ΗΑτομικήΘεωρίακαιη ΗλεκτρονιακήΔομή

Transcript

1 ΗΑτομικήΘεωρίακαιη ΗλεκτρονιακήΔομή Μια Ιστορική Προσέγγιση Κατερίνα Σάλτα 2012 Προσαρμογήαπότηνπαρουσίαση Atomic theory and Electronic Structure: A Visual-Historic Approach του David A. Katz, Department of Chemistry Pima Community CollegeTucson, AZ U.S.A.

2 Θεωρίεςτηςύλης Η πρώτη γνήσια επιστημονική σκέψη αποδίδεται στον Θαλή τον Μιλήσιο, που έζησε τον6 ο αιώναπ.χ.στημίλητοτηςιωνίας. Πρότεινετονερόωςτηνπρωταρχικήύληαπότην οποίαπροέρχονταιταπάντα. Του αποδίδεται επίσης ο ορισμός της ψυχής ως αυτό πουδιέπεταιαπότηναιώνιακίνηση. ΟΑναξιμένης(6 ος αιώναςπ.χ.) Υποστήριξε ότι ο αέρας είναι η πρωταρχική ουσία. Και πρότεινε ότι θα μπορούσε να μετατραπεί σε άλλες ουσίες με αραίωση(φωτιά) ή με συμπύκνωση (γη, νερό).

3 Ο Ηράκλειτος, Έφεσος(6ος αιώνας π.χ.) Η φωτιά είναι η πρωταρχική ουσία Ο κόσμος βρίσκεται σε μια κατάσταση συνεχούς μεταβολής. Ο Εμπεδοκλής, Σικελία(5ος αιώνας π.χ.) Τουαποδίδεταιηέννοιατωντεσσάρωνστοιχείων: γη, αέρας, φωτιά και νερό, τα οποία συνδεόμενα μεταξύ τους σχηματίζουν όλες τις άλλες ουσίες. Πλάτωνας Αριστοτέλης, Αθήνα(4ος αιώνας π.χ.)

4 Πλάτωνας Αριστοτέλης, Αθήνα(4ος αιώνας π.χ.) Ο Πλάτωνας στο έργο του Τίμαιος υιοθετεί τα τέσσερα στοιχεία του Εμπεδοκλή, και ο Αριστοτέλης εισάγει μια πέμπτη ουσία στην περιοχή πέρα από τη σελήνη. Ο Πλάτωνας ανάγει τη θεωρία της ύλης σε μια μαθηματική και γεωμετρική βάση χρησιμοποιώντας γεωμετρικά στερεά γιανααναπαραστήσειταβασικάστοιχεία. κύβος= γη οκτάεδρο = αέρας τετράεδρο = φωτιά εικοσάεδρο = νερό δωδεκάεδρο = αιθέρας

5 Λεύκιππος Δημόκριτος(5ος αιώνας π.χ) Διατυπώνουν την πρώτη ατομική θεωρία Όλα τα υλικά αποτελούνται από μικρά μη ορατά σωματίδια, τα άτομα, τα οποία είναι όλα ποιοτικά παρόμοια, διαφέροντας μόνο στο μέγεθος, το σχήμα, τη μάζα. Τα άτομα, σύμφωνα με το Δημόκριτο, υπάρχουν μέσα σε κενό χώρο, ο οποίος τα διαχωρίζει και τους επιτρέπει να κινούνται. (Πρώτη κινητική θεωρία)

6 Ο Robert Boyle ( ) Διατύπωσε την υπόθεση της παγκόσμιας ύλης και την έννοια των ατόμων με διαφορετικό μέγεθος και σχήμα Όρισε το χημικό στοιχείο (The ScepticalChymist, 1661) Και, γιανααποτρέψωταλάθη, θαήθελανα σαςτονίσω, ότιτώραεννοώμεταστοιχεία, αυτά που μιλούν οι Χημικοί(Chymists) σαφέστατα κάνει με Αρχές τους, αναμφίβολα Πρωταρχικά και Απλά, ή τέλεια αμιγή σώματα (δηλαδή που δεν είναι κατασκευασμένα από οποιοδήποτεάλλασώματα, ήτοένατοάλλο) είναιτασυστατικάαπόταοποίαόλααυτά που ονομάζονται μικτά σώματα είναι παρασκευασμένα, και σε αυτά στα οποία τελικά θα αναλυθούν. Δεν μπόρεσε να δώσει κάποιο παράδειγμα στοιχείου που να ταιριάζει στον ορισμό του.

