vineri, 26 aprilie 2013

ORIGINEA NOTIUNII DE ATOM

ORIGINEA NOTIUNII DE ATOM

PRIMELE IPOTEZE ASUPRA STRUCTURII MATERIEI



      Inca din antichitate s-a pus problema cunoasterii mai profunde a obiectelor si fenomenelor naturale.
  In zorii cunoasterii stintifice, materia se considera a fi un tot unitar  
si continuu. 
  Ideea aceasta a fost sustinuta de Xenofanes si de scoala sa eleatica, in secolul al -V- lea i.e.n.
   Un curent potrivnic acestei conceptii a aparut in secolul urmator, cand Leukippos si apoi Demokritos au introdus ipoteza discontinuitatii materiei, aceasta fiind inteleasa ca fiind alcatuita din particule foarte mici, care nu mai pot fi fragmentate si care chiar din acest motiv au primit denumirea de atomi ( atomos in limba greaca inseamna ceva ce nu mai poate fi taiat ).
     S-a cautat apoi identificarea unor elemente din care este alcatuita substanta, pentru a fi adusa dovada discontinuitatii ei. 
      Conceptia lui Empedocles in secolul V i.e.n. conform careia constituentii materiei ar fi pamantul, apa, aerul si focul a fost aprobata un secol mai tarziu de Aristoteles, care a incercat sa o argumenteze prin aceea ca aceste " elemente primordiale " corespund perfect calitatilor diverselor obiecte: uscat, umed ,rece, cald.

      Toate aceste concepte - desi remarcabile pentru acea vreme - erau inca nefondate, mai bine spus foarte departe de o intelegere corecta si profunda a  modului in care este alcatuita materia si implicit cunoasterea proprietatilor ei.

    FORMULAREA IPOTEZEI ATOMICE

     Problema elucidarii structurii atomice a materiei a ramas intr-o " adormire " de secole.
    Unii alchimisti au mai incercat sa sugereze ca materia ar fi alcatuita din substante simple ( la inceputul secolului -XVII - lea, spre exemplu van Helmont sustinea ca toate substantele ar deriva din apa ).
    Abia spre sfarsitul seolului - XVIII - lea, J. Dalton a emis o ipoteza revolutionara in cunoasterea stiintifica: ipoteza atomica.
   Anume el a afirmat ca trebui reluate ideilor vechilor greci cu privire la alcatuirea materiei din particule care nu mai pot fi divizate, definind astfel atomul ca unitate structurala a oricarei substante [ cea mai mica particula a respectivei substante care mai pastreaza inca proprietatile acesteia ( fizice si chimice ) ].


LEGI FUNDAMENTALE ALE CHIMIEI BAZATE PE IPOTEZA ATOMISTA



           Ipoteza atomista sta la baza formularii " legii conservarii masei " ( in mod independent ) de catre Lomonosov si Lavoisier, la sfarsitul secolului al XVIII - lea ), conform careia " masele atomilor nu sunt afectate in reactiile chimice la care ei participa; cu alte cuvinte, in orice reactie chimica, masa produsilor de reactie este egala cu masa reactantilor " .
       Tot ipoteza atomista se afla la baza enuntarii " legii proportiilor definite " ( de catre Proust, in ultimul an al secolului al XVIII - lea ): " La formarea unei combinatii chimice, elementele componente pestreaza intre ele un raport de masa riguros si determinat ".

         La inceputul secolului al - XIX - lea, chiar Dalton, pe baza propriei sale ipoteze atomiste, elaboreaza " legea proportiilor multiple ": "Daca doua elemente pot forma mai multe combinatii chimice, atunci cantitatile dintr-un element care se combina cu una si aceeasi cantitate din celalalt se afla intr-un raport de numere intregi si cu valori mici ".

            De exemplu o cantitate de azot de masa m se poate combina cu diferite cantitati de oxigen.

   La formarea uni compus al azotului cu oxigenul, spre exemplu N2O3, numarul atomilor de azot ramane acelasi, in timp ce numarul 

atomilor de oxigen este evident altul, si se afla intr-un raport de 

numere intregi si cu valori mici. 

 Se verifica asadar legea proportiilor multiple elaborata de J. Dalton, 

formulata pe baza ideii atomiste dezvoltate de acesta.




