Atomteori

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk

Atomteori er innenfor kjemi og fysikk en teori om stoffets eller materiens vesen, og som hevder at materie består av atskilte enheter som kalles atomer i motsetningen til den foreldete oppfatningen at materie kunne bli delt i enhver vilkårlig minste enhet. Teorien begynte som et filosofisk konsept i antikkens Hellas med hovedsakelig Demokrit og samtidig og antagelig uavhengig i oldtidens India. Teorien utviklet seg og ble en del av vitenskapen1800-tallet med at kjemien kunne vise at materie faktisk oppførte seg som om det var gjort opp av partikler.

Ordet atom (fra oldtidens greske adjektiv atomos, «udelbar»)[1] ble benyttet for å beskrive den grunnleggende partikkel som utgjorde et kjemisk element ettersom kjemikerne på denne tiden mente at de disse var de grunnleggende partikler i materien (urstoffet). Se også Arkhe. Imidlertid ved århundreskiftet til 1900-tallet oppdaget fysikere ved ulike eksperimenter med elektromagnetisme og radioaktivitet det såkalte «udelbare atom» og som var egentlig et konglomerat (blandet masse) av ulike subatomiske partikler (hovedsakelig elektroner, protoner og nøytroner) som kunne eksistere adskilt fra hverandre. I bestemte ekstreme miljøer som nøytronstjerner, ekstreme temperaturer og trykk kan forhindre at atomer eksisterer i det hele tatt. Ettersom atomer ble beviselig oppdaget å ikke være delbare likevel har fysikerne opprettet begrepet elementære partikler for å beskrive udelelige partikler. Det feltet innenfor vitenskapen som studerer subatomiske partikler er partikkelfysikken, og det er innenfor dette feltet som fysikere håper å oppdage den sanne fundamentale materienes vesen.


Historie[rediger | rediger kilde]

Moderne atomteori ble utviklet rundt år 1800. John Dalton mente da at et grunnstoff er bygd opp av små partikler med samme størrelse, masse og kjemiske egenskaper. Det er den greske filosofen Demokrit som har blitt godskrevet ideen om at all materie består av små, udelelige partikler. Han kalte disse for atom.

Demokrit (400 f.kr)[rediger | rediger kilde]

Ca. 400 f.kr forestilte den greske filosofen Demokrit seg at alle stoffer er sammensatt av atomer. Denne tankemodellen ble vanligvis betraktet som urealistisk. Middelaldertenkere holdt seg med fire grunnelementer, vanligvis konkretisert som jord, luft, vann og ild. De forskjellige stoffene man kunne observere, var satt sammen av disse i forskjellige proporsjoner.

Thomson (1898)[rediger | rediger kilde]

Joseph John Thomsons teori gikk ut på at atomet var en liten rund kule med negative elektroner i kjernen, nesten som en bolle med rosiner. Han mente at alle atomene var klemt sammen som klinkekuler.

Rutherford (1911)[rediger | rediger kilde]

Ernest Rutherford motbeviste Thomsons «rosinbolleteori» ved hjelp av gullfolieeksperimentet utført av hans nære medarbeidere Ernest Marsden og Hans Geiger i 1911.

De hadde en tynn gullfilm som de skjøt positive ladninger (Heliumkjerner) på. De fleste av disse gikk igjennom gullfilmen, kun noen få ble reflektert. Med dette konklderte Rutherford at det var store tomrom mellom atomene. De atomene som kom gjennom ble som oftest avbøyd, dette var fordi like ladninger frastøter hverandre, og atomkjernen er positivt ladd og det var også heliumkjernene. De få heliumkjernene som ble reflektert ble det fordi de traff rett på kjernen i atomene og ble derfor helt avstøtt.

Bohrs atommodell (1913)[rediger | rediger kilde]

Niels Bohr satte i 1913 fram en teori for hydrogenatomet som sa at elektronet bare kunne gå i bestemte baner. I 1921 hadde han laget en fullstendig atommodell, som viser hvordan atomet består av en positiv kjerne med negativt ladde elektroner som går i sirkelformede baner rundt.

Partikkel Symbol Masse Ladning
Protoner p+ 1,01 u +1 e
Nøytroner n 1,01 u 0
Elektroner e- 0,00055 u −1 e

Atommasseenheten 1u = 1,661 · 10-27

{}_{17}^{35}\!Cl

35 – totalt antall kjernepartikler (nukleontall)
17 – protoner i kjernen

Isotoper – ulike varianter av et grunnstoff, alle varianter av et grunnstoff er isotoper. Forskjellige isotoper av et grunnstoff har likt antall protoner i kjernen men ulikt antall nøytroner. De har like kjemiske egenskaper men ulike fysiske egenskaper.

Eksempel:

{}_{1}^{1}\!H Protium
{}_{1}^{2}\!H Deuterium
{}_{1}^{3}\!H Tritium (radioaktiv)

Tritium er radioaktivt fori det er ustabilitet i kjernen, og for å bli stabilt sender det ut radioaktiv stråling.

Atommasse – middelverdien av massene til atomene i grunnstoffets naturlige isotopblanding.

Grunnstoff – et stoff der alle atomene har samme antall protoner i kjernen. Elektronfordelingen

Elektronskymodellen: I denne modellen ser vi for oss at kjernen er omgitt av én eller flere elektronskyer. De mørke partiene i disse skyene viser hvor sannsynlig det er å møte på et elektron der, jo mørkere desto større sannsynlighet.

