját követve megállapítja, hogy a levegő „létfontosságú levegőből” (dioxigen) és „állott és mefitikus levegőből, mofettából” áll (dinitrogén); a 1785 , ő bomlik vízzel (átvezetve vízgőz a piros-forró vas), és ezért azt mutatja, hogy ez nem egy elem, de, hogy a víz felbontható elemekké (ez valójában a pirolízis ). Az „elemzés” kifejezés e bomlás fogalmából származik, a lusis (λυσιs) görögül „oldódást” jelent: a termékeket lebomlik (savas támadással, elégetéssel, lepárlással stb. ), Amíg könnyen felismerhető egyszerű anyagokat nem kapnak (hidrogén, oxigén, szén, vas stb. ).
Ezért megvan az első kísérleti megfigyelés az anyag elemi anyagokra bomlásáról.
Egy másik, párhuzamosan végzett lépés a gázok és a hő tulajdonságainak tanulmányozásából származik ( termodinamika ).
A folyadékokat (folyadékokat és gázokat) az ókortól kezdve tanulmányozták Európában, de a XVII . Század közepe kezdi igazán meghatározni tulajdonságait a találmány szerint a hőmérő (Santorre Santario termoszkópja , 1612 ), a barométer. és a szivattyúzott vákuum ( Evangelista Torricelli , 1643 ), a tanulmány a expanziós gázok ( Gilles Személyi de Roberval , 1647 ), a légköri nyomás ( Blaise Pascal és Florin Perrier , 1648 ), a kapcsolatok közötti nyomás és térfogat ( Robert Boyle a 1660 , Edme Mariotte a 1685 ), a fogalom abszolút nulla ( Guillaume Amontons , 1702 ), stb
René Descartes (francia matematikus, fizikus és filozófus) 1644- ben azt az elképzelést sugallja , hogy a gázok kavargó részecskékből állnak. De ez megint csak képi felfogás, kísérleti támogatás nélkül; ugyanabban a szellemben, Descartes úgy vélte, hogy ez is egy forgószél „finom anyag”, ami miatt a bolygók forgatni (ezt felróni a Isaac Newton és egyetemes vonzereje az 1687 ).
Ez a sejtek fogalma azonban más tudósokat is inspirált. Jakob Hermann ( 1716 ) és Leonhard Euler ( 1729 ) svájci matematikusok , de különösen Daniel Bernoulli ( 1733 ) svájci fizikus számításokat végeznek, feltételezve, hogy a gázok ütköző részecskékből állnak, és eredményeik összhangban vannak a 'tapasztalattal. Ez a gázok "kinetikus" felfogása, vagyis a hőmérséklet és a nyomás magyarázata részecskék mozgatásával.
A XVIII . Század végén egy másik tudomány fejlődik ki : a kristályrajz . Ami a tudósokat érdekli, az a természetes kristályok geometriai alakjainak megfigyelése és az a képesség, hogy ezeket a szimmetriákat tiszteletben tartva sima síkokban hasítanak el. Az élőlények osztályozásának Carl von Linné-féle gondolatát felvállalva elkezdtük keresni és osztályozni az ásványokat ( Jean-Baptiste Romé de L'Isle , francia ásványtan, 1772 ). René-Just Haüy atya (francia kristálykutató) 1781- ben feltételezi, hogy a kristályok alakja egy „elemi tégla” szimmetriáját tükrözi, a kristály ezeknek a tégláknak az összessége. Itt találjuk az anyag elemi összetevőjének ezt a fogalmát.
Ebben a szakaszban három koncepció merült fel:
Ezeknek a fogalmaknak közös az a tény, hogy a homogén anyag olyan testekből áll, amelyek mind hasonlóak egymáshoz, de túl kicsi ahhoz, hogy láthatók legyenek. A XIX . Század felfedezései segítenek e három fogalom eljuttatásában, valamint a molekula és az atom fogalmának megalapozásában.
John Dalton (brit kémikus és fizikus) 1804- ben megméri a reagensek és a reakciótermékek tömegét, és arra a következtetésre jutott, hogy az anyagok gömb alakú atomokból állnak, egy elemre azonosak, de az egyes elemektől eltérőek, különösen a tömeg ezen atomok közül. Felfedezi a parciális nyomás fogalmát is (gázkeverékben az adott gáz hozzájárulása a teljes nyomáshoz). Elsőként terjesztette elő az atomelmélet gondolatait .
