STRUCTURA ATOMULUI: MODELE ATOMICE

O serie de experienţe făcute în secolul al XIX-lea şi începutul secolului al XX-lea,care au dus
la descoperirea electronului,a razelor catodice,a razelor X,a radioactivităţii etc.,au arătat că
atomul,contrar semnificaţiei numelui,nu mai poate fi considerat ca o particulă unitară ,ci ca un
sistem complex,alcătuit din alte particule cu mase mai mici,unele cu sarcini electrice,altele neutre
în anul 1904 J.J. Thomson a propus primul model de atom :el concepe atomul ca o sferă încărcată
pozitiv,în interiorul căreia sunt repartizaţi electronii,în mod simetric.Acest model static de atom
a fost folositor la vremea lui fiind înlocuit mai târziu de acela al lui Rutherford,întrucât nu
putea explica multe din proprietăţile atomului.
Experienţele cu privire la difuziunea particulelor alfa,prin foiţe metalice subţiri,efectuate de
Rutherford,în anul 1911,au arătat că cele mai multe particule alfa străbat stratul subţire de
substanţă fără să devieze.De aici s-a desprins concluzia că spaţiul liber din imteriorul atomilor,
în cea mai mare parte,este gol,lăsând liberă trecerea particulelor alfa.Nici ciocnirile part.alfa
cu electronii nu le pot abate dun drumul lor,deoarece part.alfa au masa mult mai mare decât a
electronilor.Aceste mici devieri ale part.alfa n-au putut fi explicate decât admiţând că masa şi
sarcina pozitivă a atomului s-ar afla concentrată într-un spaţiu foarte mic.Această concentraţie
de sarcină pozitivă respinge part.alfa care se îndreaptă spre ea şi deviază din drum pe cele care
trec prin apropiere.
Din datele experimentale obţinute,Rutherford propune în 1912 modelul nuclear al atomului,afirmând
că în centrul atomului se află un nucleu foarte mic încărcat cu electricitate pozitivă,în care se
află concentrată aproape întreaga masă a atomului şi în jurul căruia se rotesc pe orbite circulare,
la anumite distanţe,particule încărcate negativ,electronii,aşa cum planetele se rotesc în jurul
Soarelui.După concepţia lui Rutherford,cea mai mare parte din volumul atomic este gol;electronii
animaţi de o continuă mişcare circulară pe orbite se menţin în echilibru datorită forţei centrifuge
echilibrată de forţe de atrcţie dintre nucleul pozitiv şi electronii negativi.
Rutherford a dedus, din numeroase cercetări,că numărul sarcinilor pozitive din nucleu,este egal cu
numărul electronilor care înconjoară nucleul,aşa încât atomul este neutru d.p.d.v. electric.
Conform modelului lui Rutherford,atomul oricărui element este alcătuit din două părţi distinste:
-dintr-un sistem central care poartă numele de nucleu
-dintr-o parte exterioară nucleului,denumită înveliş electronic.
NUCLEUL ATOMIC.Nucleul atomic,deşi reprezintă circa a 10000-a parte din diametrul atomului, conţine
aproape întreaga masa a atomului.El este format din mai multe feluri de particule elementare dintre
care reţinem:
-protonii-particule materiale încărcate cu câte o sarcină elementară electrică pozitivă şi a
căror masă este egală aprox. cu unitatea atomică de masă(mp=1,00727+-0,000003 a.m.u.)
-neutronii-particule materiale neutre,care au masa aprox. egală cu unitatea atomică de masă
(m=1,00866).
Pentru protoni şi neutroni, ca părţi componente ale nucleului,se foloşeşte astăzi numele de nucleoni,
denumire justificată de transformările nucleare posibile:neutron<=>proton+electron,care denotă că
cele două particule ar fi două stări cuantice diferite ale aceleiaşi particule-nucleonul.
O caracteristică importantă a nucleului este spinul nuclear,nucleul comportăndu-se ca o sfârlează
încărcată cu electricitate pozitivă în rotaţie.Numărul total de particule din nucleu este A care se
numeşte numărul de masă al nucleului.Nucleul unui atom ,deci,conţine A nucleoni,dintre care Z reprez.
numărul protonilor din nucleu şi A-Z numărul neutronilor(N).
Masa nucleului (A) este egală cu suma maselor protonilor (Z) şi a neutronilor (N).
Densitatea masei nucleare este foarte mare,fiind de ordinul 10 la puterea 14 g/cm cub.În interiorul
nucleului predomină forţe puternice de atracţie care înving acţiunea forţelor electrice de respingere
între particule cu sarcini de acelaşi semn,adică între protoni.Aceste forţe,specifice pentru nucleele
atomice,se numesc din această cauză forţe nucleare.Forţele nucleare se exercită între nucleonidiferiţi
cât şi între nucleoni de acelaşi fel,fie că au sarcini electrice,fie că sunt neutri,iar acţiunea lor
este mai puternică decât a forţelor electrostatice de respingere.Forţele nucleare sunt forţe foarte
mari care se exercită la distanţe mici(10 la puterea -13) şi scad foarte repede cu creştera distanţei.
Suma energiilor care acţinează pentru menţinerea nucleonilor în nucleu se numeşte ENERGIE DE LEGĂTURĂ
şi ea creşte continuu o dată cu creşterea numărului nucleonilor.
