Noțiuni De Fizica Atomică. Spectre Atomice 2f5e28

NOȚIUNI DE FIZICA ATOMICĂ 1.INTRODUCERE. BAZELE EXPERIMENTALE ALE FIZICII ATOMICE Conceptul de atom apare pentru prima dată în anul 450 î.d.Ch., când Leucip elaborează o teorie conform căreia materia nu este infinit divizibilă și introduce noțiunea de atom. Atomos (ἄτομος) în limba greacă însemnând indivizibil. Democrit, un discipol al lui Leucip, dezvoltă această teorie și concluzionează că materia este alcătuită din niște particule invizibile, indivizibile și eterne numite atomi. Aici trebuie să remarcăm că această teorie se bazează pe considerente pur filozofice și nu pe fapte experimentale. De asemenea trebuie remarcat faptul că această teorie a marcat atât evoluția filozofiei materialiste despre lume și viață, cât și dezvoltarea și evoluția științelor naturii. Concepția modernă de atom și moleculă a fost creată de chimie și ulterior preluată de fizică. Implementarea teoriei atomiste în fizică s-a produs în trei etape. A. Prima etapă în evoluția teoriei atomiste despre atom s-a produs în anul 1808, când chimistul englez John Dalton a făcut următoarele remarci: a)Elementele chimice sunt realizate din particule extrem de mici, numite atomi. b) Atomii unui element chimic sunt identici ca dimensiune, masă, și alte proprietăți. c)Atomii nu pot fi divizați, creați, sau distruși. d) Atomii diferitelor elemente se combină într-un raport simplu pentru a forma compuşi chimici, care exprimă legea proporțiilor definite, așa cum este cunoscută în chimie. e)În reacţii chimice, atomii se combină, se separă, sau se reordonează. B. Etapa a doua a avut loc în anul 1811, când chimistul italian Amedeo Avogadro a enunțat legea care-i poartă numele: Volume egale ale gazelor, la aceeași temperatură și presiune, conțin același număr de particule (sau molecule), NA, cunoscut sub numele de numărul lui Avogadro. C. Etapa a treia și ultima s-a produs în anul 1866, când J.C. Maxwell și L. Boltzman, independent unul de altul au pus bazele teoriei cinetico-moleculare a gazelor, teorie verificată experimental de A. Einstein în anul 1905, explicând mișcarea Browniană. Trebuie să remarcăm că Teoria cineticomoleculară a gazelor este prima formă a teoriei fizice despre atom și că în tot acest timp nu s-a cunoscut nimic despre structura atomului 2.SPECTRE ATOMICE Sursa de lumină este un corp care datorită unor fenomene fizico-chimice, care se produc în interiorul ei, poate să emită lumină. Cel mai simplu mod de a produce lumină este să aducem corpul într-o stare înaltă de încălzire, numită stare de incandescență, dar sunt și alte metode, de ex. utilizarea unui câmp electric, sau bioluminiscența. Lumina, așa cum am văzut deja, este un amestec radiații electromagnetice, un pachet de unde. Dar sursele de lumină emit în același timp și radiații electromagnetice invizibile cu ochiul liber precum radiațiile infraroșii IR, radiațiile ultraviolet UV, sau radiațiile X. Trecând prin anumite medii, numite dispersive, lumina se separă în culorile componente. Acest fapt se vede atunci când se formează curcubeul, lumina trece prin picăturile de apă din atmosferă, sau dacă utilizăm o prismă optică. Studiind diferite surse de lumină, oameni de știință au observat că lumina produsă de acestea este specifică fiecărei surse. Combinația de unde electromagnetice emisă de o anumită sursă se numește SPECTRU. Cuvântul vine din limba latină spectrum = imagine. Spectrul este deci imaginea, amprenta luminii. În Fig. 1 este prezentat spectrul de emisie al Soarelui. Acest spectru se mai numește și spectru continuu. Soarele este singura sursă Fig. 1. de lumină care emite toate radiațiile electromagnetice, de aceea spectrul său se numește spectru continuu. Toate celelalte surse emit doar anumite combinații de culori, adică au 1

spectre discontinue, sau discrete. Aparatul folosit pentru descompunerea luminii în culorile componente este numit spectrograf. În Fig. 2 sunt prezentate schematic părțile componente ale unui spectrograf, precum și spectrul de emisie al hidrogenului. Se observă că acest spectru conține doar 4 linii, de fapt 4 culori. Acest tip de spectru se numește spectru de linii. Alte substanțe aduse la incandescență vor emite alte linii spectrale. De ex. dacă presărați puțină sare de bucătărie în flacăra aragazului veți observa ca flacăra se colorează galben. Acest lucru se datorează sodiului, din compoziția chimică a sării de bucătărie. Dacă turnați spirt, de exemplu medicinal, pe o bucată de vată și îi dați foc o să observați că flacăra are culoare albăstruie, de asemenea observați culoarea flăcării aragazului și așa mai departe. Acest fenomen este folosit încă din antichitate, în diferite ocazii, pentru obținerea flăcărilor de diferite culori, sau la fabricarea artificiilor.