7 Ο Sir Isaac Newton ( ) Τροποποίησε την ατομική θεωρία θεωρώντας τα άτομα ως σκληρά σωματίδια με ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους

8 Συμβάντα που Οδήγησαν στη Σύγχρονη Ατομική Θεωρία Henry Cavendish ( ) Αναφλέξιμοςαέρας, Υδρογόνο, 1766 Joseph Priestley ( ) and Carl Wilhelm Scheele ( ) Αποφλογισμένοςαέρας/ Οξυγόνο, 1774

9 Συμβάντα που Οδήγησαν στη Σύγχρονη Ατομική Θεωρία Antoine Laurent Lavoisier ( ) (καιmarie-anne PierrettePaulzeLavoisier ( )?) Ερμηνεία της καύσης, 1777 Χημικά στοιχεία in Traité élémentaire de chemie, 1789

10 ΗΑτομικήΘεωρία John Dalton ( ) ΝέοσύστημαΧημικήςΦιλοσοφίας, 1808 Όλα τα σώματα αποτελούνται από έναν τεράστιο αριθμό υπερβολικά μικρών σωματιδίων, ή ατόμων της ύλης συνδεδεμένων μεταξύ τους με ελκτικές δυνάμεις Ταθεμελιώδηάτομαόλωντων ομογενών σωμάτων είναι εντελώς όμοια σε βάρος, σχήμα, κλπ.

11 ΗΑτομικήΘεωρία Τα άτομα έχουν καθορισμένα σχετικά βάρη «εκφρασμένα σε άτομα υδρογόνου, το καθένα από τα οποία υποδηλώνει μια μονάδα» Τα άτομα συνδέονται με απλές αριθμητικές αναλογίες για να σχηματίσουν ενώσεις Κάτω από δεδομένες πειραματικές συνθήκες ένα συγκεκριμένο άτομο πάντα συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο Ταάτομαείναιάφθαρτα

12

13 Τα σύμβολα του Dalton, 1808

14 Τα ατομικά βάρη του Dalton, 1808

15 Jon Jakob Berzelius, 1813: Γράµµατα για σύµβολα χηµικών στοιχείων Name Symbol Name Symbol Name Symbol Name Symbol Oxygen O Tungsten Tn Palladium Pa Uranium U Sulphur S Antimony Sb Silver Ag Cerium Ce Phosphorus P Tellurium Te Mercury Hg Yttrium Y Muriatic radicle (chlorine) Fluoric radicle M Columbium (nioblium) Cl Copper Cu Glucinum (beryllium) F Titanium Ti Nickel Ni Aluminum Al Gl Boron B Zirconium Zr Cobalt Co Magnesium Ms Carbon C Silicium Si Bismuth Bi Strontium Sr Nitric radicle N Osmium Os Lead Pb Barytium Ba Hydrogen H Iridium I Tin Sn Calcium Ca Arsenic As Rhodium Rh Iron Fe Sodium So Molybdenum Mo Platinum Pt Zinc Zn Potassium Po Chromium Ch Gold Au Manganese Ma

16 Μέρητουατόμου τοηλεκτρόνιο Heinrich Geissler ( ) Julius Plücker( ) Οισωλήνεςκενού φωτοβολούν, 1859 Οι φωτεινές ακτίνες επηρεάζονται από το μαγνήτες

17 William Crookes ( ) Επιβεβαίωσε τις προηγούμενες παρατηρήσεις, 1879 Οι φωτεινές ακτίνες Απαρτίζονται από σωματίδια Έχουν αρνητικό φορτίο

18 Joseph John Thomson ( ) e/m= x 10 8 coulomb/gram -1897

19 Robert Millikan ( ) Πείραμα της σταγόνας λαδιού 1909 e = x coulomb N = x molecules/g-molecule

20 Μέρητουατόμου τοπρωτόνιο Eugen Goldstein ( ) Διαυλικές ακτίνες- 1886

21 Μέρητουατόμου τονετρόνιο James Chadwick ( ) Ανακάλυψε το νετρόνιο 1932

22 Ταυποατοµικάσωµατίδια Particle Symbol Charge coulomb Mass g Relative Charge Relative Mass amu 0 electron 1eor e x x proton p or H x x n 1 1 or 0 n neutron x

23 Μοντέλατουατόµου Philipp Lenard ( ) Δυναμίδια 1903 Hantaro Nagaoka( ) Μοντέλο του Κρόνου- 1904

