Teoria atomistyczna Daltona – opublikowany w 1808 roku przez angielskiego uczonego Johna Daltona model budowy materii. Dalton przyjął że jest ona zbudowana z atomów, będących niepodzielnymi, sprężystymi kulami (tzw. „model kuli bilardowej”).

John Dalton jako pierwszy zasugerował podział pierwiastków na atomy, których jednakże nie należy utożsamiać z pojęciem atomu o którym wspominał już Demokryt, tj. drobnej cząstki każdego ciała, stanowiącej niejako jego ułamek. Innymi słowy, J. Dalton zauważył różnice występujące pomiędzy atomami poszczególnych pierwiastków, określane współcześnie jako właściwości danego pierwiastka, wynikające m.in. z właściwości atomu, wiązań między atomami czy ich układu w przestrzeni. Teoria Daltona składa się z następujących postulatów^[1]:

• Atom jest najmniejszym „budulcem” materii. Jest jednolity i niepodzielny.

• Wszystkie atomy danego pierwiastka chemicznego są identyczne (posiadają ten sam zespół właściwości).

• Atomy danego pierwiastka A różnią się od atomów pierwiastka B.

• Atomy są niezmienne i niepodzielne. Atomy danego pierwiastka A nie mogą przemienić się w atomy pierwiastka B. Atomy nie zmieniają się w trakcie reakcji chemicznych.

• Związki chemiczne powstają przez łączenie się pierwiastków w stałych stosunkach.

Pomimo że pod koniec XIX w. odkryto, że atomy zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek i mogą ulegać przemianom, a atomy danego pierwiastka mogą różnić się nieco między sobą (izotopy), teoria Daltona stanowiła podstawę rozwoju współczesnej chemii.

Model atomu Thomsona, zwany także modelem "'ciasta z rodzynkami" – 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. Praca Thomsona opisująca ów model została opublikowana w 1904 roku, w marcowym wydaniu czołowego wówczas czasopisma naukowego Philosophical Magazine. Według Thomsona: ... atomy składają się z ujemnie naładowanych cząstek otoczonych przestrzenią dodatnio naładowaną ..

Model "ciasta z rodzynkami" został obalony w eksperymencie ze złotą folią, przeprowadzonym przez Ernesta Rutherforda i opisanym w 1911 roku^[2]. 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 Thomsona został zastąpiony modelem Rutherforda.

Dla uproszczenia opisu rozpatrywany jest atom, w którym znajdują się trzy elektrony. Te trzy elektrony znajdujące się w wewnątrz kuli są w niej rozmieszczone symetrycznie – w każdym z wierzchołków trójkąta równobocznego. W sytuacji gdy elektrony są w spoczynku, siły odpychania między nimi są równoważone przez siły przyciągania przez dodatnio naładowaną kulę. Aby siły te były zrównoważone, odległość spoczywających elektronów od środka kuli powinna wynosić 0,57 promienia kuli. Natomiast gdy elektrony krążą wokół środka kuli, wówczas pojawia się dodatkowo siła odśrodkowa, która odpycha je od środka. W miarę gdy prędkość elektronów wzrasta, ich odległość od kuli zwiększa się, aż w pewnym momencie elektrony opuszczą wnętrze kuli. W przypadku dalszego wzrostu prędkości, elektrony będą krążyć po orbitach wokół kuli, do momentu gdy odległość będzie już tak duża, że elektrony opuszczą kulę i atom ostatecznie ulegnie rozerwaniu.

Problem pojawiał się, gdy rozpatrywano atomy z coraz większą liczbą elektronów. Ujemnie naładowane elektrony musiały być rozłożone w kuli w sposób symetryczny względem środka, czyli tak, aby była zapewniona równowaga sił elektrostatycznych między nimi a dodatnio naładowaną kulą. Przy czterech elektronach ułożeniem takim będzie rozmieszczenie elektronów w wierzchołkach czworościanu foremnego. Jednak układ ten zapewnia równowagę tylko wówczas, gdy liczba elektronów jest niewielka. Aby rozwiązać ten problem Thomson przyjął, że gdy elektronów w atomie jest dostatecznie dużo, dzielą się one na grupy, które układają się na płaszczyznach współśrodkowych z dodatnio naładowaną kulą. Mimo tych założeń, po przekroczeniu pewnej liczby elektronów, zagadnienie stawało się zbyt skomplikowane matematycznie, aby można było przeprowadzić dokładne obliczenia.

