Atome Struktur

Atome Struktur
Atom, kleinste Einheit, in die Materie ohne Freisetzung elektrisch geladener Teilchen unterteilt werden kann. Es ist auch die kleinste Einheit der Materie, die die charakteristischen Eigenschaften eines chemischen Elements hat. Als solches ist das Atom der Grundbaustein der Chemie.
Untersuchen Sie unterschiedliche Elektronenkonfigurationen in Elektronenschalen um den Kern eines Atoms
Atommodell von Elektronenkonfigurationen.
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Der größte Teil des Atoms ist leerer Raum. Der Rest besteht aus einem positiv geladenen Kern aus Protonen und Neutronen, der von einer Wolke negativ geladener Elektronen umgeben ist. Der Kern ist klein und dicht im Vergleich zu den Elektronen, die die leichtesten geladenen Teilchen in der Natur sind. Elektronen werden durch ihre elektrische Kraft von jeder positiven Ladung angezogen; In einem Atom binden elektrische Kräfte die Elektronen an den Kern.
Aufgrund der Natur der Quantenmechanik war kein einzelnes Bild bei der Visualisierung der verschiedenen Eigenschaften des Atoms völlig zufriedenstellend, was die Physiker zwingt, komplementäre Bilder des Atoms zu verwenden, um verschiedene Eigenschaften zu erklären. In mancher Hinsicht verhalten sich die Elektronen in einem Atom wie Teilchen, die den Kern umkreisen. In anderen verhalten sich die Elektronen wie Wellen, die um den Kern herum eingefroren sind. Solche Wellenmuster, Orbitale genannt, beschreiben die Verteilung einzelner Elektronen. Das Verhalten eines Atoms wird stark von diesen Orbitaleigenschaften beeinflusst, und seine chemischen Eigenschaften werden durch Orbitalgruppierungen, die als Schalen bezeichnet werden, bestimmt.
Dieser Artikel beginnt mit einem umfassenden Überblick über die grundlegenden Eigenschaften des Atoms und seiner Teilchen und Kräfte. Nach dieser Übersicht folgt ein historischer Überblick über die einflussreichsten Konzepte über das Atom, die im Laufe der Jahrhunderte formuliert wurden. Weitere Informationen zur Kernstruktur und zu Elementarteilchen finden Sie unter subatomare Teilchen.
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Atomares Modell
Die meiste Materie besteht aus einer Agglomeration von Molekülen, die relativ leicht getrennt werden können. Moleküle wiederum bestehen aus Atomen, die durch chemische Bindungen verbunden sind, die schwieriger zu brechen sind. Jedes einzelne atom besteht aus kleineren Teilchen, nämlich Elektronen und Kernen. Diese Teilchen sind elektrisch geladen, und die elektrischen Kräfte auf die Ladung sind dafür verantwortlich, das Atom zusammenzuhalten. Versuche, diese kleineren Teilchen zu trennen, erfordern immer größere Energiemengen und führen zur Bildung neuer subatomarer Teilchen, von denen viele geladen sind.
Wie in der Einleitung zu diesem Artikel erwähnt, besteht ein Atom weitgehend aus leerem Raum. Der Kern ist das positiv geladene Zentrum eines Atoms und enthält den größten Teil seiner Masse. Es besteht aus Protonen, die eine positive Ladung haben, und Neutronen, die keine Ladung haben. Protonen, Neutronen und die sie umgebenden Elektronen sind langlebige Teilchen, die in allen gewöhnlichen, natürlich vorkommenden Atomen vorhanden sind. Andere subatomare Partikel können in Verbindung mit diesen drei Arten von Partikeln gefunden werden. Sie können jedoch nur unter Zugabe enormer Energiemengen erzeugt werden und sind sehr kurzlebig.
Alle Atome sind ungefähr gleich groß, egal ob sie 3 oder 90 Elektronen haben. Ungefähr 50 Millionen Atome fester Materie, die in einer Reihe aufgereiht sind, würden 1 cm (0,4 Zoll) messen. Eine bequeme Längeneinheit zur Messung von Atomgrößen ist der Angstrom (Å), definiert als 10-10 Meter. Der Radius eines Atoms misst 1-2 Å. Verglichen mit der Gesamtgröße des Atoms ist der Kern noch winziger. Es ist im gleichen Verhältnis zum Atom wie ein Marmor zu einem Fußballfeld. Im Volumen nimmt der Kern nur 10-14 Meter des Raumes im Atom ein - d.h. 1 Teil von 100.000. Eine bequeme Längeneinheit zur Messung der Kerngrößen ist das Femtometer (fm), das 10-15 Meter entspricht. Der Durchmesser eines Kerns hängt von der Anzahl der darin enthaltenen Partikel ab und reicht von etwa 4 fm für einen leichten Kern wie Kohlenstoff bis zu 15 fm für einen schweren Kern wie Blei. Trotz der geringen Größe des Kerns ist dort praktisch die gesamte Masse des Atoms konzentriert. Die Protonen sind massive, positiv geladene Teilchen, während die Neutronen keine Ladung haben und etwas massiver sind als die Protonen. Die Tatsache, dass Kerne überall von 1 bis fast 300 Protonen und Neutronen haben können, erklärt ihre große Variation in der Masse. Der leichteste Kern, der von Wasserstoff, ist 1.836 mal massereicher als ein Elektron, während schwere Kerne fast 500.000 mal massereicher sind.