A 1807 , Louis Joseph Gay-Lussac (francia fizikus és vegyész), létre a törvény összekötő a hőmérséklet és a nyomás a gáz. Az 1808 -ben megállapította, hogy a gázok reagálnak a meghatározott arányban; a reagensek és a reakciótermékek térfogataránya kis egész szám. Az a tény, hogy egész számok, erősen arra késztette, hogy azt gondolja, hogy az ügy nem „folyamatos” (akkoriban domináns gondolat), hanem szakaszos elemekből áll.
Amedeo Avogadro (olasz fizikus) 1811-ben bizonyíték nélkül kijelenti, hogy rögzített hőmérséklet és nyomás esetén az adott térfogatú gáz mindig azonos számú molekulát tartalmaz, függetlenül attól, hogy mi a gáz. Azt is feltételezi, hogy a gázok többatomúak, és élesen meghatározza a molekulákat és atomokat. André-Marie Ampère ( 1814 ), Jean-Baptiste Dumas ( 1827 ) és William Prout ( 1834 ) ugyanarra a következtetésre jut.
A 1813 , Jöns Jacob Berzelius feltalált és készült egyetemesen elfogadja kémiai képletek analóg algebrai képletek kifejezni összetételének szervek; a jelenlegi pontozási rendszert annak köszönhetõen fogadták el, aki azt javasolta.
A 1821 , John Herapath ( angol matematikus) közzétett egy gázok kinetikus elméletét, hogy ismertesse a terjedési hangok, fázisváltások ( párologtatás , cseppfolyósítás ), valamint a gázok diffúziója. Robert Brown (brit botanikus) 1827- ben megfigyelte a részecskék mozgását a pollenszemekben; ezek egyenes vonalban mennek, és csak akkor változtathatnak irányt, ha egy másik szemcsével vagy a falnak ütköznek. Ebből a viselkedésből, a " Brown-mozgásból " indul ki a fizikusok inspirációja arra, hogy leírják a gázmolekulák mozgását.
Gabriel Delafosse , a 1840 , azt feltételezi, hogy az ember disszociál elemi összetevője a kristály és a szervezet így a Haüy elemi téglája olyan hálózat lehet, amelynek csomópontjainál „molekulák” találhatók; a rács alakja adja meg a kristály alakját, és nem feltétlenül a molekulák alakját.
Louis Pasteur (francia kémikus és biológus) 1847- ben megállapította a kapcsolatot a molekulák alakja és a kristályok alakja között (valójában a molekula a rácsnak, a rács pedig a kristálynak adja alakját). Auguste Bravais (francia fizikus) 1849- ben meghatározta a 32 lehetséges kristályrácsot.
A 1858 , Stanislao Cannizzaro ragaszkodik a különbséget, korábban az, Avogadro formájában egy hipotézis, között molekuláris és atomsúlya és megmutatja, hogy a atomsúlya szereplő elemek illékony vegyületek levezethető a tudására fajhő és hogy az ismeretlen gőzsűrűségű vegyületek atomtömege hogyan vezethető le a fajlagos hőből is. Ugyanebben az évben Rudolf Clausius (német fizikus) meghatározta a molekula átlagos szabad útját egy gázban (két sokk között megtett átlagos távolság). Innen indulva, 1859- ben James Clerk Maxwell (skót fizikus) bevezette a molekulák sebességének statisztikai diszperziójának fogalmát a gázok kinetikájában. Ez lehetővé tette Ludwig Boltzmann (osztrák fizikus) számára 1858-ban , hogy megbecsülje a molekulák méretét és meghatározza a gázok sebességének statisztikai eloszlását.
A 1863 , John Alexander Reina Newlands megjelent az első periódusos az elemek szerint rendezve relatív atomtömege, és feltételezték,, 1865-ben, a „ törvény oktáv ”, amely szerint a kémiai tulajdonságait egy elem a táblázatban megtalálta mind a nyolc elemet. Akkor még senki sem hitte el.
Dimitri Ivanovics Mendelejec (orosz kémikus) 1869-ben az atomok tömegének növekedésével osztályozza az anyagokat, és észreveszi, hogy kémiai tulajdonságaikban valóban periodicitás van. Ezért létrehoz egy táblázatot, amely az elemeket osztályozza ; a táblázat lyukai lehetővé tették új elemek felfedezését.
Az atom és a molekula fogalma tehát lehetővé tette a statisztikai termodinamika , a kémia és a kristályográfia sikerét . Ebben a koncepcióban meg fogja egyezni azokat a modelleket, amelyeket finomítani fognak a fizika fejlődése során, és amelyeket a XX . Század során a kvantumfizika felfedezései különösen tisztáznak , többek között:
A tudomány történetében az atom számos modelljét kidolgozták, mivel felfedezték az anyag tulajdonságait. Még ma is többféle modellt alkalmaznak; valóban, a legújabb modell meglehetősen összetett, a „régi” vagy részben hamis modellek használata, de egyszerűbb, megkönnyíti a megértést, ezért a tanulást és a reflexiót.
