Atomteori

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 vitenskapen på 1800-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.

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.

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.

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 og derfor ofte omtalt som rosinbollemodellen. Han mente at alle atomene var klemt sammen som klinkekuler.

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.

Niels Bohr satte i 1913 fram en teori for hydrogenatomet som sa at elektronet bare kunne gå i bestemte, sirkelformede baner rundt en positiv ladet atomkjerne. Siden er dette blitt kalt for Bohrs atommodell. I 1921 var denne blitt utvidet til en mer fullstendig atommodell hvor de negativt ladde elektroner også kan gå i ellipseformede baner bestemt ved Bohr-Sommerfeld-kvantisering.

I dag vet vi at en atomkjerne består av protoner og nøytroner. Et atom inneholder derfor de tre elementærpartiklene:

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

Her er massen angitt i enheter av atommasseenheten 1u = 1,661 · 10^-27kg og ladningene uttrykt ved elementærladningen e.

Et grunnstoff er karakterisert ved et atomnummer som er antall protoner i kjernen og angitt ved bokstaven Z. Dette er også lik antall elektroner det har i sin nøytrale tilstand og angir derfor dets kjemiske egenskaper. Samme grunnstoff kan ha forskjellige antall N nøytroner i kjernen og gir derfor opphav til forskjellige isotoper av det samme grunnstoffet. Forskjellige isotoper vil ha samme kjemiske egenskaper, men noe forskjellig masse gitt ved massetallet A = Z + N. Dette tallet angir derfor antall nukleoner i kjernen.

Et atom av grunnstoffet X betegnes vanligvis som

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\mathrm {X} }$

eller ofte bare ^AX. For eksempel, så består klorisotopen

${\displaystyle {}_{17}^{35}\mathrm {Cl} }$

av A = 35 nukleoner hvorav Z = 17 er protoner.

Et annet eksempel utgjør de tre isotopene til hydrogen:

${\displaystyle {}_{1}^{1}\mathrm {H} }$ Protium

${\displaystyle {}_{1}^{2}\mathrm {H} }$ Deuterium

${\displaystyle {}_{1}^{3}\mathrm {H} }$ Tritium (radioaktiv)

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

Elektronene i et grunnstoff inngår i forskjellige energinivåer som kan beregnes fra Schrödinger-ligningen. De tilsvarende løsningene av ligningen omtales som elektronkonfigurasjoner. Avhengig av kvantetallene kan de grupperes i det som kalles elektronskall som betegnes med bokstavene K, L, M,N og O. Elektronene i K-skallet er innerst med lavest energi, mens elektronene i O-skallet er ytterst og minst bundet til atomkjernen. Hvert skall er karakterisert ved et hovedkvantetall n slik at K-skallet har n = 1, L-skallet n = 2, etc.

Hvert slikt hovedskall er delt opp i forskjellige nivå som kalles underskall som igjen består av forskjellige orbitaler. Hver orbital er angitt ved et nytt, asimutalt kvantetall som kan anta verdiene l = 0,1, 2,...,n -1. De har navn etter foreldede beskrivelser av linjene som opptrer ved spektroskopi. Derfor kalles l = 0 for en s-orbital etter skarp, l = 1 for en p-orbital etter principal, l = 2 for d-orbital etter diffus. Deretter følger en f-orbital etter fundamental med l = 3 og en g-orbital.

Det magnetiske kvantetallet m for en orbital med gitte verdier av kvantetallene n og l, kan kun ha 2l + 1 forskjellige verdier. Samtidig kan spinn-kvantetallet kun ta to verdier tilsvarende opp eller ned. Pauli-prinsippet forlanger så at alle kvantetallene for et elektron må være forskjellige. Derfor vil orbitalen maksimalt inneholde 2(2l + 1) elektroner. En s-orbital kan maksimalt ha 2 elektroner, en p-orbital 6, en d-orbital 10 osv. Et skall med hovedkvantetall n har da i alt plass til 2n² elektroner.

Dette gir da antall ledige plasser i de forskjellige skallene:

• 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.
• O-skallet har fem nivåer da det i tillegg er plass til en g-orbital med 18 elektroner. I alt har dette skallet da plass til 50 elektroner.

Når disse ledige plassene skal fylles med elektroner, gjelder tre regler:

• Aufbau-prinsippet: Elektronene i atomene går alltid til den lavest mulige energikonfigurasjon.
• Pauli-prinsippet: To elektroner kan ikke være i samme kvantetilstand.
• Hunds regel: Den meste stabile konfigurasjonen er når hvert undernivå er enkelt okkupert, så langt det er mulig.

På grunn av vekselvirkningen mellom elektronene, kan et d-nivå ligge mellom p- og s-nivået. Hvis man beregner disse energiene, ser man at for eksempel 3d ligger mellom 4p og 4s. Derfor etterfylles det 3. skallet etter at det 4. skallet har blitt fylt. Dette kan gi forskjellige grunnstoffer ganske like, kjemiske egenskaper da det er elektronene i det ytterste orbitalene som bestemmer disse.

I Bohrs atommodell forstilte man seg elektronbanene i atomet på samme måte som planetbanene rundt Solen. Men i den mer nøyaktige beskrivelsen som følger fra kvantemekanikken, er elektronene i stedet beskrevet ved bølgefunksjoner hvis absolutte kvadrat som angir sannsynligheten for at elektronene finnes på bestemte plasser. Derfor sier man ofte at denne kontinuerlige fordelingen av elektronsannsynligheten tilsvarer at de danner en mer eller mindre tett sky rundt atomkjernen. Hvor skyen er tett, er det stor sannsynlighet for å finne elektroner og tilsvarende liten sannsylighet der skyen er tynn.

• 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)

For eksempel

${\displaystyle {}_{35}^{80}\mathrm {Br} }$

har 35 elektroner. Massen er tilnærmet 80 u. Da elektronkonfigurasjonen er 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁵, inngår 4 skall og brom er derfor plassert på 4 vannrette rad. Det er også i hovedgruppe VII, fordi det har 7 elektroner i sitt valensskall n = 4.

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.

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 = mc².