Combinatie chimica
N ( % )




O ( % )
Masa de azot
Masa de oxigen
 Raportul dintre masele de oxigen care se combina cu aceeasi masa de azot
N2O
( monoxid de diazot / protoxid de azot )

63,7

36,3

1

0,57

-          
N2O3
( trioxid de diazot / anhidrida azotoasa )

36,8

63,2

1

1,71

0,57/ 1,71 = 1/3

N2O5
 ( pentaoxid de diazot / anhidrida azotica )

25,9

74,1

1

2,85

0,57/ 2,85 = 1 /5

  NO    
( monoxid de azot / oxid de azot )                           

46,7

53,3

1

1,14

0,57/ 1,14 = 1/2
N2O4
( tetraoxid de diazot, dimerul dioxidului de azot )

30,4

69,6

1

2,28


0,57 / 2,28 =1/ 4


Tot la inceputul secolului  al - XIX - lea, Avogadro a formulat o alta lege fundamentala a chimiei, care ii poarta numele si care se enunta astfel: " Volume egale in agze diferite, aflate in aceleasi conditii de temperatura si presiune, au aceleasi numar de molecule ".
    Desi aparea cristalizat conceptul de " molecula ", ca sistem alcatuit din mai multi atomi. 

      Toate aceste idei au pus bazele intelegerii corecte a structurii materiei, in sensul ca ea nu este continua, ci se compune din entitati structurale ( atomi, molecule ) care trebuie studiate intr-o noua lumina, dat fiind ca de intelegerea corecta a proprietatilor oricarei substante este conditionata intelegerea clara a structurii acesteia.

                       IDENTIFICAREA CONSTITUENTILOR ATOMULUI


ELECTRONUL
    
        In decursul intregului secol XIX, atomii au continuat sa fie  considerati particule elementare, indivizibile, nepunandu-se problema investigarii unei eventuale structuri interne a acestora.
        Abia la sfarsitul acelui secol  (1897 ), J.J. Thomsom a reusit sa puna in evidenta electronul, constituent al atomului, ca fiind o particula incarcata negativ. Valoarea sarcinii electrice a electronului a fost numita, de altfel, " sarcina electrica elementara " ( ea a fost determinata pentru prima oara indirect, experimente de electroliza ): e = 1,6 * 10-19  C.
      Altfel spus, sarcina electrica a electronului este:

                   qe =  - e 
                   qe = 1,6 * 10-19 C

     Informatii directe referitoare la electroni au fost obtinute prin experimente de trecere a curentului electric prin gaze rarefiate, dat fiind faptul ca acestea, in conditii normale, au o conductibilitate electrica mica. Daca se aplica o tensiune electrica suficient de mare intre doi electrozi aflati la capetele unui tub continand gaz rarefiat, ia nastere o decarcare electrica ( insotita de fenomene luminoase ).
      Aspectul descarcarii depinde de presiunea din tub .
      La presiuni joase ( sub 10-2  torr ) dispar fenomenele luminoase in interiorul tubului: in schimb pe peretele opus al catodului apare o luminiscenta datorata unor radiatiice pleaca de pe suprafata acestuia, numite radiatii catodice.
      J.J.Thompson a aratat, prin devierea acestor radiatii cu ajutorul diverselor campuri exterioare, ca deviatiile inregistrate sunt independente de natura gazului aflat in tub, precum si de natura materialului din care sunt confectionati electrozii, fapt ce a dus la concluzia ca sunt alcatuite din particule universal identice, negative,   deci din electroni.
    Tot J.J.Thompson a reusit sa efectueze si sa interpreteze un interesant experiment de deviatie a radiatiei catodice ( folosind un camp electric si  un camp magnetic, paralele intre ele ), pe baza caruia a calculat sarcina specifica a radiatiei catodice, deci sarcina specifica a electronului ( raportul dintre sarcina electrica si masa acstuia : ( q/m ) rad.catodica = ( qe /m) = - 1,76 *108 C / g

     S-a notat cu mmasa unui electron, care are deci valoarea:


 me = 1,6 * 10-19 C  /  - 1,76 *108 C / g              ,
me = 9,1 * 10-28   g = 9,1 * 10-31   kg
   Asadar se dovedea ca atomul nu este indivizibil (prezumtia ca ii atrasese iarasi denumirea se dovedea a fi falsa ). 
   Electronul este o particula mai mica decat atomul, incarcata electric negativ, care intra in componenta acestuia.

