Modelul cuantic al atomului
Modelul cuantic al atomului reprezintă o schimbare fundamentală sub aspect grafic al modelului atomic în comparaţie cu atomul lui Bohr. Fizicieni ca Heinsenberg, Schrödinger ori Dirac au eliminat orbitele clasice ale electronilor şi le-au înlocuit cu orbitali, volume spaţiale caracterizate de probabilitatea prezenţei electronilor.
MODELUL CUANTIC AL ATOMULUI – PE SCURT
Principalele caracteristici ale modelului cuantic al atomului sunt următoarele:
- starea atomului este descrisă de funcţii matematice;
- atomul este constituit din nucleu (quarcuri care formează protoni şi neutroni) şi electroni distribuiţi în jurul nucleului;
- electronii nu se mişcă pe orbite fixe în jurul nucleului, ci ocupă orbitali cu diferite forme, funcţie de tipul de atom;
orbitalul reprezintă volumul din spaţiul din jurul nucleului caracterizat de o mare probabilitate de a găsi electroni;
- nivelurile de energie sunt compuse din mai multe substraturi energetice;
- nici un orbital nu conţine electroni identici (cu aceleaşi numere cuantice)
(restricţia este impusă de principiul de excluziune al lui Wolfgang Pauli).
Modelul atomic al lui Niels Bohr (1885-1962) funcţionează foarte bine pentru atomul de hidrogen şi explică spectrul atomic, dar nu este adecvat atomilor cu un număr mai mare de electroni. Un număr de întrebări ca de exemplu: de ce electronii sunt ţintuiţi pe anumite niveluri energetice, de ce prima orbită poate ţine doar 2 electroni, iar celelalte orbite câte 8 etc., nu pot fi lămurite de către teoria ce susţine modelul atomic al Bohr.
LOUIS DE BROGLIE ŞI DUALITATEA UNDĂ-PARTICULĂ A MATERIEI
Louis de Broglie (1892-1987), studiind ideea că lumina are o dublă natură - undă şi particulă - a avansat ipoteza că poate şi materia, considerată a fi constituită din particule prin excelenţă, are o dublă natură. Electronii erau consideraţi particule şi atât, având masă, viteză şi celelalte caracteristici ale unei particule. De Broglie şi-a expus ipoteza într-o formulă foarte simplă:
λ = h/(m x v),
unde λ este lungimea de undă, h este constanta lui Planck cu valoarea 6,63x10-34 Js, m este masa, iar v este viteza.
Prin această ecuaţie sunt surprinse ambele naturi ale materiei, undă şi particulă, partea stângă fiind pentru undă, iar partea dreaptă fiind pentru particulă. Se poate observa un lucru privind ecuaţia: cu cât este mai mică masa unui lucru, cu celelalte variabile neschimbate, cu atât lungimea de undă va fi mai mare. După această formulă vă puteţi calcula lungimea de undă a corpului dumneavoastră, numai că rezultatul va fi incomprehensibil de mic. Dar aplicată în domeniul subatomic, ecuaţia va da o soluţie de altă natură, în sensul că poate fi verificată experimental, căci pentru electron de pildă, care are o masă foarte mică, lungimea de undă este 1,21x10-16 m, adică de 43000 de ori mai mare decât diametrul acestuia, distanţă comparabilă cu distanţa dintre doi atomi dintr-un cristal. Astfel, un fascicul de electroni trimis către cristal va produce fenomenul difracţiei.
NUMERELE CUANTICE
Numărul cuantic principal, n: acesta descrie apartenenţa unui electron la un anumit nivel energetic. Poate lua valori de la 1 la infinit. Odată cu creşterea numărul cuantic principal, creşte şi energia electronului, iar orbitalii ocupă un spaţiu mai mare.
Numărul cuantic secundar, l: acestea descriu apartenenţa electronilor la un anumit subnivel.
Numărul cuantic magnetic, ml: descrie orientarea spaţială a orbitalilor; care identifică orbitalii în cadrul substraturilor, iar fiecare valoare a lui ml corespunde uneia din orientările permise pentru câmpul magnetic asociat orbitalului (pentru un substrat "p" - ml poate fi -1,0 sau 1, pentru un substrat "d", ml poate fi -2,-1,0,1 sau 2 etc.).
Numărul cuantic de spin, ms: descrie impulsul propriu de rotaţie al electronilor şi poate avea valorile +1/2 sau -1/2. Pe un orbital încap maxim 2 electroni, primul ocupant fiind de spin paralel (+1/2), iar al doilea, în mod obligatoriu, de spin opus.