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 o rezultaty 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.

Pomimo, że o budowie atomu wiadomo obecnie dużo więcej, podstawowa koncepcja modelu dotycząca niewielkich rozmiarów jądra w porównaniu z rozmiarami całego atomu pozostała prawdziwa i odegrała ważną rolę w fizyce. Planetarne wyobrażenie atomu do dziś używane jest jako symbol energii atomowej, np.:

• logo amerykańskiej Atomic Energy Commission

• flaga Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej składa się z modelu Rutherforda otoczonego gałązkami oliwnymi

• na mapach używa się go jako symbolu elektrowni atomowych

Model budowy atomu Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".

Postulaty Bohra[edytuj]

Bohr, budując swój model atomu, przyjął dwa postulaty, bez których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem. Postulaty te miały w istocie charakter kwantowy, ale były wprowadzone ad hoc.

• Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany. Może on przybierać dyskretne wartości

gdzie

n = 1,2,3...,

– stała Plancka podzielona przez 2π.

• Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu, atom emituje foton. Energia fotonu równa jest różnicy między energiami elektronu na tych orbitach

gdzie

E₂ i E₁ – energie elektronu, odpowiednio, końcowa i początkowa,

h – stała Plancka,

ν - częstotliwość fotonu.

Konsekwencje postulatów[edytuj]

Z postulatów tych wynika, że promienie orbit elektronu oraz energie elektronu na poszczególnych orbitach są również skwantowane. Promienie te, w szczególności promień atomu wodoru w stanie podstawowym, tzw. promień atomu Bohra, oraz energie można obliczyć z klasycznego przyrównania siły elektrostatycznej do siły dośrodkowej.

Zatem elektron może krążyć tylko po określonych orbitach zwanych stabilnymi (stacjonarnymi), ponadto – krążąc po tych orbitach – nie emituje promieniowania, mimo że z praw klasycznej elektrodynamiki wynika, że ładunek krążąc po orbicie stale powinien emitować promieniowanie elektromagnetyczne. W tym modelu promieniowanie jest emitowane tylko wówczas, gdy elektron zmienia orbitę.

Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i ograniczeń kwantowych, daje prawidłowe wyniki dotyczące wartości energii elektronu na kolejnych orbitach i promieni tych orbit w przypadku atomu wodoru i atomów pierwiastków wodoropodobnych.

Mimo pozornej poprawności modelu zrezygnowano z niego, ponieważ zgodnie z elektrodynamiką klasyczną poruszający się po okręgu (lub elipsie), a więc przyspieszany, elektron powinien, w sposób ciągły, wypromieniowywać energię i w efekcie "spadłby" na jądro już po czasie rzędu 10^–6 sekundy. Fakt, że tak się nie dzieje, nie dawał się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. Model Bohra został ostatecznie odrzucony również ze względu na to, że nie dawało się go zaadaptować do opisu atomów posiadających więcej niż dwa elektrony i nie można było za jego pomocą stworzyć przekonującej, zgodnej ze znanymi faktami eksperymentalnymi, teorii powstawania wiązań chemicznych.

Model kroplowy jądra atomowego - w fizyce jądrowej fenomenologiczny model jądra atomowego zaproponowany przez G. Gamowa i opracowany przez N. Bohra i J. A. Wheelera. Jest to opis jądra atomowego wychodzący z punktu widzenia fizyki klasycznej i operujący analogią jądra atomowego zbudowanego z nukleonów do kropli nieściśliwej cieczy zbudowanej z cząsteczek. Z założeń tych wynika stała gęstość materii jądrowej.

Rozmiar jądra[edytuj]

Przyjmując założenia modelu oraz dane doświadczalne określono, że nukleon jest kulką o promieniu rzędu 1 fm. Promień jądra atomowego może być określony przybliżoną zależnością:

gdzie: A - liczba masowa, R₀ = 1,2 fm.

