Materia – componenta a Universului

Cuprins:• Atomul. Ce este atomul ?• Experimentul Rutherford

• Modelul Bohr

• Primul si al doilea postulat al lui Bohr

Proiect realizat de :Cojanu Sebastian-Daniel

Coman Ciprian Clasa a XI-a E

Colegiul National “UNIREA” Brasov2008

Atomul• Atomul este cea mai mică particulă

ce caracterizează un element chimic. Acesta constă într-un nor de electroni care înconjoară un nucleu atomic dens. Nucleul conţine sarcini electrice încărcate pozitiv(protoni) şi sarcini electrice neutre(neutroni), fiind înconjurat de norul electronic încărcat negativ. Când numărul electronilor şi al protonilor este egal, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric; dacă acest lucru nu se întâmplă, atunci atomul devine un ion, care poate avea sarcină pozitivă sau negativă. Atomul este clasificat după numărul de protoni şi neutroni: numărul protonilor determină numărul atomic(Z) şi neutronii izotopii acelui element

Atomul

• Istoria Atomului :Fizicianul englez Ernest Rutherford in anul 1911,a propus

urmatorul model al atomului,atomul este considerat un sistem solar in miniatura,format dintr-un nucleu de dimensiuni foarte mici,incarcat cu scarcini pozitive in jurul caruia graviteaza electronii,ca si planetele in jurul Soarelui. Aceasta este modelul planetar al atomului.

Ce este un model fizic ? Un model fizic este o reprezentare fizica a unei realitati

abstracte sau inaccesibila simturilor.Modelul fizic este un instrument de lucru foarte important. Dupa

alegerea modelului se compara implicatiile acestuia cu datele experimentale. Daca acestea sunt in concordanta cu modelul ales,aceasta este valabil,daca nu,il mdificam si cautam alt model.Astfel,incetul cu incetul,modelul este perfectionat si se aproprie din ce in ce mai mult de realitate. Nu trebuie insa confundat modelul cu realitatea,modelul este doar una dintre reprezentatiile pe care o dam realitatii.

Scurt istoric al teoriei atomice şi descoperirea structurii atomice

• Meditaţiile filozofice atomiste datează încă de pe vremea vechilor gânditori greci şi indieni ai secolelor al VI-lea şi al V-lea î.d.Ch. Prima formulare filozofică a unei idei similare celei de atom a fost dezvoltată de Democrit în Grecia secolului al VI-lea î.d.Ch. Ideea s-a pierdut timp de secole, până la reaprinderea interesului ştiinţific din epoca Renaşterii.

• În secolul al XIX-lea, John Dalton a vrut să cunoască de ce se sparg substanţele în constituenţi proporţionali. Pentru Dalton, fiecare element chimic a fost reprezentat printr-un tip de atom, şi vice-versa. În ultima parte a secolului al XIX-lea, Willian Crookes a inventat tubul cu raze catodice (denumit şi tub Crookes) şi a fost primul care a observat particule încărcate negativ într-un astfel de tub. Aproape de trecerea către secolul al XX-lea, J.J. Thomson, în urma cercetărilor sale privind razele catodice, a descoperit că atomii sunt, de fapt, divizibili, fiind parţial compuşi din particule foarte uşoare încărcate negativ (dovedite a avea proprietăţi identice indiferent de elementul chimic de la care proveneau), ce au fost numite mai târziu electroni. De altfel J.J. Thomson propune primul model de atom, în care electronii sunt incluşi într-o bilă cu sarcină pozitivă precum „stafidele într-un cozonac”.

• În 1911, Ernest Rutherford a descoperit că electronii orbitează un nucleu compact. Tot Rutherford a descoperit că hidrogenul posedă cel mai uşor nucleu, pe care l-a numit proton (în limba greacă, προτου înseamnă „primul”). Pentru a explica de ce electronii „nu cad, în spirală, pe nucleu”, Niels Bohr a dezvoltat un model al atomului în care, folosind rezultatele mecanicii cuantice, electronii nu pot să parcurgă decât orbite circulare fixate.

• După descoperirea principiului de incertitudine al lui Werner Heisenberg, conceptul de orbită circulară a fost înlocuit cu cel de „nor”, în interiorul căruia distribuţia electronilor a fost descrisă prin ecuaţii probabilistice. În sfârşit, după descoperirea în anul 1932 a neutronului, particulă neutră din punct de vedere electric, nucleele atomice ale elementelor mai grele decât hidrogenul s-au găsit a fi formate din protoni şi neutroni, aceste ultime rezultate completând concepţia modernă despre structura atomică. Protonul şi neutronul se mai numesc şi nucleoni

Modele ale Atomului

Modelul atomic Rutherford, elaborat de Ernest Rutherford în 1911, este primul model planetar al atomului. Conform acestui model, atomul este format din nucleu, în care este concentrată sarcina pozitivă, şi electroni care se rotesc în jurul nucleului pe orbite circulare, asemeni planetelor în Sistemul Solar

Elaborarea modelului Rutherford

• Modelul a fost dezvoltat în urma experimentelor realizate de către Hans Geiger şi Ernest Marsdan în anul 1909. Ei au studiat, sub îndrumarea lui Ernest Rutherford, împrăştierea particulelor α la trecerea printr-o foiţă subţire din aur. Conform modelului atomic elaborat de Thomson, particulele trebuiau să fie deviate cu câteva grade la trecerea prin metal din cauza forţelor electrostatice. S-a constatat, însă, că unele dintre ele erau deviate cu unghiurii mai mari decât 90° sau chiar cu 180°. Aceast fapt a fost explicat prin existenţa unei neuniformităţi a distribuţiei de sarcina electrica în interiorul atomului. Pe baza observaţiilor efectuate, Rutherford a propus un nou model în care sarcina pozitivă era concentrată în centrul atomului, iar electronii orbitau în jurul acesteia.

