Teoria atomiko

Wikipedia(e)tik
Hona jo: nabigazioa, Bilatu


Teoria atomikoa materiaren (gaiaren) osaerari buruzko teoria bat da. Antzinako filosofo greziarren artean, kontzeptu soilen multzoa izan zen hasieran, baina XIX mendetik aurrera ikerkuntza handia izan zuen eta, urteek aurrera egin ahala, eredu desberdinak ezagutu dira.

Egungo teoria atomikoak "hodei" elektroniko probabilista batez inguratutako nukleo dentso bat proposatzen du.

Perspektiba historikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Demokritoren unibertsoaren teoria atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

K.a. IV mendean Demokritok (460-370 k.a) "atomo" izena asmatu zuen. Berak eta bere irakasle zen Leuzipok materia jarraia ez zela uste zuten eta beraz materia partikula zatiezinez osatua zegoela, "hondartza bat hondar aleez osaturik dagoen bezala". Atomo hitzak, greziar atomos hitzean du jatorria (atomos=zatiezin). Demokrito eta Leuzepiok proposaturiko teoria honela laburbildu liteke.

  • Materia guztia ikusezinak diren atomoz osaturik dago.
  • Atomoak guztiz solidoak dira.
  • Atomoak homogeneoak dira.
  • Atomoak forman, tamainan eta pisuan ezberdintzen dira elkarrengandik.

Baina teoriak ez ditu bere postulatuak esperimentuez defendatzen arrazonamendu logikoan soilik oinarritzen da.

Teoria atomikoaren garapena aro garaikidean zehar[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Daltonen eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Daltonek proposatutako eredu atomikoa.
Sakontzeko, irakurri: «Daltonen eredu atomikoa»

Dalton-en legea edo proportzio anizkoitzen legea[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Konposatu kantitate finko batzuk sor ditzaketen bi elementu konbinatzen baditugu, orduan lehenengo elementuaren masa konstantearekin konbinatzen diren bigarren elementuaren masaren proportzioak zenbaki osoz adieraz daitezkeen proportzioak izango dira. Adibidez: Eztainuaren oxidoen kasuan 100 gramo eztainu 13,5 gramo edo 27 gramo oxigenorekin konbinatuko zela konturatu zen, oxigeno gramoen proportzioa 1:2 izanik. (Lehen kasua SnO eta bigarrena SnO2) Daltonek elementuen pisu atomikoa konbinatzen diren masa proportzioen arabera estimatu zuen, hidrogeno atomoa erreferentziatzat hartuz. Baina daltonek hainbat oker egin zituen:

  • Ez zen konturatu hainbat konposaturen unitate minimoa bi atomoz osaturik egon litekela ( oxigenoa O2)
  • Bi atomo konbinatzen direnean beti 1:1 proportzioan konbinatzen direla uste zuen.( Beraz ura HO zela uste zen eta ez H2O)

Eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

1808an Jhon Dalton-ek oinarri zientifikoak dituen lehen eredu atomikoa proposatu zuen. Eredu atomiko hau ondoko postulatuetan labur daiteke:

  • Materia atomo izeneko partikula txiki-txiki eta zatiezinez osaturik dago.
  • Elementu bakun bat osatzen duten atomoak pisu zein gainontzeko propietate berdinak dituzte. Elementu ezberdinen atomoek aldiz pisu desberdina dute.
  • Elementuen atomoak konbinatu egiten dira konposatu baten konposatuak osatzeko, erlazio numeriko sinple eta konstante baten bidez.
  • Erreakzio kimikoetan, atomoak ez dira desagertzen edo suntsitzen, berrordenatu egiten dira konposatu berriak sortzeko.

Daltonen ereduaren mugak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

  • Daltonen eredu atomikoaren ondoren partikula subatomikoak aurkitu ziren: neutroiak, protoiak eta elektroiak.
  • Ezin zituen hainbat fenomeno elektriko eta taula periodikoko talde bereko elementuen propietateen antzekotasuna azaldu.
  • Isotopoen aurkikuntzarekin elementu berdineko atomoek masa desberdina eduki zezaketela frogatu zen.

Thomsonen eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Sakontzeko, irakurri: «Thomsonen eredu atomikoa»

Sarrera[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Thomsomek bere teoria atomikoa 1904an proposatu zuen, lehen partikula subatomikoa, hots, elektroia aurkitu eta gutxira ( baina oraindik nukleoa aurkitzeke zegoen).