Fig. 2. Clasificarea spectrelor a) Dacă substanța emițătoare de lumină este în stare atomică, ex. hidrogenul, sodiul, mercurul, etc. atunci spectrul este un spectru de linii, Fig. 3a). b) Dacă substanța care emite lumina este în stare moleculară, ex. petrolul, metanul, alcoolul, etc. atunci spectrul caracteristic va fi alcătuit dintr-o succesiune de linii mai late, numite benzi Fig. 3. spectrale, iar spectrul respectiv se va numi spectru de bandă, Fig. 3b). c) Dacă lumina care provine de la o anumită sursă, înainte de a trece prin spectrograf trece printr-un mediu oarecare, ea va suferi un proces de absorbție. În acest caz spectrul va fi un spectru de absorbție, Fig. 3c). ATENȚIE! Într-un spectru de absorbție liniile spectrale care lipsesc (liniile negre) sunt specifice mediului absorbant, mediul prin care trece lumina. De exemplu, dacă într-un spectru al luminii care a străbătut un anumit mediu lipsesc liniile cu lungimile de undă 410nm, 434nm, 486,1nm, 656,2nm atunci mediul absorbant conține și hidrogen. Aceste observații au condus oamenii de știință la ideea că studierea spectrelor poate fi utilă în analiza fizico-chimică a diferitelor materiale. Așa a luat naștere analiza spectrală, care poate fi: a. analiza spectrală calitativă: în funcție de compoziția spectrului se pot face aprecieri în ce privește compoziția chimică a unui compus; b. analiza spectrală cantitativă: în funcție de intensitatea luminoasă a liniei spectrale se pot face aprecieri în ce privește concentrația unei substanțe dintr-un compus. 3. SERII SPECTRALE Încă de la începutul studierii spectrelor oamenii de știință au fost de acord că liniile spectrale dintr-un spectru nu sunt dispuse la întâmplare, ci respectă o anumită lege. Care este această lege o să vedem puțin mai târziu. Multe substanțe emit spectre sărace în linii, în domeniul vizibil. Acest fapt face ca analiza spectrală să fie dificilă. În această situație, oamenii de știință au înregistrat spectrele diferitelor substanțe în domeniile radiațiilor invizibile: IR, UV sau X. În aceste domenii spectrele s-au dovedit 2