• Noul model introducea noţiunea de nucleu, fără a-l numi astfel. Rutherford se referea, în lucrarea sa din 1911, la o concentrare a sarcinii electrice pozitive:

• "Se consideră trecerea unei particule de mare viteză printr-un atom având o sarcină pozitivă centrală N e, compensată de sarcina a N electroni."

• El a estimat, din considerente energetice, că, pentru atomul de aur, aceasta ar avea o rază de cel mult 3.4 x 10-14 metrii (valoarea actuală este egală cu aproximativ o cincime din aceasta). Mărimea razei atomului de aur era estimată la 10-10 metri, de aproape 3000 de ori mai mare decât cea a nucleului.

• Rutherford a presupus că mărimea sarcinii pozitive ar fi proporţională cu masa atomică exprimată în unităţi atomice, având jumătate din valoarea acesteia. A obţinut pentru aur o masă atomică de 196 (faţă de 197, valoarea actuală). El nu a făcut corelaţia cu numărul atomic Z, estimând valoarea sarcinii la 98 e, faţă de 79, unde e reprezintă sarcina electronului.

• Modelul propus de Rutherford descrie nucleul, dar nu atribuie nici o structură orbitelor electronilor. Totuşi, în lucrare este menţionat modelul saturnian al lui Hantaro Nagaoka, în care electronii sunt aranjaţi pe inele.

Deficienţe ale modelului si Importanţa

• Principalul neajuns al modelului consta în faptul că acesta nu explica stabilitatea atomului. Fiind elaborat în concordanţă cu teoriile clasice, presupunea că electronii aflaţi în mişcare circulară, deci accelerată, emit constant radiaţie electromagnetică pierzând energie. Prin urmare, în timp, electronii nu ar mai avea suficientă energie pentru a se menţine pe orbită şi ar "cădea" pe nucleu.

• De asemenea, frecvenţa radiaţiei emise ar fi trebuit să ia orice valoare, în funcţie de frecvenţa electronilor din atom, fapt infirmat de studiile experimentale asupra seriilor spectrale.

• IMPORTANTA:• Modelul lui Rutherford a introdus ideea unei structuri a

atomului şi a existenţei unor particule componente, precum şi posibilitatea separării acestora. Reprezentând punctul de plecare al modelului Bohr, a dus la separarea a două domenii, fizica nucleară, ce studiază nucleul, şi fizica atomului, ce studiază structura electroniă a atomului.

• În ciuda deficienţelor, caracterul descriptiv al modelului a permis utilizarea ca simbol al atomului şi energiei atomice

Modelul Atomic Bohr• Modelul atomic Bohr este

primul model de natură cuantică al atomului şi a fost introdus în anul 1913 de către fizicianul danez Niels Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Ernest Rutherford şi îi aplică teoria cuantelor. Deşi ipotezele introduse de către Bohr sunt de natură cuantică, calculele efective ale mărimilor specifice atomului sunt pur clasice, modelul fiind, de fapt, semi-cuantic. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă a nucleului).

Postulatele lui Bohr • Primul postulat al lui Bohr• Este legat de orbitele atomice şi

presupune că electronul se roteşte în jurul nucleului numai pe anumite orbite circulare permise, fără a emite sau a absorbi energie radiantă. Aceste stări se numesc staţionare şi au un timp de viaţă infinit şi energie constantă, atomul trecând pe alte nivele energetice doar dacă este perturbat din exterior. Electronul se menţine pe o orbită staţionară datorită compensării forţei centrifuge cu forţa de atracţie coulombiană.

• Primul postulat a fost introdus pentru explicarea stabilităţii atomului. El este în contradicţie cu fizica clasică. Conform teoriilor acesteia, o sarcină electrică în mişcare accelerată emite radiaţie electromagnetică. Aceasta ar duce la scăderea energiei sistemului, iar traiectoria circulară a electronului ar avea raza din ce în ce mai mică, până când acesta ar "cădea" pe nucleu. Experimental se constată, însă, că atomul este stabil şi are anumite stări în care energia sa se menţine constantă.

Al doilea Postulat al Lui Bohr

• Afirmă faptul că un atom emite sau absoarbe radiaţie electromagnetică doar la trecerea dintr-o stare staţionară în alta. Energia pe care o primeşte sau o cedează este egală cu diferenţa dintre energiile celor două nivele între care are loc tranziţia. Radiaţia emisă sau absorbită are frecvenţa dată de relaţia obţinută în cadrul teoriei lui Max Planck

    frecvenţa radiaţiei

emise/absorbite

         energiile stărilor staţionare

între care are loc tranziţia

Concluzii :• Modelul fizic este o reprezentare

a unei realitati abstracte sau inaccesibila simturilor noastre. Modelul pastreaza proprietatiile importante in studiul inteprins si renunta la o serie de proprietati care nu intereseaza,pentru a simplifica sistemul studiat.

• Rutherford realizeaza o serie de experiemente care-l conduc la elaborarea modelului planetar al atomului. Bohr imbunataseste acest model,introducand doua postulate prin care cuantifica energia. Astfel se poate explica faptul ca atomii emit spectre de linii,care fusesera puse in evidenta esperimental.

Imagini cu privire la Modelul Rutherford si Bohr