Elektroiaren aurkikuntza[aldatu | aldatu iturburu kodea]

1896an Thomsomek esperimentu batzuk gauzatu zituen. Bertan, izpi katodikoak aparteko partikulak zirela adierazten zutenak, eta ez uhin, atomo edo molekulak. Thomsomek partikula hauen masa eta kargaren hurbilketak egin zituen (partikulei “korpuskulu” deitzen zien) eta beraien masa hidrogenoaren masaren milarena zela ondorioztatu zuen. Gainera, masa eta kargaren proportzioa ( karga/masa) katodoaren materialarekiko independentea zela frogatu zuen.

Teoria atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Modelo atomiko honetan atomoak karga negatiboa duten partikulez osaturik daude. Partikula hauei Thomsomek “korpuskulu” baina gaur egun elektroi izenaz ezagutzen dira. Nahiz eta elektroiak karga negatiboa izan atomoak bere osotasunean neutroa izan behar zuen. Honenbestez Thomsomek ondorioztatu zuen atomoak karga positiboaren iturriren bat eduki behar zuela, elektroien karga negatiboa orekatzeko. Hiru aukera bururatu zitzaizkion:

  • Elektroi bakoitza positiboki kargaturiko partikula batekin parekaturik egotea.
  • Elektroiak positiboki kargaturiko eremu finko baten inguruan orbitatzea.
  • Elektroiak karga positibodun espazio bat okupatzea ( karga positibodun “zopa” edo “hodeia”).

Thomsomek hirugarrena aukeratu zuen atomoen egitura azaltzeko modelo gisa. Eredu berri hau mahaspasa pastel ingelesarekin konparagarria da, pastel osoa karga positibo finkoa eta mahaspasak karga negatiboak izanik.

Mugak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Thomsomen ereduak izpi kadokoekin zein kimikarekin erlazionaturiko hainbat fenomeno azaltzen ditu. Hala ere, Thomsomen eredu atomikoa ez da perfektua eta ondoko hauek dira bere muga nagusiak:

  • Atomoaren barnean karga positiboak duen banaketa ez egokia da. Izan ere, Thomosomen eredua eta Rutherforden esperimetuaren emeaitzak ez dira bateragarriak (karga positiboa atomoaren espazio txiki batean konzentraturik zegoela adierazten zuen).
  • Mendelieven taula periodikoko erregulartasuna ezin zezakeen azaldu.

Rutherforden eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Sakontzeko, irakurri: «Rutherforden eredu atomikoa»
Rutherforden esperimentuak nukloearen existentzia frogatu zuen.

Ernest Rutherfordek 1911n formulaturiko teoria atomikoa da. Ernest Rutherfordek atomoa ia hutsik dagoela frogatu zuen eta masaren %99 kontzentraturik dagoen muina daukala erdian. Muin positibo hori, beranduago Nukleo atomikoa deituko zena, positiboa da eta biraka ari diren elektroi negatiboek atomoaren "azala" osatzen dute.

Esperimentua[aldatu | aldatu iturburu kodea]

E.Rutherfordek aurreko baieztapena frogatzeko Urrezko xafla oso mehe bat bonbardatu zuen partikulaz eta hiru behapen egin zituen:

  • Partikula gehienek ia desbideratu gabe zeharkatu zuten xafla.
  • Zenbait partikulek (%0,1) xafla zeharkatu eta desbideratu ziren.
  • Partikula gutxi batzuk errebotatu egiten zuten xaflan.


Rutherford-en eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

  • Masarik gehiena eta atomoaren karga positibo guztia erdialdean dagoen eskualde oso txiki batean kontzentraturik dago: nukleoan.
  • Nukleoa baino askoz handiagoa den geruza elektronikoa dauka atomoak. Eskualde honetan elektroiak daude, nukleoaren inguruan orbita zirkularrak eginez.
  • Atomoa neutroa da, elektroien eta protoien kopuruak berdinak baitira.

Teoria atomiko honekin esperimentuan lorturiko emaitzak froga zitzakeen:

  • Nukleotik urrun pasatzen diren partikulak ez dira desbideratzen, geruza elektronikoak ez baitie ia eraginik egiten.
  • Nukleotik hurbil pasatzen diren partikulak desbideratu egiten dira, nukleoaren aldarapen elektrostatikoak eragiten baitie.
  • Nukleoarekin aurrez aurre talka egiten duten partikulek errebotatu egiten dute, eta bortizki aldaratuak dira, zeinu bereko kargak baitira.