Grundeigenschaft
Ordnungszahl
Das wichtigste Merkmal eines Atoms ist seine Ordnungszahl (normalerweise mit dem Buchstaben Z bezeichnet), die als Anzahl der Einheiten positiver Ladung (Protonen) im Kern definiert ist. Wenn zum Beispiel ein Atom ein Z von 6 hat, ist es Kohlenstoff, während ein Z von 92 Uran entspricht. Ein neutrales atom hat eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, so dass die positiven und negativen Ladungen genau Gleichgewicht. Da es die Elektronen sind, die bestimmen, wie ein Atom mit einem anderen interagiert, bestimmt am Ende die Anzahl der Protonen im Kern die chemischen Eigenschaften eines Atoms.
Atommasse und Isotope
Die Anzahl der Neutronen in einem Kern beeinflusst die Masse des Atoms, nicht jedoch seine chemischen Eigenschaften. Somit hat ein Kern mit sechs Protonen und sechs Neutronen die gleichen chemischen Eigenschaften wie ein Kern mit sechs Protonen und acht Neutronen, obwohl die beiden Massen unterschiedlich sind. Kerne mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen sollen Isotope voneinander sein. Alle chemischen Elemente haben viele Isotope.
isotope von Wasserstoff
Das Bild zeigt die drei Isotope des Elements Wasserstoff. Alle drei Formen haben ein Proton (rosa) und ein Elektron (dunkelgrün), unterscheiden sich jedoch in der Anzahl der Neutronen (grau) im Kern. Protium oder gewöhnlicher Wasserstoff (Top) hat keine Neutronen. Deuterium-oder Wasserstoff-2 (unten Links), hat ein neutron. Tritium oder Wasserstoff-3 (unten rechts) hat zwei Neutronen.
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Es ist üblich, verschiedene Isotope zu charakterisieren, indem die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern angegeben wird — eine Größe, die als Atommassenzahl bezeichnet wird. Im obigen Beispiel würde das erste Atom Kohlenstoff-12 oder 12C genannt werden (weil es sechs Protonen und sechs Neutronen hat), während das zweite Kohlenstoff-14 oder 14C wäre.
Die Masse der Atome wird in Bezug auf die atomare Masseneinheit gemessen, die definiert ist als 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms-12 oder 1,660538921 × 10-24 Gramm. Die Masse eines Atoms besteht aus der Masse des Kerns plus der der Elektronen, so dass die atomare Masseneinheit nicht genau der Masse des Protons oder Neutrons entspricht.
Elektron
Ladung, Masse und spin
Sehen Sie, wie der Physiker Robert Millikan eine Methode zur Messung der elektrischen Ladung einzelner Elektronen entwickelt hat
Millikan Öl-Tropfen-Experiment.
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Jahrhundert wissen, dass das Elektron eine negative elektrische Ladung hat. Der Wert dieser Ladung wurde erstmals von dem amerikanischen Physiker Robert Millikan zwischen 1909 und 1910 gemessen. In Millikans Öltropfen-Experiment suspendierte er winzige Öltropfen in einer Kammer, die einen Ölnebel enthielt. Durch Messen der Fallgeschwindigkeit der Öltropfen konnte er deren Gewicht bestimmen. Öltropfen, die eine elektrische Ladung hatten (z. B. durch Reibung beim Bewegen durch die Luft), konnten dann durch Anlegen einer elektrischen Kraft verlangsamt oder gestoppt werden. Durch den Vergleich der angelegten elektrischen Kraft mit Bewegungsänderungen konnte Millikan die elektrische Ladung bei jedem Tropfen bestimmen. Nachdem er viele Tropfen gemessen hatte, stellte er fest, dass die Ladungen auf allen einfache Vielfache einer einzigen Zahl waren.
Millikan öl-tropfen experiment
Zwischen 1909 und 1910 führte der amerikanische Physiker Robert Millikan eine Reihe von Öltropfen-Experimenten durch. Durch den Vergleich der angelegten elektrischen Kraft mit Änderungen in der Bewegung der Öltropfen konnte er die elektrische Ladung an jedem Tropfen bestimmen. Er fand heraus, dass alle Tropfen Ladungen hatten, die einfache Vielfache einer einzelnen Zahl waren, der Grundladung des Elektrons.
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Die Ladung auf dem Proton ist gleich groß wie die auf dem Elektron, aber entgegengesetzt im Vorzeichen - das heißt, das Proton hat eine positive Ladung. Da sich entgegengesetzte elektrische Ladungen anziehen, besteht eine Anziehungskraft zwischen Elektronen und Protonen. Diese Kraft hält Elektronen in der Umlaufbahn um den Kern, so etwas wie die Art und Weise, wie die Schwerkraft die Erde in der Umlaufbahn um die Sonne hält.
Das Elektron hat eine Masse von etwa 9.109382911 × 10-28 Gramm. Die Masse eines Protons oder Neutrons ist etwa 1.836 mal größer. Dies erklärt, warum die Masse eines Atoms in erster Linie durch die Masse der Protonen und Neutronen im Kern bestimmt wird.
Das Elektron hat andere intrinsische Eigenschaften. Eine davon heißt Spin. Das Elektron kann als etwas wie Erde dargestellt werden, das sich um eine Rotationsachse dreht. Tatsächlich haben die meisten Elementarteilchen diese Eigenschaft. Im Gegensatz zur Erde existieren sie jedoch in der subatomaren Welt und unterliegen den Gesetzen der Quantenmechanik. Daher können sich diese Teilchen nicht beliebig drehen, sondern nur mit bestimmten spezifischen Raten. Diese Raten können 1/2, 1, 3/2, 2, ... mal eine grundlegende Rotationseinheit sein. Elektronen haben wie Protonen und Neutronen Spin 1/2.