Fizika: Az "atom" fogalmának fejlődése, atommodellek

Atom: a legkisebb részecskék, amelyek kémiai módszerrel tovább nem bonthatóak.

Molekula: meghatározott minőségű és számú atom összekapcsolódásával kialakuló részecske.

Ion: (pozitív vagy negatív) töltéssel rendelkező részecske.

Rendszám (Z): az atomban található protonok száma, az atom sorszáma a periódusos rendszerben.

Tömegszám (A): az atomban található nukleonok (protonok és neutronok) számának összege.

Relatív atomtömeg: egy elem relatív atomtömege, illetve egy vegyület relatív molekulatömege az adott anyag átlagos atom- illetve molekulatömegének és az u egységes atomi tömegegységnek a hányadosa, a 12C szénizotóp egyetlen atomjának tömege osztva tizenkettővel;

Moláris tömeg: egy mólnyi (NA=6E23 darab) részecske összes tömege 1 móllal osztva adja meg.

Atommodellek fejlődése

Démokritosz (ókori filozófus) vezette le elméleti síkon, hogy minden anyag apró, oszthatatlan részekből áll, amiket atomoknak nevezett el.

A modern természettudomány számára a kémia volt az első terület, ahol az anyag atomos felépítésére evidenciát találtak. Az állandó súlyviszonyok törvénye szerint az anyagok mindig ugyanolyan arányban lépnek egymással reakcióba. A Brown-mozgás megfigyelése pedig az atomok egyik látható bizonyítéka volt.

A XIX. század végére, XX. század elejére az atomhipotézis elfogadottá vált. Thomson a katódsugarak vizsgálatakor jött rá arra 1897-ben, hogy a katódsugárzás nem elektromágneses hullámokból áll, hanem egy új részecske, az elektron árama. A tömege is meghatározható volt e részecskének és a hidrogénatom tömegének mintegy kétezred részének adódott.

Ez a felfedezés rámutatott arra, hogy a „felbonthatatlan” atomnak belső szerkezete van. Elektronokból és -, mivel az atom elektromosan semleges, - pozitív töltésekből áll.

Thomson-féle atommodell

Joseph John Thomson feltevése szerint az atomban a pozitív töltések hátterén a pontszerű elektronok egyenletesen elosztva úgy helyezkednek el, mint a szilvák az angol pudingban. Ez volt a Thomson-féle „plum pudding” atommodell (1904).

Ez a modell a fénykibocsátást és fényelnyelést magyarázni tudta, ha feltesszük, hogy az elektronok el tudnak mozdulni (rezegni).

Azonban a kibocsátott sugárzás részleteit már nem adta vissza helyesen, hiszen már abban az időben is tudták, hogy az atomok által kibocsátott sugárzás vonalas szerkezetű. Emellett elméleti gond is volt vele: a pusztán elektrosztatikus erőkkel összetartott rendszer nem lehet stabil.

Rutherford-féle atommodell

Ernest Rutherford radioaktív sugárzással foglalkozott. 1911-ben olyan kísérletsorozatba kezdett, ahol α-részecskék (He++ mag) szórását figyelték meg különböző vékony fémfóliákon (arany, platina ezüst). A szóródott α-részecskéket ZnS(cink-szulfid)-ernyőre  bocsátották, ahol az fényfelvillanást okoz, ezeket pedig mikroszkóppal figyelték meg.

A kísérlet célja a „plum pudding” töltéseloszlásának meghatározása volt a szórási kép analízise segítségével.

A kísérlet tapasztalata az volt, hogy a szórások többsége valóban kis szögű a várakozásoknak megfelelően. Azonban néha (aranyban 1:20 000, platinában 1:8 000 arányban) láttak igen nagy szögű visszaszórást. Ezt nem lehetett mással magyarázni,  mint hogy az atomban van egy nagy tömegű, kisméretű, pozitív töltésű szórócentrum, amit atommagnak neveztek el.

Mindez arra ösztönözte Rutherfordot, hogy módosítson a Thomson atommodellen, és kidolgozza a saját atommodelljét (Rutherford atommodell). A pozitív töltések ebben a modellben mind együtt, a kisméretű, az α-részecskéhez képest nagy tömegű atommagban helyezkednek el. Az atommag adja az atom tömegének döntő részét. Körülötte keringenek a maghoz képest elhanyagolható tömegű, negatív töltésű elektronok. Mivel az atom semleges, egy olyan atomban, ahol az elektronok száma Z (, vagyis az atom rendszáma Z), a mag töltése Qmag=Ze, ahol e az elemi töltés. 

Az atom működését a bolygómodell analógiájaként képzelte el pici Naprendszerként: a Nap szerepét az atommag játssza, az elektronok a bolygók, a gravitáció helyett a Coulomb-vonzás hat.

A Rutherford-modell problémája az, hogy a körpályán mozgó elektron gyorsul, ezért elektromágneses hullámokat kisugározva elvesztené energiáját és belezuhanna a magba.

Bohr-féle atommodell

Niels Bohr felismerte a Rutherford-modell hiányosságait. A fény kvantumos természetének felismerése, valamint a hidrogénatom színképének tanulmányozása következtében Bohr új állításokkal egészítette ki az eddigi atomelméletet;

• pályafeltétel: az elektron az atomban nem lehet akárhol, hanem csak meghatározott távolságokban, kör alakú pályákon, ún. elektronhéjakon keringhet a mag körül.
• frekvencia-feltétel: az elektron csak meghatározott nagyságú energiát vehet fel, csakis akkorát, hogy azzal egy másik, magasabb energiájú pályára jusson; a gerjesztett atom energiát sugároz ki, ami után ismét alapállapotba kerül, ebből következik, hogy minden pályához csak egy adott energiaszint tartozhat. Ha az elektron kisebb vagy nagyobb energiájú pályára lép, a kisugárzott/elnyelt energia:

ahol h=6.62E-34 Js a Planck-állandó; f pedig a frekvencia.

A modell későbbi „kiegészítői”:

• Pauli-elv: két elektron nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot egy időben.
• kvantumszámok:  főkvantumszám(héj), mellékkvantumszám (alhéj), mágneses kvantumszám (energiaeltolódás), spinkvantumszám (spin)
• Hund-szabály: az elektronok az egyes atompályákon úgy helyezkednek el, hogy közülük minél több legyen a párosítatlan spinű

Egyéb modellek

Arnold Sommerfeld továbbfejlesztette a Bohr-modellt; újabb, ellipszis alakú pályákat feltételezett, de kiderült, hogy ezek sem értelmezik helyesen az összes energia-átmenetet.

Erwin Schrödinger a ma használt atomkép megalkotója, ami egy matematikai modellből adódik (statikus hullámfüggvény), ahol az elektront egy középpontos szimmetriával rendelkező valószínűségi függvény („elektronfelhő”) írja le.