24 J. J. Thomson Σταφιδόψωμο 1904 Βασίζεται ενμέρειστο πείραμα των μαγνητών πουεπιπλέουντουa. M. Mayer s ( ) A. M. Mayer

25 Υποθέτουμε ότι το άτομο αποτελείται από έναν αριθμό σωματιδίων κινούμενων σε μια σφαίρα με ομοιόμορφη θετική ηλέκτριση Όταν τα σωματίδια υποχρεώνονται να κινηθούν σε ένα επίπεδο τα σωματίδια τακτοποιούνται σε μια σειρά από ομόκεντρους δακτυλίους. Όταν τα σωματίδια δεν υποχρεώνονται να κινηθούν σε ένα επίπεδο, αλλά μπορούν να κινηθούν σε όλες τις κατευθύνσεις, θα τακτοποιηθούν σε μια σειρά από ομόκεντρες στοιβάδες J. J. Thomson, 1904 Photo Reference: Bartosz A. Grzybowski, Howard A. Stone and George M. Whitesides, Dynamic self-assembly of magnetized, millimetre-sized objects rotating at a liquid air interface, Nature 405, (29 June 2000)

26 Ernest Rutherford ( ) Hans Geiger and Ernest Marsden 1908 Οι Geiger και Marsden έκαναν πειράματα σκεδασμού των σωματιδίων άλφα όταν περνούν μέσα από λεπτά ελάσματα μετάλλων, όπως αργίλιο, άργυρο, χρυσό, λευκόχρυσο, κλπ. Μια λεπτή δέσμη σωματιδίων άλφα κάτω από τέτοιες συνθήκες σκεδάζεται κατά μία ή δύο μοίρες και η ποσότητα της σκέδασης,, διαφέρει ανάλογα με τη τετραγωνική ρίζα του πάχους ή του πιθανού αριθμού ατόμων που συναντά και κατά προσέγγιση ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του ατομικού βάρους του μετάλλου που χρησιμοποιείται. Recollections by Sir Ernest Marsden, J. B. Birks, editor, Rutherford at Manchester, W. A. Benjamin Inc., 1963

27 Σε μια συζήτηση με τον Geiger, σχετικά με τον Ernest Marsden, ο Rutherford δήλωσε ότι συμφωνώ με τον Geiger ότι ο νέος Marsden, τον οποίο εκπαιδεύει στις ραδιενεργές μεθόδους, πρέπει να ξεκινήσει μια έρευνα. Γιατί να μην τον αφήσει να δει αν κάποια σωματίδια-α μπορούν να σκεδαστούν σε μια μεγάλη γωνία; Δεν πιστεύω ότι θα μπορούν Recollections by Ernest Rutherford, J. B. Birks, editor,rutherford at Manchester, W. A. Benjamin Inc., 1963 Οι παρατηρήσεις, ωστόσο, των Geiger και Marsden** στην σκέδαση των ακτινών-α δείχνει ότι κάποια από τα σωματίδια-α, περίπου 1 στα , στρέφονταν κατά μία μέση γωνία 90 μοιρών περνώντας μέσα από ένα φύλο χρυσού πάχους περίπου cm, Φαίνεται λογικό να υποθέσουμε ότι η εκτροπή κατά μία μεγάλη γωνία οφείλεται σε μια απλή ατομική πρόσκρουση, ** Proc. Roy. Soc. lxxxii, p. 495 (1909) *** Proc. Roy. Soc. lxxxiii, p. 492 (1910)

28 Από τα πειραματικά αποτελέσματα, ο Rutherford συμπέρανε ότι το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του ατόμου είναι συγκεντρωμένο σε έναν μικρό πυρήνα και ότι το θετικό φορτίο στον πυρήνα έχει μια αριθμητική τιμή περίπου ίση με το μισό του ατομικού βάρους. Recollections by Sir Ernest Marsden, J. B. Birks, editor, Rutherford at Manchester, W. A. Benjamin Inc., 1963

29 ΤοΑτομικό Μοντέλοτου Rutherford Το άτομο είναι κατά το πλείστον άδειος χώρος με έναν πυκνό πυρήνα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια εντοπίζονται στον πυρήνα. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Τα ηλεκτρόνια εντοπίζονται στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Τα άτομα είναι πολύ-πολύ μικρά: η διάμετρος ενός ατόμου υδρογόνου είναι 6.1 x m (61 pm)

30 ΤομοντέλοτουBohr-1913 Niels Bohr ( )