Model atomu Thomsona, zwany także modelem "'ciasta z rodzynkami"[1] – model atomu zaproponowany przez brytyjskiego fizyka J. J. Thomsona. W modelu tym Thomson założył, że każdy atom jest zbudowany z jednorodnej kuli naładowanej dodatnio, wewnątrz której znajdują się ujemnie naładowane elektrony. Za pomocą tego modelu, mającego obecnie znaczenie tylko historyczne, próbowano w sposób klasyczny wyjaśnić budowę atomu.
Model "ciasta z rodzynkami" został obalony w eksperymencie ze złotą folią, przeprowadzonym przez Ernesta Rutherforda i opisanym w 1911 roku[3]. Wyniki eksperymentu, sprzeczne z modelem atomu Thomsona, Rutherford wyjaśnił przyjmując, że atom zawiera bardzo małe jądro naładowane dodatnio, którego ładunek jest tak duży, że jest w stanie utrzymać wokół siebie nawet kilkadziesiąt elektronów, jak w atomie złota.
Model atomu Rutherforda – opublikowany w 1911 roku model atomu opracowany przez Ernesta Rutherforda.
Pod kierownictwem Rutherforda w roku 1909 Ernest Marsden i Hans Geiger przeprowadzili słynny eksperyment, z którego wynikało, że model atomu Thomsona nie wyjaśnia poprawnie rozpraszania promieniowania alfa przez materię.
Nowy model atomu oparty na rezultatach eksperymentu wprowadzał bliskie współczesnemu modelowi założenia:
ładunek dodatni zgromadzony jest w niewielkim a przez to bardzo gęstym jądrze gromadzącym większość masy atomu,
ujemnie naładowane elektrony okrążają jądro, podobnie jak planety okrążają Słońce.
W 1913 roku Niels Bohr na podstawie założeń Rutherforda stworzył nowy model, znany później jako model atomu Bohra, w którym uwzględnione zostały efekty kwantowe.
Modele kolektywne[edytuj | edytuj kod]
Modele te zakładają, że nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie nukleonów. Według tych modeli nukleony łącząc się w grupy tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra. Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja bozonów (ang. interacting boson model, IBM). Opiera się ona na analogii do zjawisk kwantowych występujących wnadprzewodnikach. Cząstki elementarne łączą się w pary uzyskując nowe własności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym spinem 0, 2 lub 4. Istnieją dwa warianty tego modelu, czyli IBM-I i IBM-II.
9.2. Sily jqdrowe
Sily odpychania miqdzy protonami w jqdrze majq charakter elektrostatyczny.
W trwalym jqdrze sily przyciqgania muszq by6 wiqksze od sil odpychania; w przeciwnym
przypadku nastqpuje samorzutne rozszczepienie. Sily przyciqgania w jqdrze nie
majq charakteru elektrostatycznego, nie wystqpujq tu bowiem czqstki o przeciwnym
ladunku elektrycznym, a zasiqg dzialania tych sil jest bardzo maly (2-3 f). Gdj
odlegloii: miqdzy czqstkami jqdrowymi jest wiqksza, przyciqganie ustaje, natomiast
elektrostatyczne sily odpychania tylko powoli malejq z odlegloiciq. Te same sill
przyciqgania wiqzq neutrony z neutronami, neutrony z protonami i proton)
z protonami; sily te nie sq zalezne od ladunku.
Dwa atomy mogq zwiqzaC siq ze sobq przez uwspolnienie elektronow; w wyniku
dzialania sil wymiennych powstaje wiqzanie kowalencyjne. Analogicznie, dwa
nukleony mogq wiqzai: siq ze sobq przez uwspolnienie czqstki zwanej mezonem n:
mezon n moze miei: ladunek dodatni (n+), ujemny (n-) lub zerowy (no). Wymiana
mezonow n- i n+ warunkuje wiqzanie miqdzy neutronami i protonami oraz
przeniesienie ladunku przeksztalcajqce neutron w proton i odwrotnie. Powstajqce
sily przyciqgania zaznaczono na podanym schemacie liniami kropkowanymi
Miqdzy protonami lub miedzy neutronami sq wymieniane mezony nO
Sily przyciqgania p-n, n-n i p-p sq prawdopodobnie jednakowe. Wykryto mezon
TCO o masie 264 razy wiqkszej od masy elektronu oraz mezony TC+i TC- 273 razy
ciqzsze od elektronu. Wszystkie mezony sq bardzo nietrwale, gdy znajdujq siq poza
jqdrem. Mniej pospolite czqstki elementarne omowiono w artykulach w Penguin
Science News, nr 31 i 52. Liczba czqstek naladowanych w jqdrze pozostaje
statystycznie stala, ciqglym przemianom ulegajq jednak czqstki reprezentujqce
neutrony i protony. Przemiany neutronow w protony i odwrotnie sq reakcjami
pierwszego rzqdu; ich szybkoid zalezy od wzglqdnych liczb czqstek kazdego typu.
W trwalym jqdrze szybkoici obydwu przemian sq jednakowe, ustala siq wiqc stan
rownowagi. TrwaloiC jqdra jest zwiqzana ze stosunkiem liczby neutronow do liczby
protonow.
9.10. Szeregi promieniotworcze
Ciezkie pierwiastki promieniotworcze tworzq cztery szeregi promieniotworcze.