Baina eredu atomiko honek arazoak zituen, izan ere, ideia hauek ez zeuden azalduta:

  • Fisika klasikoaren arabera higitzen ari den karga batek etengabe energia igorri behar du. Hau dela eta, elektroiek energia galduko lukete eta nukleora eroriko lirateke nukleoarekin talka egin arte. Bohren eredu atomikoak eman zion azalpena gertakari honi.
  • Ez da posible hain toki txikian hainbeste karga positibo elkarrekin mantentzea. Erantzuna 1970ean Elkarreragin nuklear indartsua aurkitzean iritsi zen

Eredu kuantikoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Bohrren eredu atomikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Niels Bohr
Bohrrek proposatu zuen atomoaren eredua.
Sakontzeko, irakurri: «Bohrren eredu atomikoa»

1913an Niels Bohrrek Rutherforden eredua osatu zuen. Berak ere sistema planetarioen gisa ikusi zuen atomoa, baina elektroiak ongi definituriko eta mailakaturiko orbitak eratzen dituzte nukleoaren inguruan. orbitetatik zenbait eta urrunago elektroi gehiago zituen.

Bohrren eredu atomikoa|Bohrren eredua sinplea da eta Kopernikoren eredu planetarioren antz handia du. Gainera, Rutherforden ereduak azal ezin zitzakeen fenomenoak azaltzeko baliagarria izan zen.

Bohrrek bazekien Rutherforden ereduak kontraesanak zituela. Maxwell-en elektkromagnetismoaren legeen arabera, elektroiek, uhin elektromagnetiko eran irradiatuko lukete energia, eta ondorioz, orbita espiral baten bidez nukloerantz gerturatuz joan beharko lirateke honekin talka egin arte. Hori kontuan izanik ez zegoen inongo itxaropenik Rutherforden atomoak egonkor mantentzeko ez eta espektroskopio bidez ikus zitezkeen lerro garbiak sortzeko ere.

Rutherforden eredua abiapuntu gisa hartuz eta Max Planck eta Albert Einsteinek garatutako "enegia kuantoa"-ren teoria barne hartuz, teoria berri bat proposatu zuen.

Eredu hori baieztapen hauez osaturik dago:

  • Elektroiak orbita finko eta oso determinatuetan bakarrik egon daitezke, gainerako guztiak ezeztatuz.
  • Orbita hauetako bakoitzean, elektroiek energia jakin bat dute atxikita. Energia hau handiagoa izango delarik kanpo orbitetan.
  • Elektroiak ez dute irradiatzen energiarik nukleoaren inguruan bira egitean.
  • Atomoak energia emititu edo abosorbatzen duela bakarrik elektroi batek orbita batetik bestera salto egiten duenean.
  • Orbita salto hauek espontaneoki gertatzen direla.
  • Orbita batetik besterako salto hauetan elektroia ez dela tarteko orbita batetik pasatzen.

Sommerfelden zabalpena

Sommerfeld alemaniarrak, Bohr beraren ikasle batek, eredu atomikoaren zabalpen bat proposatu zuen. Sommerfoldek energia maila bakoitza era berean antzeko energia zuten azpimailatan zatitua zegoela proposatu zuen. Maila bakoitzak zenbakiak adierazten zuen bezainbeste maila zituen eta gehiengo elektroi kopuru bat izan zezakeen bere gain.

  • n=1 mailak azpimaila bakarra du: 1s
  • n=2 mailak bi azpimaila ditu: 2s eta 2p.
  • n=3 mailak hiru azpimaila ditu: 3s, 3p eta 3d.
  • n=4 mailak lau azpimaila ditu: 4s, 4p, 4d eta 4f.

Bohrren postulatuak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Lehenengo postulatua:

"Elektroiak orbita zirkularrak marrazten dituzte atomoaren nukleoaren inguruan energia irradiatu gabe".

  • Elektroiak energia ez irradiatzeko duen arrazoia, oraingoz, postulatu bat izaten jarraitzen du; Elektrodinamikaren arabera azeleraziodun mugimendua duen karga batek irradiazio eran emititu behar baitu energia. Orbita zirkularra mantentzeko, elektroiak jasaten duen indarra (Coulomben indarra, nukleoaren presentziaren ondorioz) indar zentripetuaren berdina izan behar du:


Lehenengo terminoa indar elektrikoa edo Coulomben energia, eta bigarrena indar zentripetua; k Coulomben indarraren konstantea da, Z atomoaren zenbaki atomikoa, e elektroiaren karga, elektroiaren masa, v elektroiaren abiadura orbitan eta r orbitaren erradioa.
  • Erradioa askatuz:

  • Eta orain, ekuazio honekin, eta jakinik energia totala indar zinetiko eta potentzialen batura dela:

Non adierazita gelditzen den orbita zirkular bat elektroiarentzat orbitaren erradioaren menpe.