Electronii care se rotesc în jurul nucleului sunt particule elementare încărcate cu câte o sarcină
elementară de electricitate negativă.
Toţi electronii sunt identici ca masă şi sarcină electrică.Electronul este aproape de 1840 ori mai
uşor decât protonul,care este nucleul atomului de hidrogen.
Sarcina electrică a electronului este e=1,6021*10 la puterea-19 coulombi,egală cu valoarea absolută cu
aceea a protonului,dar de semn contrar.
Numărul total al electronilor,care gravitează în jurul nucleului,este egal cu numărul protonilor,din
nucleu,adică cu numărul Z,astfel că atomul apare neutru d.p.d.v. electric.
Dacă d.p.d.v al legilor mecanicii clasice,atomul lui Rutherford este stabil,admiţându-se faptul că
fiecare electron se învârteşte în jurul nucleului cu aşa viteză,încât forţa cu care nucleul îl atrage
nu face decât să-i curbeze traiectoria,meţinându-l la aceeaşi distantă de nucleu,d.p.d.v. al electro-
dinamicii clasice,nu mai este stabil.
Conform legilor lui Lorentz din electrodinamica clasică,o sarcină electrică în mişcare,deci şi
electronul în mişcarea sa de revoluţie în jurul nucleului,având acceleraţie,ar trebui să se comporte ca
un oscilator electric şi să emită continuu energie radiantă.Electronul pierzând energie sub formă de
radiaţie electromagnetică îşi va micşora treptat orbita şi perioada de revoluţie,ajungând la un moment
dat să cadă pe nucleu,fapt contrazis de realitate.Totodată,urmare a micşorării progresive a vitetei de
rotaţie a electronului,radiaţiile emise în acest timp având perioada continuu descrescândă ar trebui să
dea un spectru continuu,ceea ce nu corespunde realităţii,deoarece spectrele emise în acest timp având
perioada continuu descrescândă ar trebui să dea un spectru continuu,ceea ce nu corespunde realităţii,
deoarece spectrele emise de atomii elementelor,sunt discontinue (spectre de linii) cum se constată
experimental.
În anul 1913,Niels Bohr lămureşte această dificultate ridicată de modelul atomic al lui Rutherford,
legând problema structurii atomului de teoria cuantelor a lui Max Planck.
În transformările de energie,la fel ca şi în cele chimice,ia parte totdeauna un număr întreg de
¨atomi de energie¨(cuante).Niels Bohr a generalizat teoria cuantelor a lui Planck, considerând că,în
cazul atomului lui Rutherford,emisia continuăde radiaţie nu are loc.Pentru a explica modul de aşezare a
electronilor în jurul nucleului,cum şi spectrul de linii dat de atomii diferitelor elemente,Niels Bohr,
folosind modelul atomului planetar a lui Rutherford şi teoria cuantelor a lui Planck,formulează în anul
1913 trei postulate:
-mişcarea electronului în jurul nucleului se face numai pe anumite orbite,numite orbite staţionare
sau permise,care corespund unor anumite energii cuantificate a atomului;
-în cursul mişcării electronului pe o orbită permisă,atomul îşi conservă energia sa totală,adică
nici nu absoarbe,şi nici nu emite energie radiantă;
-absorţia sau emisia de energie luminoasă au loc numai la salturile electronilor de pe o orbită
interioară pe una periferică şi la revenirea lui înapoi.
MODELUL ATOMIC AL LUI SOMMERFELD.NUMERE CUANTICE.
Sommerfeld(1916) dezvoltând teoria lui Bohr,consideră că electronul se poate roti nu numai pe orbite
circulare,cum admite Bohr,ci şi pe orbite eliptice,nucleul atomic găsindu-se într-unul din cele două
focare ale elipsei.
Electronii,rotindu-se în jurul nucleului,au după mecanica cuantică sau ondulatorie atât proprietăţi
de particulă cât şi proprietăţi de undă,ceea ce le conferă anumite funcţii de undă orbitale sau orbitali.
Se poate spune că electronul ocupă un orbital.
Sommerfeld elaborând modelul său atomic,arată că fiecare orbital este caracterizat prin 4 numere
cuantice: -N:număr cuantic principal
-L:număr cuantic secundar
-M:număr cuantic magnetic
-S:numărul cuantic al spinului.
Cele 4 numere au semnificaţiile:
-N:determină numărul straturilor electronice
-L:determină substraturile electronice
-M:determină poziţia spaţială a planului orbitalului electronic
-S:se datorează mişcării electronului în jurul propriei axe,mişcare numită spin electronic
Ţinând seama de valorile pe care le pot lua cele 4 numere cuatice şi de principiul de excluziune al lui
Pauly se poate calcula numărul maxim de electroni de pe straturi şi substraturi.
Numărul maxim de electroni N de pe un strat,cu numărul cuantic principal n este dat de relaţia:N=2*n*n.
Numărul maxim de electroni dintr-un substrat,cu numărul cuantic l este dat de relaţia:2(2l+1).
Din aceste relaţii se observă că diferitele straturi şi substraturi electronice corespunzătoare
numerelor cuantice principale n şi secundare l vor conţine,începând de la nucleu spre periferie,numărul
maxim de electroni.