Wynik obliczenia jest liczbą mniejszą niż 0,01% promienia atomu. Oznacza to, że gęstość materii w jądrze jest bilion razy większa od gęstości materii złożonej z gęsto upakowanych atomów, jak np. w ciałach stałych. 1 milimetr sześcienny nuklearnej materii miałby masę rzędu 200.000 Mg (ton). Gwiazda neutronowa jest zbudowana tak jak jądro atomowe, a więc materia w jej wnętrzu ma wspomnianą gęstość.

Energia wiązania[edytuj]

Na założeniach modelu opracowano kilka wzorów opisujących zależność energii wiązania od liczby protonów i neutronów w jądrze atomowym. Podobnie jak własności kropli wynikające z oddziaływania cząsteczek, można wyrazić przez energię kropli wynikającą z jej makroskopowych parametrów takich jak gęstość i napięcie powierzchniowe. Energia wiązania jądra atomowego też powinna zależeć od wielkości jądra, jego powierzchni i jeszcze innych parametrów takich jak gęstość oraz rozkład ładunku elektrycznego. Model ten jest przydatny przy rozpatrywaniu rozszczepienia jądra atomowego oraz rozpadu dużych jąder (zawierających ponad 100 nukleonów z dużą ich liczbą w najbardziej zewnętrznej powłoce zob. model powłokowy), porównywanego do rozpadu kropli cieczy. W modelu kroplowym energia wiązania nukleonów w jądrze atomowym opisana jest przez następujące składniki:

• człon objętościowy (liniowa zależność energii od liczby masowej),

• człon powierzchniowy (zależność od powierzchni jądra),

• człon kulombowski (uwzględniający odpychanie się kulombowskie protonów),

• człon symetryczny (zanikający przy równej liczbie protonów i neutronów),

• człon łączenia w pary (uwzględniający tendencję do tworzenia się par nukleonów).

Składniki te opisuje równanie, w którym współczynniki składników wybrano, tak by odpowiadały danym doświadczalnym:

Zależność energii wiązania od liczby masowej A jest ogólnie zgodna z zależnością uzyskaną doświadczalnie, ale występują liczne odchylenia.

Wykorzystanie tego modelu pozwala na rozpatrywanie właściwości jakościowych (podobnie jak statystyczny model Fermiego), lecz z uwagi na pomijanie indywidualnych zachowań nukleonów nie pozwala na przewidywanie poziomów jądrowych. Mówimy że model ten skupia się na kolektywnych zachowaniach materii jądrowej jako cieczy jądrowej.

Model powłokowy

– jeden z modeli budowy jądra atomowego w fizyce jądrowej. Model utworzony na wzór modelu powłokowego układu elektronów w atomie. Model ten rozpatruje nukleony jądra jako niezależnie poruszające się cząstki w polu jądra utworzonym przez pozostałe nukleony: protony i neutrony. Pole wytworzone przez nukleony jądra nazywane jest potencjałem jądrowym i jest interpretowane jako uśrednienie oddziaływań międzynukleonowych.

Wnioskiem z modelu jest stwierdzenie, że jądra atomowe, posiadające wypełnione powłoki, powinny mieć mniejszą energię od innych, czyli są stabilniejsze niż jądra sąsiednie. Liczby protonów, neutronów dla których wypełnione są powłoki nazwano liczbami magicznymi. Liczby magiczne dla protonów i neutronów to: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, a dla samych neutronów także 184. Dla protonów magiczna może być liczba 126 lub 120, lub nawet 114. Jądra o "magicznej" liczbie protonów lub neutronów nazywa się jądrami magicznymi, a podwójnie magicznymi, jeśli zarówno liczba protonów jak i neutronów jest magiczna.

Z modelu wynika też, że jądra atomowe o liczbie protonów około 126 powinny mieć znacznie dłuższy czas życia niż jądra sąsiednie. Obszar ten nazwano wyspą stabilności.

Jądra magiczne są jądrowym odpowiednikiem atomów tworzących gazy szlachetne. Niektóre jądra podwójnie magiczne to: hel – 4, tlen – 16, cyna – 132, ołów – 208.