  Cum insa este neutru din punct de vedere electric, era necesar sa se identifice si un alt constituent al sau, cu sarcina pozitiva.



PROTONUL - COMPONENTUL ATOMULUI CU SARCINA 

ELECTRICA POZITIVA


       Un alt constituent al atomului, a fost pus in evidenta tot pe baza 
unor experimente de descarcari electrice in gaze rarefiate .
    Razele canal, in antiteza cu cele catodice, constau in particule pozitive care prezinta valori diferite pentru sarcina specifica, in functie de natura gazului in care se produc. 
     Acestea au putut fi puse in evidenta pentru prima oara de catre Goldstein, tot la sfarsitul secolului al - XIX - lea. 
      Ele se obtin intr-un tub cu descarcari asemanator celui utilizat pentru producerea razelo catodice, modificarea constand in perforarea catodului si dispunerea acestuia aproape de mijlocul tubului, in asa fel incat la un capat al tubului apare o luminiscenta datarata unui fascicol luminos de raze, pornind din dreptul orificiului practicat in catod.
    In razele canal produse de hidrogen s-au identificat protonii, particule pe care E. Rutherford, descoperitorul lor ( 1911 ), le-a gasit a fi de sarcina pozitiva egala ca marima cu sarcina electronului si de masa mpractic egala cu masa atomului de hidrogen:


q1,6 * 10-19 

mp =  1,67 * 10 -24  g = 1,67 * 10-27 kg

     A aparut ideea ca intrucat se observa - dupa cum se observa - masa protonului este mult mai mare decat cea a electronului ( de 1837 de ori ) masele electronilor dintr-un atom s-ar putea neglija in raport cu cu cele ale protonilor care intra in componenta acestuia; cu alte cuvinte, cu alte cuvinte masa oricarui atom ar trebui sa fie egala cu un multiplu intreg al masei protonului.


NEUTRONUL

      Masa unui atom s-a dovedit, intr-adevar a fi un multiplu intreg al masei protonului.
      Totusi, pentru alti atomi cu exceptia hidrogenului, coeficientul de proportionalitate A dintre masa atomului ( ma ) si cea a protonului ( mp ) este mai mare decat numarul Z al electronilor din atomul respectiv . Asadar,

ma  =  A * mp

A = Z pentru Z = 1

A > Z pentru Z > 1 



Acestea ar fi insemnat ca, atomul ar fi fost alcatuit numai din 

electroni si protoni, numarul protonilor ar fi fost mai mare decat cel 

al electronilor pentru orice atom cu exceptia hidrogenului, ceea ce 

 ar fi echivalat cu imposibilitatea anularii sarcinii electrice totale a 

oricarui atom Z > 1! Or, aceasta este in evidenta contradictie cu 

observatiile experimentale, care aratau ca toti atomii sunt neutrii 

din punct de vedere electric.
   
     Prin urmare daca un atom are in componenta sa Z electroni, el 

trebuie sa aiba de asemenea Z protoni, pentru ai asigura neutralitate  

electrica .

      Deci, daca masa atomului este de A  ori mai mare decat masa 

protonului (A ≥ Z ), aceasta nu dovesete decat ca, pe langa cei Z 

protoni, atomul mai contine inca ( A - Z ) particule elementare de 

masa egala cu masa protonului, dar neutre din punct de vedere 

electric ( numai hidrogenul nu contine astfel de particule ).

     Din aceasta cauza, aceste particule descoperite de J.Chadwick 

(1932 ), au primit denumirea de neutroni. Notand asadar cu qn si m

sarcina electronului respectiv masa neutronului obtinem:




qn = 0

mn = 1,67 * 10 -24  g = 1,67 * 10-27 kg 
   

      Astfel devenea clar ca atomul are structura interna, fiind evidentiate trei tipuri de particule elementare care intra clar in alcatuirea sa: electronii; protonii ; neutronii.