generoase în linii și deci, s-au putut obține mai multe informații despre substanța respectivă. Un exemplu în acest caz este spectrul fierului, care are puține linii în domeniul vizibil, dar este generos în domeniul UV. Pentru a sistematiza observațiile referitoare la diferitele spectre, aceste au fost grupate corespunzător domeniilor de radiație și astfel au fost definite seriile spectrale. Spectrele obținute în domeniul radiației vizibile au fost grupate și formează seria spectrală Balmer. Spectrele obținute în domeniul radiației UV au fost grupate și formează seria spectrală Lyman. Și așa mai departe, în domeniul IR apropiat seria spectrală se numește Paschen, în domeniul IR mediu seria Brackett, sau IR îndepărtat seriile Pfund și Humphrey. Pentru a concluziona cele remarcate mai sus, Balmer și ulterior J. Rydberg au dat o formulă empirică cu ajutorul căreia se putea calcula lungimea de undă a unei anumite linii spectrale:  1 1 1 ~   R 2  2    n1 n2  ~ 7 -1 Unde  se numește număr de undă, iar R = 1,097373∙10 m este constanta lui Rydberg, A. Dacă n1=1, iar n2=2, 3, 4,… seria spectrală se numește Lyman. B. Dacă n1=2, iar n2=3, 4, 5,… seria spectrală se numește Balmer. C. Dacă n1=3, iar n2=4, 5, 6,… seria spectrală se numește Pashen. D. Dacă n1=4, iar n2=5, 6, 7,… seria spectrală se numește Brackett. E. Dacă n1=5, iar n2=6, 7, 8,… seria spectrală se numește Pfund. F. Dacă n1=6, iar n2=7, 8, 9,… seria spectrală se numește Humphrey. 4. STRUCTURA ATOMULUI 4.1 FENOMENE CARE AU CONDUS LA DESCOPERIREA ELECTRONULUI Conceptul atomic al substanței a pătruns în teoria electricității independent de teoria gazelor, dar cam în aceeași perioadă. În anul 1834 M. Faraday a descoperit legea echivalentelor electrolitice, care spune că o moleculăgram de ioni monovalenți, indiferent de natura lor, poartă o anumită sarcină electrică. Dacă ionii sunt bivalenți sarcina electrică este dublă, și așa mai departe. Pornind de la această observație, fizicienii au ajuns la concluzia că fiecărui ion i se poate atribui un anumit număr de sarcini elementare. Este de remarcat faptul că pornind de la legile electrolizei s-a putut stabili, în mod indirect, valoarea sarcinii -19 electrice elementare: e = 1,6∙10 C. Considerarea electronului drept particulă elementară purtătoare de sarcină electrică negativă a fost susținută către fizicianul irlandez George Johnstone Stoney în 1874, care a și inventat termenul de electron, în anul 1894. Etimologic vorbind, termenul de electron provine din limba greacă ήλεκτρον (electron) = chihlimbar. Tot în această perioadă s-a declanșat și bătălia pentru „deconspirarea” atomului! În anul 1876 E. Goldstein, studiind trecerea curentului electric prin gazele rarefiate, în așa numitele tuburi Crookes, a observat o radiație care pleacă de pe suprafața catodului, pe care a numit-o rază, sau radiație catodică. Inițial natura acestei radiații a fost vehement contestată, totuși proprietățile ei erau evidente: a) Provoacă fluorescența unor substanțe; b) Se propagă în linie dreaptă; c) Sunt emise după o direcție perpendiculară pe suprafața catodului; d) Au energie cinetică; e) Impresionează placa fotografică; f) Generează raze X; g) Sunt deviate în câmpuri electrice și magnetice. În anul 1897, J.J. Thomson studiind razele descoperite de Goldstein a stabilit că acestea sunt alcătuite din fluxuri de particule universale, independente de natura gazului, sau de materialul din care este confecționat catodul, cu sarcină electrică negativă, pe care le-a identificat ca fiind chiar electronii.

3

4.2 MODELE DE ATOM A.MODELUL THOMSON. Problema indivizibilității atomului, ca particulă constituentă a substanței, rămâne valabilă doar în chimie, în cazul reacțiilor chimice, sau în teoria cineticomoleculară a gazelor, în cazul proceselor de ciocnire dintre atomi. În fizică, problema indivizibilității atomului a fost desființată abia acum, în urma observațiilor lui Thomson! Ca urmare a acestor observații, ideea care se desprinde în mod logic este că atomul este alcătuit dintr-un amestec de sarcini electrice pozitive și negative, în cantități egale. Neutralitatea atomului din punct de vedere electric rămâne incontestabilă! Pornind de la aceste observații J.J. Thomson, în anul 1904, afirmă că atomul este o sferă de sarcină electrică pozitivă, în care există niște mici sfere încărcate cu sarcină electrică negativă, electronii, Fig. 4. Pentru a-și primi acreditarea, acest model trebuia să fie verificat experimental. Ca o observație amuzantă, chiar de la început, modelul a fost privit cu suspiciune și numit, în glumă, „modelul budincă cu stafide” ! EXPERIMENTUL RUTHERFORD. În 1909 Ernest Rutherford a imaginat un experiment, în acest sens, folosind o sursă de particule alfa şi o foiţă foarte subțire de aur, Fig. 5. Teoretic, Fig. 4. conform modelului atomic elaborat de Thomson, particulele α trebuiau să fie deviate cu câteva grade la trecerea prin foița de aur, din cauza forțelor electrostatice. Experimental, s-a constatat, însă, că unele dintre ele erau deviate cu unghiuri mai mari decât 90° sau chiar cu 180°. Acest fapt a fost explicat prin existența unei neuniformități a distribuției de sarcină electrică în interiorul atomului. Pe baza observațiilor efectuate, Rutherford a propus un nou model, conform căruia atomul este o sferă de rază -10 aprox. r = 10 m, în care sarcina pozitivă era concentrată într-o zonă restrânsă, în centrul atomului, numită nucleu, de rază -15 aprox. r = 10 m. Fig. 6 Electronii se rotesc pe traiectorii circulare, în jurul nucleului, Fig. 5 precum planetele în jurul Soarelui. Din acest motiv, modelul Rutherford al atomului a primit denumirea de modelul planetar al atomului, Fig. 6.

4