Bigarren postulatua:

"Elektroi batentzat baimendutako orbital bakarrak, elektroiaren momentu angelurra, , honako balioaren: (jakinik dela) multiplo osoak direnak dira". Matematikoki adierazita:


izanik.
  • Baldintza honetatik eta aurreko erradioaren ekuaziotik, ordezka dezakegu; eta kuantizazioaren baldintza gelditzen da baimendutako erradioentzat:

izanik.
Txertatutako azpiindizea orain erradioa magnitude diskretua dela adierazteko da, lehenengo postulatuak zioenaren aldean.
  • Orain, balioak emanez -ri, zenbaki kuantiko nagusiari, baimendutako orbiten erradioak lor ditzazkegu. Lehenengoari (n=1 emanez), Bohr erradioa deritzo:

emaitza ångström-etan.
  • Era berean, orain, baimendutako erradioak ordezka ditzakegu orbiten energiaren ekuazioan eta ondorioz maila bakoitzari dagokion energia lortuz:

  • Lehen bezala, hidrogeno atomoarentzat (Z=1) eta baimendutako lehenengo mailarentzat (n=1), lortuko genuke:

Hidrogeno atomoaren egoera fundamentalaren energia deiturikoa dena.
  • Eta edozein Z eta n-rentzat adierazi dezakegu honela:

Hirugarren postulatua:

"Elektroiak baimendutako orbita jauzietan bakarrik emititu edo absorbatuko du energia. Aldaketa hauetan fotoi bat emititu edo absorbatuko du. Honen energia bi mailen arteko energia diferentziaren berdina izango da". Fotoi honek, Planken legearen arabera energia bat du:

non -ek hasierako orbita identifikatzen duen eta -ek bukaerakoa, eta -k maiztasuna adierazten duen.
  • Ondorioz trantsizioan emititutako edo absorbatutako fotoien maiztasunak izango dira:


  • Batzuetan, frekuentziaren ordez, honen aurkakoa ematen da: uhin luzera.


  • Azken ekuazio hau ongietorria izan zen, honek XIX. mendetik Hidrogenoaren deseszitazioan behatuak izan ziren Balmerren serieen formula fenomenologikoa teorikoki azaltzeko balio izan baitzuen. Honek emanak zetozen:


izanik, eta non Rydbergen konstantea den hidrogenoarentzat. Ikus dezakegun bezala, kasuaren adierazpen teorikoa, Balmerrek aurresandako adierazpena da eta Rydbergen konstantearen neurketa experimentalak (), formula teorikoaren balioarekin bat egiten du.
  • Froga daiteke hipotesi multzo honek bat egiten duela atomoetan orbitatzen dauden elektroi egonkorrak uhin estazionarioen funtzio bidez deskribatuta daudela dioen hipotesiarekin. Eredu atomiko bat, atomoen zatiak deskribatzen dituen errepresentazio bat da. Planken konstantea oinarri hartuta, , lortu zuen kuantizatzea orbitak espektroen lerroak behatuz.

Bohrren ereduaren muga[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Bohrren ereduak muga bat zuen. Hidrogenoaren espektro lerroak bakarrik azal zitzakeen.

Schrödingerren eredua[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Erwin Schrödinger
Sakontzeko, irakurri: «Schrödingerren eredu atomikoa»

Schrödingerrek Eredu mekaniko-kuantikoa proposatu zuen 1924. urtean, Bohr-en ereduak elektroiak orbita eta distantzia zehatzetan jartzeko. Eredu berri honetan elektroiak nukleoaren inguruan dabiltza probabilitate handiko edo txikiagoko posizioetan, baina posizio hau zein den zehaztu ezin delarik.