Az ókori Görögország óta feltételezik, hogy az anyag apró darabokra oszthatja fel, amíg oszthatatlan szemcséket nem kap, és olyan, mintha "por lenne a fényben". Rutherford kísérletével érjük el végül ezt a gabonát: az anyagot keresztező α részecskék látják a pályájukat megzavarva, ami lehetővé teszi számunkra, hogy megtudjuk, hogyan szerveződik ez a "por" ...
Az ebben a szakaszban bemutatott modellek túl messze vannak a valóságtól, hogy felhasználhatók legyenek. Itt csak történelmi célból kerülnek bemutatásra.
JJ Thomson modellje vagy az atomhoz rugalmasan kötött elektron modelljeAz elektron 1897-es felfedezésével tudták, hogy az anyag két részből áll: egy negatívból, az elektronokból és egy pozitívból, a magból. A modellben, akkor által elképzelt Joseph John Thomson , az elektronok, lokalizált részecskék, fürdik pozitív „leves”, mint az aszalt szilva a Breton távolságra (vagy szilva- puding a brit vagy akár, mint szőlőt Bretagne. A sütemény). Ezt a modellt 1911- ben érvénytelenítette egyik volt tanítványa, Ernest Rutherford tapasztalata .
Rutherford bolygómodelljeRutherford kísérlete azt mutatja, hogy a pozitív töltések nem "terjednek" az elektronok között, hanem kis pontokban koncentrálódnak. Alfa részecskék (pozitív elektromos töltésű részecskék ) nyalábjával bombázott egy vékony aranylevelet . Megfigyelte, hogy a részecskék gyengén elhajlottak, ami nem felelt meg a Thomson-modell által megjósolt eredménynek, amelyhez nem kellett volna átlépniük.
Rutherford ezért elképzel egy bolygómodellt: az atom egy pozitív magból áll, amely körül negatív elektronok forognak. A mag - az atomhoz képest (kb. 100 000-szer) nagyon kicsi - és az elektronjai között nagyon nagy vákuum van.
Ezt a modellt gyorsan hibássá tették egyrészt Maxwell-egyenletek , amelyek azt jósolják, hogy bármely felgyorsult töltés energiát sugároz, másrészt pedig az energiaszintek számszerűsítését bemutató kísérletek.
Az atom legegyszerűbb modellje egy nem deformálható gömb. Ezt a modellt széles körben használják a kristálytanban . Egy molekula több gömbként összefogottnak tekinthető, a kristály pedig egymásra helyezett gömbnek. Néha "felrobbant" ábrázolást használnak: az atomok kis távolságban elhelyezkedő gömbökként vannak ábrázolva, vonalakkal összekötve, lehetővé téve a kiemelt irányok, szögek kiemelését és a kötések számának megjelenítését.
Ez a modell jól megfelel az anyag bizonyos tulajdonságainak, például a folyadékok és szilárd anyagok összenyomásának nehézségének, vagy annak a ténynek, hogy a kristályok nagyon sima felülettel rendelkeznek. Másrészt nem teszi lehetővé más tulajdonságok, például a molekulák alakjának magyarázatát: ha az atomoknak nincs kitüntetett iránya, hogyan magyarázzuk el, hogy a kémiai kötések jól meghatározott szögeket tárnak fel?
Bohr modellA modellt fejlesztett ki Niels Bohr a 1913 a tulajdonságok által kiemelt Planck és Rutherford . A kemény gömbök modelljében az atom egy egész, fel nem bontható tárgy. A XIX . Század közepétől ismert, hogy a negatív elektromos töltést hordozó részecskéket, elektronokat "el lehet ragadni". Bohr modelljében az atom egy pozitív töltésű magból áll, és a körülötte forgó elektronok, az elektronok pályájának sugarai csak nagyon pontos értékeket képesek felvenni.
A mag nagyon tömör, átmérője körülbelül 10 -15 és 10 -14 m között van, vagyis a sejt százezer-egymilliószor kisebb, mint az atom; pozitív elektromos töltést hordoz. Ez az atom legnehezebb része is, mivel a mag az atom tömegének legalább 99,95% -át teszi ki. Az elektronok pontosak, vagyis sugáruk majdnem nulla (legalább kisebb, mint ami becsülhető). Negatív töltetet hordoznak. Az olvashatóság érdekében az alábbi ábra ezért nem méretezhető, figyelembe véve a mag és az elektronok méreteit, valamint a különböző pályák sugarait sem (itt meg kell jegyezni, hogy a pályákon lévő elektronok száma nem jósolta a modell).
