Aatom läbi ajaloo Ivo Eesmaa

Mudelid. Mis ja milleks? Milline on elevant? Tundmatut uurides peame kasutama juba tuntud ettekujutusi ja tõdesid. Mudel on lähend tegelikkusele. Mida lähem, seda parem mudel. Milline on elevant?

Nagu madu – nii ütleb see, kes londist kinni hoiab

Nagu puu – nii ütleb see, kes jalast kinni hoiab

Nagu mägi – nii ütleb see, kes elevandi seljas istub

Milline on elevant? Nagu kõver oda – nii ütleb see, kes kihvast kinni hoiab Nagu hiigelsuur lehvik – nii ütleb see, kes kõrvast kinni hoiab Nagu köis – nii ütleb see, kes sabast kinni hoiab

Mis on mudel? Mudel on teaduslikus uurimistöös kasutatav objekti lihtsustatud konstruktsioon,kus ei arvestata uuritava objekti kõiki omadusi, vaid ainult osa neist Mudel on lähend tegelikkusele. Mida lähem, seda parem mudel. Mudel peab olema parasjagu nii keerukas kui uuritava selgitamiseks vaja on Mudel peab olema paindlik

Mudelite kasutamine Mudel on mingi keeruka seadme või nähtuse lihtsustatud jäljendus Mudelid luuakse kui reaalse objekti või probleemi uurimine on kas Võimatu Keerukas Kulukas

Demokritos 455 - 370 e.m.a. Kreeka filosoof Maailm koosneb aatomitest ja tühjusest. Aatom - “tomos”(lõikama) + “a” = “atomos” – lõikamatu,jagamatu Ei suutnud seda kuidagi tõestada – mida pole näha, seda pole olemas Aristoteles: kogu maailm koosneb neljast elemendist – tuli, vesi, maa ja õhk. Nende olemasolu ei olnud vaja tõestada. 455 - 370 e.m.a.

   

Alkeemikud Aatomi mudeli arengusse ei ole nad midagi olulist lisanud. See lihtsalt polnud nende huvi Nemad tahtsid tavalised metallid kullaks muuta. Meie teame, et see on võimalik vaid teatud tuumareaktsioonide abil, nemad mitte. Paljud renessansiaegsed kuulsad inimesed olid alkeemikud. Leonardo Da Vinci näiteks. Põhiline alkeemikute teene oli keemiateaduse areng.

Alkeemikute suuremad avastused Olid esimesed teadlased kes kasutasid süstemaatilisi katseid. Iga katse tulemus salvestati.Tulemusi jagati teistega. Liitaine sisaldab samu keemilisi elemente samas massilises vahekorras, sõltumata aine kogusest. Liitaine mass on võrdne teda moodustavate keemiliste elementide masside summaga. Jõudsid keemiliste valemiteni.

Daltoni väited aatomi kohta Kogu mateeria koosneb aatomitest Aatomeid ei ole võimalik hävitada Sama aine kõik aatomid on ühesugused Erinevatel ainetel on erinevad aatomid Aatomite muutumisel tekivad keemilised reaktsioonid Liitained koosnevad liitunud ainete aatomitest

Katsetest selgus, et kui elektroodide vahele panna kerge sõuratas, hakkab see pöörlema. 1897 leidis Thompson et magneti abil on võimalik kiirt kõrvale kallutada. Sellest järeldas ta et kiir koosneb negatiivsetest osakestest. Need osakesed nimetati elektronideks

Joseph John Thomson (1856-1940) 1906. aastal pakkus inglane J.J.Thomson välja idee et, aatom on kerakujuline osake, milles on kogu mass ning vaheldumisi paiknevad elektronid ja prootonid ühtlaselt jaotunud üle kogu ruumala. Sellise mudeli järgi kirjeldatavat aatomit nimetas ta "rosinapudingiks"

Thomsoni aatomimudel “Rosinpuding” Lihtsaim aatom, vesiniku aatom, kujutab endast positiivselt laetud kera raadiusega 10-8 cm . Iga mudel on hea kuni ta nähtusi suudab selgitada Thomsoni mudel ei suutnud selgitada positiivse laengu jaotust aatomis

Rutherfordi katsed Ernest Rutherford (1871-1937) Katsete eelduseks oli, et aatom on sellise struktuuriga nagu seda pakkus välja Thomson ja ülikiiresti liikuvad alfaosakesed pidid probleemideta, küll väikeste kõrvalekalletega, läbima kuldlehe. Katse käigus selgus, et väike osa kõrvalekalletest võivad olla väga suured. Mõnel üksikul juhul said osakesed esialgsele vastupidise suuna.