Elektronskyene har størst tetthet ved bestemte nivåer eller skall. Dette gir elektronene større mulighet til å bevege seg rundt innenfor Bohr-modellen.

Et elektrondiagram viser hvor stor sannsynlighet det er for at elektronene er på bestemte nivåer. Disse nivåene er delt opp i forskjellige skall, K-, L-, M- og N-skallet, hvor K-skallet er innerst og N-skallet er ytterst.

Hvert nivå er delt opp i forskjellige undernivåer:

  • K-skallet har ett nivå, 1s-orbitalen, hvor det er plass til 2 elektroner.
  • L-skallet har to nivåer, 2s-orbitalen (2 elektroner) og 2p-orbitalen (6 elektroner). Tilsammen er det plass til 8 elektroner i L-skallet.
  • M-skallet har tre nivåer, 3s-orbitalen (2 elektroner), 3p-orbitalen (6 elektroner) og 3d-orbitalen (10 elektroner). Tilsammen er det plass til 18 elektroner i M-skallet.
  • N-skallet har fire nivåer, 4s-orbitalen (2 elektroner), 4p-orbitalen (6 elektroner), 4d-orbitalen (10 elektroner) og 4f-orbitalen (14 elektroner). Tilsammen er det plass til 32 elektroner i N-skallet.
s – sharp, kuleformet
p – primary, form som manualer
d – diffuse
f – fundamental

Dette er et energidiagram. Det er først delt opp i 4 skall, K, L, M og N. Hvert skall er delt opp i ulike orbitaler. Ulike orbitaler har ulik kapasitet til å holde på elektroner.

S-orbitalen som er formet som en kule kan holde 2 elektroner.
P-orbitalen som er formet som manualer kan holde 6 elektroner.
D-orbitalen kan holde på 10 elektroner.
F-orbitalen kan holde på 14 elektroner.

Det er tre regler som kommer når det gjelder dette.

  • Hunds regel: den meste stabile konfigurasjonen er når hvert undernivå er enkelt okkupert, så langt det er mulig.
  • Aufbahns prinsipp: Elektronene i atomene går alltid til den lavest mulige energikonfigurasjon.
  • Pauli Exclusions prinsipp: I alle orbitaler har et elektron spin opp og et elektron spin ned.

På grunn av energien det tar for å fylle på de forskjellige nivåene ligger d-nivået mellom p- og s-nivået. Hvis du ser på energidiagrammet ser du at 3d er lagt mellom 4p og 4s. Derfor etterfylles det 3. skallet etter at det 4. skallet har blitt fylt. De forskjellige orbitalene har ulike former som ofte overlapper hverandre. Derfor er det slik at ofte er sannsynligheten for at elektronene fylles i d-nivået før de fylles i p-nivået, dersom vi ser på elektronskymodellen.

Inndeling av periodesystemet[rediger | rediger kilde]

  • Periodesystemet ordnes inn etter økende antall protoner i kjernen.
  • Alle grunnstoff med samme antall skall ligger i samme vannrette gruppe.
  • Alle grunnstoffer med samme antall valenselektroner ligger i samme hovedgruppe (I-VIII)

Eksempel:

{}_{35}^{80}\!Br
35 protoner, 35 elektroner og 45 nøytroner, masse på 80 u.
Er plassert på 4 vannrette rad, fordi den har 4 skall.
Er i hovedgruppe 7, fordi den har 7 elektroner i sitt valensskall.

Blokkinndelingen foregår etter hvilken orbital det siste elektronet går inn i de ulike hovedgruppene:

  • Gr I – Har ett valenselektron, meget reaktivt. Kalles alkaliemetaller.
  • Gr II – har to valenselektroner, reaktivt, jordalkaliemetaller.
  • Gr VII – har sju valenselektroner, meget reaktivt, halogen (halo – salt, gen – generere).
  • Gr VIII – åtte valenselektroner, ikke reaktivt (inerte = ikke kjemisk reaktivt), kalles edelgasser, unntaket er helium med to elektroner.

Atomer og andre partikler i bevegelse[rediger | rediger kilde]

En vitenskap som beskriver hvordan partikler gir opphav til det vi observerer i det daglige, som gass og væsker er Termodynamikk. Bevegelsen til store antall atom eller molekyl og vekselvirkninger de imellom, gir opphav til forskjellige aggregattilstander, der gass, væske og faststoff er to eksempler. Brownske bevegelser er en mulighet til å observere effekten av kollisjoner mellom de ellers usynlige partiklene som en væske består av.

Klassisk mekanikk gir en mulighet til å forstå kollisjoner mellom atomer i gass og væsker og utlede termodynamikkens lover fra disse. Imidlertid gir kvantemekanikk et mer korrekt bilde av prosessene på atom-nivå og er nødvendig for å forstå visse aggregattilstander som f.eks Bose-Einstein kondensat. Ved høye energier går partiklene så fort at Einsteins relativitetsteorien kommer til anvendelse. Kombinasjonen av kvantemekanikk og den spesielle relativitetsteori kalles kvantefeltteori. Denne omhandler kollisjoner mellom partikler der farten er så stor at den kinetiske energien kan omdannes til nye partikler, utfra den kjente ligningen E = mc^2.


Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Berryman, Sylvia (2008): «Ancient Atomism», Edward N. Zalta. red. The Stanford Encyclopedia of Philosophy.