Pospolite pierwiastki promieniotworcze: tor, uran i aktyn wystqpujq w przyrodzie
i stanowiq macierzyste pierwiastki szeregow: torowego, uranowego i aktynowego,
majqce najdluzsze okresy polowicznego zaniku. Pierwiastki te rozpadajq siq, ulegajqc
calej serii przemian a i p i tworzqc pierwiastki coraz trwalsze, dopoki ostatecznie nie
powstanie izotop trwaly. Wszystkie trzy szeregi promieniotworcze konczq siq
pierwiastkiem 82, olowiem. Po odkryciu sztucznych pierwiastkow transuranowych
poznano czwarty szereg promieniotworczy, szereg neptunowy, konczqcy siq pierwiastkiem
83, bizmutem.
Szereg torowy (4n)
Szereg neptunowy (4n + 1)
Szereg uranowy (4n + 2)
Szereg aktynowy (4n+3)
Liczby podane w nawiasach wskazujq, ze wszystkie jqdra danego szeregu majq liczby
masowe podzielne przez 4 albo podzielne przez 4 z resztq 1,2 lub 3. Miqdzy czterema
szeregami promieniotw6rczymi nie ma naturalnych powiqzan, chociaz mozna je
wytworzyt sztucznie.
Szereg torowy (4n)
Szereg neptunowy (4n + 1)
Szereg uranowy (4n + 2)
Szereg aktynowy (4n + 3)
Istnieje rowniez dziewiqC lzejszych pierwiastkow promieniotworczych wystqpujqcych
w przyrodzie; wydaje siq mozliwe, ze wzrost czutoici przyrzqdow pomiarowych
umoiliwi wykrycie dalszych. Najwainiejsze izotopy promieniotw6rcze to '$2 i fgK.
Izotop ;gK istnieje prawdopodobnie od chwili powstania Ziemi; przetrwal do chwili
obecnej ze wzglqdu na dlugi okres polowicznego zaniku, wynoszqcy 1,25.109 lat,
chociaz stanowi tylko 0,01% naturalnego potasu. Jego obecnoi6 wywoluje wykrywalnq
promieniotworczoi6 zywfch tkanek. Ulega rozpadowi w wyniku emisji
promieniowania. P lub wychwytu elektronu K
wychwyt K~
Izotop l;C ma okres polowicznego zaniku 5720 lat, jezeli wiqc istnial w okresie
powstawania Ziemi, ulegl do chwili obecnej rozkladowi. Izotop ten powstaje jednak
nieprzerwanie w wyniku dzialania neutronow promieni kosmicznych na atmosferyczny
azot, prowadzqcego do reakcji
9.6. Okres po4owicznego zaniku
Rozpad promieniotw6rczy jest reakcjq pierwszego rzqdu, ktorej szybkoii: zalezy
jedynie od liczby obecnych atomow promieniotworczych. WielkoSC probki nie
wpiywa wiqc na czas jej rozpadu promieniotworczego. Czas, w ktorym ulega
rozpadowi poiowa prbbki, nosi nazwq okresu pdowicznego zaniku lub pdowicznego
rozpadu; jest on charakterystyczny dla danego izotopu.
Energie jqdrowe sq rzqdu 10' kJ.mol-', natomiast energie reakcji chemicznych -
rzqdu 10-lo2 kJ.mol-'. W zwiqzku z dysproporcjq tych energii przeksztalcenie
jednego pierwiastka w inny metodami chemicznymi jest niemoiliwe. Z tego samego
wzglqdu zmiana temperatury nie wywiera dostrzegalnego wplywu na szybkoik
rozpadu promieniotw6rczego.
Prawo okresowości pierwiastków chemicznych zostało sformułowane przez Dymitra Mendelejewa w roku 1869. Stwierdził on, że:
właściwości pierwiastków są periodycznie zależne od ich mas atomowych.
Nie zawarł jednak w swoim prawie określenia długości tych okresów. Swoje założenia Mendelejew opierał na prawie triad J. W. Doebereinera i prawie oktaw A. R. Newlandsa. Odkrycie Mendelejewa było punktem zwrotnym w rozwoju chemii, dając możliwość przewidywania właściwości nieodkrytych jeszcze pierwiastków. Prawo okresowości było podstawą zbudowania układu okresowego pierwiastków.
Dzisiaj prawo okresowości brzmi:
pierwiastki chemiczne ułożone zgodnie ze wzrastająca liczbą atomową wykazują okresowe powtarzanie się właściwości.
Prawo okresowości jest podstawą konstrukcji układu okresowego. W czasach Mendelejewa nie było logicznego uzasadnienia tego prawa. Dopiero po odkryciu struktury atomunabrało ono fizycznego znaczenia. Współcześnie wiadomo, że numer okresu odpowiada numerowi powłoki walencyjnej atomu. Liczba pierwiastków w jednym okresie wynika z liczbyorbitali na powłoce walencyjnej, z których każdy może być wypełniony maksymalnie dwoma elektronami. Orbitale te są zapełniane według następującego schematu:
1. okres: 1s — 2 pierwiastki
2. okres: 2s 2p — 8 pierwiastków
3. okres: 3s 3p — 8 pierwiastków
4. okres: 4s 3d 4p — 18 pierwiastków
5. okres: 5s 4d 5p — 18 pierwiastków
6. okres: 6s 4f 5d 6p — 32 pierwiastki
7. okres: 7s 5f 6d 7p — 32 pierwiastki
8. okres: 8s 5g 6f 7d 8p — 50 pierwiastków (hipotetycznie, żaden z nich nie został dotąd odkryty)
Przy czym zapełnianie orbitali ze wzrostem liczby elektronów nie zawsze odbywa się dokładnie w podanej wyżej kolejności. Ze względu na bliskość niektórych poziomów energetycznych, w przypadku części metali przejściowych dochodzi do tzw. promocji elektronowej.