Järeldused Rutherford'i katsetest. Iga aatomiosakese mass eraldi on väiksem, kui alfaosakese mass. Elekrtoni mass on mitmeid tuhandeid kordi väiksem (1/8000) ning prootoni mass neli korda väiksem. Hajusalt paigutunud osakesed ei saaks seetõttu alfaosakese liikumise suunda muuta esialgsele vastupidiseks. Samuti on ka alfaosakese kogulaeng suurem, kui üksiku prootoni laeng ning vaheldumisi ning hajutatult aatomis paiknevad elektronid ja prootonid ei saaks oluliselt aatomist läbikihutava positiivse laenguga osakese suunda muuta. Nii suured mõjutused ja nii väikese arvu osakeste puhul, tähendasid, et aatom ei ole ühtlane vaid aatomil peab olema tema mõõtmetega võrreldes väga väike, kuid suure massiga ning positiivse laenguga keskosa - tuum. 

Rutherfordi aatomimudel Rutherford kujutas aatomi puhul ette midagi sarnast päikesesüsteemiga: keskel on positiivse laenguga tuum (nn. Päike) ja selle ümber tiirlevad erinevatel orbiitidel elektronid (nn. planeedid).

Iga mudel on hea kuni ta nähtusi suudab selgitada Ernest Rutherfordi (1871-1937) planetaarne aatomimudel ei selgita aatomite püsivust. Elektron liigub kiirendusega ja seetõttu kaotab pidevalt energiat ning peaks kukkuma tuumale. Aga ei kuku. Aatomid on püsivad kuitahes kaua.

Niels Henrik David Bohr (1885-1962) “Iga väidet, mille ma kuuldavale toon, ei tule võtta kinnitusena, vaid küsimusena” Niels Bohr

Bohri postulaadid Bohri I postulaat. Aatom võib olla ainult erilistes statsionaarsetes ehk kvantolekutes, millest igale vastab kindel energia En . Statsionaarse olekus aatom ei kiirga Bohri II postulaat. Energia kvant neelatakse või kiiratakse üleminekul ühest kvantolekust teise.

Aatomi kvantmudel Mitte ainult elektroni asukoht, vaid ka tema kiirus on tähtis. Kui on teada elektroni kiirus ja tema asukoht, saame ennustada tema asukohta mõne aja pärast. Kuna elektron on nii väikese massiga, muudab kokkupuude teise elektroniga oluliselt tema kiirust ja seega ka energiat.

Heisenbergi määramatuse printsiip Ei ole võimalik määrata elektroni asukohta ja energiat samaaegselt. Määrates elektroni asukoha, ei tea me tema kiirust, sest kokkupõrkel footoniga see muutus oluliselt. Määrates elektroni kiiruse, ei saa me määrata elektroni asukohta kuna see muutub liiga kiiresti WERNER HEISENBERG (1901 - 1976)

Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858 - 1947 Kvantmehhaanika on matemaatilise füüsika haru mis kirjeldab aatomite süsteeme ja nende vastasmõjusid kiirgusega lähtudes kvanthüpoteesist Valgus levib teatud portsjonide kaupa. Seda portsjoni nimetatakse valguskvandiks ehk footoniks Nobeli füüsikapreemia 1918

Footon Footon on valguskvant, mis iseloomustab kiirguse koosnemist osakestest. Footon on täiesti neutraalne elementaarosake, mille seisumass on 0kg ning eksisteerib ainult valguse kiirusega liikudes. Et kiirgust (ka valgust) peetakse nii lainetuseks kui ka osakestevooks, siis joonistatakse footonid väikese lainejupina

Footoni energia E = hf hf = Ek- En Ek- En f = h E – footoni energia f - kiirguse sagedus h – Plancki konstant h = 6,63  10-34 Js E = hf Bohri II postulaadist tulenevalt Kiiratava ja neelatava footoni energia ei ole kogu aeg ühesugune hf = Ek- En => Ek- En 2. Kiirguse sagedus sõltub sellest, milline on elektroni üleminekul energiatasemete vahe f = => h