Ez a látomás lehetővé teszi az alapvető spektroszkópiai jelenségek leírását , vagyis azt a tényt, hogy az atomok csak bizonyos fény- vagy röntgensugárzást (vagy színt) nyelnek el vagy bocsátanak ki . Valójában, mivel az {sejtmag + elektronok} rendszer stabil és korlátozott, negatív energiájú, csak diszkrét energiahalmazállapota van (és ezáltal szintjei is): az állapot áthaladása az atom másik másikához diszkrét energiaemisszió, amely ezért megmagyarázza az atomok spektroszkópiai vonalait. A Bohr-modell, amely az atomot két részre, egy magra és egy elektronfelhőre bontja, pontosabb, mint a kemény gömb modell , ahol a gömb felülete megfelel a külső elektronok pályájának.
Azonban nagyon gyorsan, a modell a Bohr atom nem lesz képes megmagyarázni a megfigyelések ( Zeeman-effektus , stb ). Schrödingerrel csak 1924-1926-ban váltak a pályák álló energiájú pályákká: megszületett a kvantummechanika .
A születési hullám mechanika Louis de Broglie a 1924 , általánosított Erwin Schrödinger a 1926 vezetett a javaslat egy új modell, a relativisztikus vonatkozásai, amelyeket le Paul Dirac az 1928 ; segít megmagyarázni az atom stabilitását és a spektroszkópiai kifejezések leírását.
Ebben a modellben az elektronok már nem a pályán elhelyezkedő golyók, hanem a jelenlét valószínűségének felhői . Ez a forradalmi nézőpont első pillantásra megdöbbentő lehet. Ugyanakkor az elektron - egy kis golyó - ábrázolása. - a makroszkopikus világban megfigyelt, a mikroszkópos világban bizonyítás nélkül átültetett formák diktálták . Tisztában kell lennünk azzal a ténnyel, hogy amit az elektronról tudunk, csak közvetett megnyilvánulásokon alapul: elektromos áram, katódsugárcső (televízió) ...
Az 1930-as évek óta az elektront így egy „ hullámfüggvény ” modellezi, amelyet általában Ψ-nek jelölünk, amelynek normája négyzete a jelenlét valószínűségének sűrűségét képviseli. Az elektron tulajdonságainak hű képviseletéhez csak bonyolult matematikai funkciók vannak; ez az absztrakció még mindig sok fizikust taszít. Az alábbiakban megpróbálunk képet adni a hullámfüggvény fogalmáról, ami szükségszerűen tökéletlen kép.
Képzelje el, hogy az atomon kívül az elektron egy kis golyó. Amikor az elektront az atom megfogja, „feloldódik” és diffúz felhővé válik, „elpárolog”. Amikor elszakad az atomtól, ismét kis gömbbé válik, "visszacsapódik". Vannak más példák olyan tárgyakra, amelyek alakot változtatnak, például a vízből a só kristályok formájában van; vízbe téve feloldódik, és ha elpárologtatjuk a vizet, kristályokat találunk. A só megváltoztatja az alakját (kompakt kristály vagy vízben oldva), de nálunk mindig van só.Pontosabban: az elektront, az atomon kívül, egy hullámcsomag képviseli , amelyet bizonyos keretek között úgy lehet tekinteni, mint egy kis gömböt. A kvantummechanika bizonyítja, hogy egy ilyen hullámcsomag idővel eloszlik; éppen ellenkezőleg, egy atom elektronja megtartja annak a hullámfüggvénynek a szerkezetét, amely az általa elfoglalt pályához kapcsolódik (mindaddig, amíg nem kerül ki az atomból). A kvantummechanika tehát nem az elektron (ismeretlen) alakjának megőrzését, hanem a jelenlét valószínűségének integráljának megőrzését feltételezi.
Schrödinger modelljében a különböző elektronoknak megfelelő felhők hatolnak át; szó sincs arról, hogy a pályáján lévő elektronok mindegyikének egyedi ábrázolását adják meg, ahogyan ez a Bohr-modell esetében történt. Ez annál is inkább igaz, mivel az elektronok megkülönböztethetetlen azonos részecskék . A cserehatások arra engednek következtetni, hogy az atom minden elektronja egyidejűleg van az egyes elfoglalt pályákon (amely megfelel egy adott elektronikus konfigurációnak). Az atom ionizációját (egy elektron elszakadása az atomtól) ezután az alábbi egyszerűsített ábrával ábrázolhatjuk.
