Ατομική δομή

Μια μικροσκοπική μονάδα κάθε γνωστής ύλης που καταλήγει ως χημικό στοιχείο υπάγεται στον όρο άτομο. Έχει μέγεθος περίπου 100 πικομέτρων. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου οφείλεται στον πυρήνα. Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα (στο μέσο ή στο κέντρο) που έχει νετρόνια και πρωτόνια, και τα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι αρνητικά σε φορτίο, περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.

Λόγω της φύσης της κβαντικής μηχανικής, καμία εικόνα δεν είναι πλήρως ικανή να προβλέψει τις διαφορετικές ιδιότητες ενός ατόμου και οι φυσικοί πρέπει να έχουν χρησιμοποιήσει συμπληρωματικές ή διαφορετικές εικόνες του ατόμου για να εξηγήσουν τις διαφορετικές ιδιότητές τους. Τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο συμπεριφέρονται σαν σωματίδια όταν περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Αλλού, το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται επίσης σαν ένα κινούμενο κύμα γύρω από τον πυρήνα. Ένα τέτοιο μοτίβο κυμάτων, που αναφέρεται ως τροχιά, αντιπροσωπεύει την κατανομή μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Η συμπεριφορά ή η φύση των ατόμων επηρεάζεται έντονα από αυτές τις τροχιακές ιδιότητες, η χημεία των οποίων μπορεί να προσδιοριστεί από μια ομάδα τροχιακών που ονομάζονται κελύφη.

Ελλείψει φορτίου, τα νετρόνια δεν απωθούνται από νέφη ηλεκτρονίων ή πυρήνες, καθιστώντας τα ένα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη της δομής των ατόμων. Λόγω της παρουσίας διαφορετικών αριθμών σωματιδίων υπομονάδων στα άτομα, έχουν ξεχωριστές ιδιότητες για διαφορετικά άτομα.

Αυτός είναι ο λόγος για τις μοναδικές ιδιότητες των διαφόρων στοιχείων.

Βασικές ορολογίες ατομικής δομής

1. Ατομικός αριθμός :Αυτή είναι μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες ενός ατόμου (συνήθως υποδεικνύεται με το γράμμα Z). Μπορεί να εκφραστεί ως ο αριθμός των μονάδων θετικού φορτίου ή πρωτονίου στον πυρήνα.
2. Ατομική μάζα :Τα νετρόνια είναι ο βασικός λόγος για τη μάζα του ατόμου και μπορούν να επηρεάσουν το ίδιο αλλάζοντας τον αριθμό του, αλλά όχι τη χημεία του. Επομένως, ένας πυρήνας με 4 πρωτόνια και 4 νετρόνια έχει την ίδια χημεία με έναν πυρήνα με 4 πρωτόνια και 8 νετρόνια, αν και οι δύο μάζες είναι διαφορετικές.
3. Ηλεκτρον :J.J. Ο Thomson ανακάλυψε για πρώτη φορά την παρουσία ηλεκτρονίων στον πυρήνα το 1897, σηματοδοτώντας την αρχή της σύγχρονης επιστήμης. Πολλές από τις ιδιότητες των ατόμων εξαρτώνται από τον αριθμό και τις διατάξεις των ηλεκτρονίων που υπάρχουν. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 9,1*10-31kg.
4. Proton :Το πρωτόνιο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Sir Ernest Rutherford το 1919. Έχει το ίδιο φορτίο αλλά είναι αντίθετο με ένα ηλεκτρόνιο. Η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1,67*10-27kg.
5. Νετρόνιο :Τα νετρόνια είναι ένας άλλος τύπος σωματιδίου που βρίσκεται στον πυρήνα και ανακαλύφθηκαν από τον Sir James Chadwick, έναν Βρετανό φυσικό. Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο και έχουν την ίδια μάζα με τα πρωτόνια.
6. Πυρήνας :Το πρωτόνιο και το νετρόνιο, που έχουν παρόμοια μάζα και είναι ουσιαστικά πιο βαριά από το ηλεκτρόνιο, είναι τα θεμελιώδη συστατικά του πυρήνα. Και τα δύο έχουν μαγνητικά πεδία που είναι εγγενή σε αυτά. Μια πιο ακριβής αναπαράσταση του πυρήνα θα ήταν ένα καζάνι που βράζει γεμάτο με εκατοντάδες διάφορα είδη σωματιδίων που σωρεύονται γύρω από πρωτόνια και νετρόνια.
7. Τροχίες και ενεργειακά επίπεδα :Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να υπάρχουν σε οποιαδήποτε τυχαία απόσταση από τον πυρήνα. μπορούν να κατοικούν μόνο σε ορισμένες περιοχές γνωστές ως επιτρεπόμενες τροχιές. Η γωνιακή ορμή ενός ηλεκτρονίου σε τροχιά είναι απαραίτητη, όπως όλα τα άλλα στον κβαντικό κόσμο.
8. Κελύφη ηλεκτρονίων :Ένα κέλυφος αποτελείται από όλα τα τροχιακά με την ίδια τιμή n. Ενδέχεται να υπάρχουν υποκέλυφοι που αντιστοιχούν σε ποικίλους ρυθμούς σπιν και προσανατολισμό τροχιακών, καθώς και προσανατολισμούς σπιν ηλεκτρονίων, μέσα σε κάθε κέλυφος. Γενικά, όσο πιο μακριά είναι ένα κέλυφος από τον πυρήνα, τόσο περισσότερα υποκέλυφα έχει.
9. Ατομικά τροχιακά :Τα ηλεκτρόνια γεμίζονται στα επίπεδα κελύφους και υποφλοιού με ημικανονικό τρόπο. Τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν στο υποκέλυφος s δεύτερου επιπέδου και στη συνέχεια στο υποκέλυφος p αφού γεμίσουν το πρώτο επίπεδο φλοιού (με μόνο ένα υποκέλυφος).
10. Ατομικά ομόλογα :Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια των ατόμων μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς με τρεις διαφορετικούς τρόπους. Είναι δυνατή η μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα άτομο στο άλλο. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να μοιράζονται μεταξύ ατόμων σε κοντινή απόσταση.

Ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός ατόμου

Χρησιμοποιούνται διαφορετικές αρχές για την πλήρωση του ηλεκτρονίου στα τροχιακά s,p,d και f.

1. Η αρχή του Aufbau :Τα ηλεκτρόνια πρέπει να γεμίζονται με τον αυξανόμενο τρόπο ενέργειας των τροχιακών:Τα χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα θα πρέπει να γεμίζονται πρώτα, ακολουθούμενα από τα υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Η επιθυμητή σειρά ενέργειας είναι 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d.
2. Αποκλεισμός του Pauli :Δηλώνει ότι δύο ηλεκτρόνια δεν μπορούν να έχουν τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς, τα ηλεκτρόνια που έχουν αντίθετο σπιν μπορούν να τοποθετηθούν στην ίδια ενεργειακή κατάσταση.
3. Κανόνας του Χουντ :Αυτός ο κανόνας δηλώνει ότι όταν γεμίζονται ίδια ενεργειακά τροχιακά που ονομάζονται εκφυλισμένο τροχιακό, όλα τα εκφυλισμένα τροχιακά πρέπει πρώτα να γεμίζονται μεμονωμένα, και στη συνέχεια να γίνεται σύζευξη.

Συμπέρασμα 

Κάθε μονάδα οποιασδήποτε συνηθισμένης ύλης που καταλήγει ως χημικό στοιχείο ονομάζεται άτομο. Έχει μέγεθος περίπου 100 πικομέτρων. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου οφείλεται στον πυρήνα. Τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα που έχει πρωτόνια και νετρόνια, τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά σε φορτίο και περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Λόγω της παρουσίας διαφορετικών αριθμών σωματιδίων υπομονάδων στα άτομα, έχουν διακριτές ιδιότητες για διαφορετικά άτομα. Αυτός είναι ο λόγος για τις μοναδικές ιδιότητες των διαφόρων στοιχείων.

Τρεις κανόνες χρησιμοποιούνται για την πλήρωση ηλεκτρονίων στα τροχιακά:η αρχή του Aufbau, η αρχή του αποκλεισμού του Pauli και ο κανόνας του Hund.