Valguse neelamine ja kiirgamine h = E1- E2 hf = E2- E1 E1 E = h

Footoni neelamine ja kiirgamine h = Ek- En E E Kui Ek> En , kvant kiiratakse Kui Ek< En , kvant neelatakse

Joonspekter

Valguskiirgus 1 1 1 = R( - ), kus n12 n22 λ Vesiniku aatomi võimalikud kiirgussagedused 1 1 1 = R( - ), kus n12 n22 λ λ - valguse lainepikkus , n1,n2 - täisarvud R=1,1* 107 m-1 Rydbergi konstant Valguse neelamine on kiirgamise pöördprotsess. Aatom neelab samu sagedusi mida kiirgabki.

Vesiniku spektraalseeriad Seeria nimi n1 n2 Spektripiirkond Lymani seeria 1 2,3,4… Ultravalgus Balmeri seeria 2 3,4,5,… Nähtav valgus Pascheni seeria 3 4,5,6,… Infravalgus Bracketti seeria 4 5,6,7,… Pfundi seeria 5 6,7,8,…

Palmeri seeria 1 eV = 1,6 * 10-19 J n=6 E = - 0,33 eV n=5

Vesiniku aatomis on elektroni energiatasemed määratud valemiga En = -13,6/n2 eV

Kaasaegne aatomimudel Aatomi läbimõõt on suurusjärgus 10-10 cm Kõikide aatomite keskel on positiivselt laetud tuum. Tuuma läbimõõt on suurusjärgus 10-13 cm Elektronid tiirlevad ümber tuuma

Kaasaegne aatomimudel Elektronidel ei ole kindlalt kirjeldatavaid orbiite. On vaid määratavad erinevad energiatasemed, millel elektron võib olla. Elektroni jaoks on vaid määratav tema tõenäolisim asukoht. Seetõttu räägime elektronpilvest. Elektronpilve kuju sõltub energiatasemest Energiataseme numbrit loetuna alates tuumast nimetatakse oleku peakvantarvuks Peakvantarvule n=1 vastab aatomi põhiolek, tema energia on minimaalne Kõiki teisi olekuid(n>1) nimetatakse ergastatud olekuks. Püsiv on aatom vaid põhiolekus. Ergastatud olek on ajutine.

Kaasaegne aatomimudel Üleminekul ühelt tõenäoliselt orbiidilt teisele aatom kas kiirgab või neelab energiat Kvandi energia on arvutatav valemiga Keerukamate aatomite jaoks Bohri mudel ei sobinud. Seepärast loodi kvantmehaanika ja kvantelektrodünaamika hf = En- Em

Pauli keeluprintsiip Samas aatomis ei saa olla kahte ühesuguste kvantarvudega elektroni Kvantarvud on: Peakvantarv n = 1,2,3….., määrab elektroni energiatasemed Magnetkvantarv ml , 0,±1,±2, … ±l seotud tiirlemise suunaga Spinn, seotud elektroni pöörlemisega

Aatomite süstemaatika Energia miinimumprintsiip koos Pauli printsiibiga tingivad aatomite elektronkatte kihilise ehituse Nn = 2n2

Vabakiirgus

Vabakiirgus

Vabakiirgus

Valgusallikad Soojuslikud – aatomid ergastatakse soojusenergia arvel Külmhelendus – luminestsents Kemoluminestsents Elektroluminestsents Fotoluminestsents Katoodluminestsents Radioluminestents Kui luminestsents kustub samal hetkel kui ergastusallikas välja lülitatakse, on tegemist fluorestsentsiga. Kestvat järelhelendust nimetatakse fosforestsentsiks

Sundkiirgus e. stimuleeritud kiirgus

Tavahõive ja pöördhõive

Laserid Ergastatud aatomite energiat kasutatakse valguse kvantgeneraatorites – laserites Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lasergrammofon, laserkassaator, laserprinter, laserviip, hologrammid. Lasertööriistad(puurid,saed, freesid, keevituspõleti, frees, pindade töötlemine). Meditsiin Elektroonika. Optiline side.

Ioonside – elektronide “annetamine” +11 +17 Cl aatom Na aatom

Ioonside – elektronide “annetamine” +11 +17 Cl ioon - Na ioon +

+1 +1 H aatom H aatom

Kovalentne side – elektronide “ühistamine” +1 +1 H2 molekul