A felesleges bonyodalmak elkerülése érdekében figyelembe vesszük a legegyszerűbb atomot, hogy bemutassunk néhány diagramot, amelyek feltárják a modell alapvető pontjait:
Legyen ρ ( r , θ, φ) a jelenlét valószínűségi sűrűsége a gömb koordináták pontján ( r , θ, φ). Az alapállapot esetében a valószínűségi sűrűség, ρ, az atom középpontjában a legnagyobb. Most vegyük figyelembe a jelenlét valószínűségének sugárirányú sűrűségét ( a magtól r távolságra , minden irány együttvéve):
,ez a sugárirányú sűrűség maximális a Bohr-modell első pályájának r = r 1 értékénél (a fenti kifejezésben figyelembe vettük a ρ gömbszimmetriáját, minden irányra megegyező). Valójában:
ρ (0,0,0)> ρ ( r 1 , 0,0), de P (0) < P ( r 1 ).Az elektron kvantumállapotától függően (fundamentális, gerjesztett stb.) Ezek a felhők különböző formákat ölthetnek, amelyeket különösen gömb harmonikusok írnak le . A legegyszerűbb forma a gömbszimmetria, amelyet fentebb mutatunk be, alapállapot esetén: | 1s>.
A hullámfüggvények lineáris kombinációi, különálló gömb harmonikusok alkalmazásával, lehetővé teszik az anizotrópia megjelenését, amely elengedhetetlenné válik az atom fogalmától a molekuláig tartó átmenethez . A szemközti diagram a hibrid pálya jelenlétének valószínűségi sűrűségének keresztmetszetét mutatja > a hidrogénatom szakasza, amely az atompálya Oz szimmetriatengelyét tartalmazza . Ennél a példánál az Oz tengely kiváltságos iránygá válik, de ráadásul a jelenlét valószínűségének sűrűsége tovább oszlik egy adott tájolásra.
Ez a modell segít megmagyarázni:
Végül meg kell jegyezni, hogy a nagy atomszámú atomok esetében relativisztikus korrekciókat kell végrehajtani a belső szintek meghatározásához (ekkor nagy az elektronok sebessége a Bohr-modell pályáján).
Míg a kvantummechanika lehetővé tette az atomok és molekulák spektroszkópiai jellemzőinek gyors magyarázatát, az atom szívét, annak magját nehezebb megérteni. A nehézségek itt kettősek: az egyik megfelel a szondarészecskék energiájának fontosságának, amely lehetővé teszi a fermi nagyságrendjének elérését, a másik a legalább egy további kölcsönhatás szükséges feltalálásához. Lehetővé teszi az elkészített mag stabilitását protonok (amelyek egymást elektromosan taszítják) és a neutronok.
A magnak ennek a megértésének együttesen meg kell magyaráznia az alfa , a béta és a gamma radioaktivitás jelenségeit , az első megfigyelések a XIX . Század utolsó évtizedéből származnak .
A második világháborút megelőző évtized a szív stabilitásának két fő kölcsönhatásának felfedezéséhez vezetett: az erős kölcsönhatáshoz és a gyenge kölcsönhatáshoz . A kis tartományban a két kölcsönhatások, illetve 10 -15 m és 10 -18 m, magyarázza a kísérleti nehézségek. Az elméleti nehézségek sem hiányoznak; nem olyan egyszerű fizikai törvényekről van szó, mint az elektromágnesességről , amelyeket még a kvantummechanika is bonyolít , hanem az összes elemi részecske megértéséről ... A kvarkok és a gluonok találmánya így megadja a l interakció jelenlegi vízióját, amely összetartja a nukleonokat.
Ez a magfizika a nukleoszintézis magyarázatához is vezet, megmagyarázva Mendelejev táblázatának nukleáris vonatkozásait . Ott találjuk magunkat az univerzum születésének és a csillagok dinamikájának elszaporodásában .
Az atomot kémiai szimbólumával szokták jelölni, kiegészítve az A tömegszámmal (amely megegyezik az atom nukleonjainak számával ) a szimbólum tetején és bal oldalán.
Példa: a 12 tömegű 12 szénatomot meg kell jegyezni .
Szokás, hogy ezt az írást a szimbólum bal alsó sarkában elhelyezett Z atomszámmal egészítjük ki, hogy leírjuk azt a magreakciót , amelyben egy izotóp zajlik .
A 12. szén tehát meg van jegyezve .
Tehát a 14-es és 12-es szén két izotóp .