Ereduaren ezaugarriak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Bohrren eredua Hidrogeno atomoarentzako bakarrik erabilgarria zenez, Schrödingerrek eredu berria proposatu zuen, atomo guztientzako erabilgarria dena. Eredu honetan elektroiak 3 dimentsioko espazioa betetzen du. Hortaz, 3 zenbaki kuantiko erabiltzen dira. Eredu berri honetan elektroiak uhin gisa jokatzen du eta uhin funtzio izeneko funtzio matematikoaren bidez deskribatu daiteke. Elektroiak orbitaletan kokatzen dira, hau da, elektroia aurkitzeko probabilitate handia(%90 baino gehiago) dagoen espazio-gunean. Probabilitatea uhin-funtzioaren moduloaren karratutik ateratzen da. Orbital atomiko bakoitza 3 zenbaki kuantikoz deskribatuta dator, balio-konbinazio desberdin bakoitzak orbital atomiko bakar bat deskribatzen du. Zenbaki kuantiko hauek hartzen dira kontuan:

  • Zenbaki kuantiko nagusia (n): elektroiaren energia maila, nukleora dagoen distantzia.
  • Zenbaki kuantiko sekundarioa edo momentu angeluarrarena (l): orbitalen forma adierazten du. l=0 s orbitala; 1 p orbitala; 2 d orbitala eta 3 f motako orbitala.
  • Zenbaki kuantiko magnetikoa (m): orbital jakin batek har ditzakeen orientazio espazialak. -l tik l-ra joaten dira.

Schrödingerren ekuazioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Schrodingerren ekuazioaren adierazpen orokorra

Uhin funtzioak denborarekin jasaten duen ebouzioa.

Non:

  • :zenbaki konplexua
  • : Plank-en konstantea 2π-z zatitua
  • : posizioaren bektorea
  • : denbora bektorea
  • : Hamiltondar operadorea, zeinek uhin funtzioaren energia adierazten duen.


Hamiltondarra denborarekiko independentea denean denborarekiko independentea den schrodingerren ekuazioa:

Beste hitz batzuetan: Hamiltondar operadoreak funtzioaren gainean jarduten duenean, uhin funtzioarekiko proportzional den emaitza lortzen dugu non proportzionaltasun konstantea uhin funtzioaren energia den.

Schrödingerren eredu atomikoaren mugak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

  • Ereduan ez du elektroien espina kontuan hartzen, 4. zenbaki kuantikoa, elektroia ze norantzan dabilen.
  • Elektroi azkarren efektu errelatibista ignoratzen du, Dirac-en ekuazioak azaltzen duena.
  • Ez du azaltzen elektroi kitzikatu bat zergatik jaisten den hutsik dagoen maila batera.

Gaur egungo eredua[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Werner Heisenberg

Gaur egun erabiltzen den eredu atomikoa 1920 urtean hasi zen garatzen, Schrodinger eta Heisenbergen eskutik. Esan daiteke eredu hau garapen bat dela aurreko eredutik, oso konplexu eta matematikoa delarik. Hain konplexua da, zehaztasun osoz soilik atomo hidrogenenoideetarako garatzeko gai garela. Gainerako kasuetan hurbilketa bat egin behar da Hidrogeno atomora.

Hala ere, gaur egungo eredu atomiko mekaniko-kuantikoa, behaketa esperimentalekin bat dator. Orbitak ez dira aipatzen orbitalak baizik. Orbital bat espazioko eremu bat da non elektroi bat aurkitzeko probabilitatea maximoa den. Orbital atomikoak forma geometriko desberdinak dituzte, hala nola px,py,dxy etab.

Esan daiteke beraz Schrodingerren eredu atomikoa dela baina gehikuntza edo aldaketa hauek gehituta:

  • Luis de Brogliek korspuluen dualtasuna azaldu zuen, hau da, elektroia partikula baten izaera du.
  • Heisenbergek ziurtasunaren printzioioa gehitu zuen; badakigu zein den adibidez partikula baten momentu lineala zehaztasun osoz baino ez dakigu ezer bere posizioari buruz, indeterminazio maximoa izanik, infinito. Jarraituz, ezin dugu jakin inoiz zein den eletroi baten posizioa, beti probabilitateaz hitz egin behar da. Adibidez, elektroi dentsitate altuko zonetan elektroi bat aurkitzeko probabilitatea handitzen da.
  • Schrodingerrek mugimendu erlatiboaren ekuazioa bat garatu zuen eta soluzioak zenbaki kuantikoak ziren (n, l, m, s). Lau zenbaki kuantikoek elektroiari buruzko informazioa ematen dute, elektroia kokatzen dute.

non:

Bohrren erradioa.
: Laguerren polinomioak n-l-1gradukoa.
: armoniko esferikoa (l, m).
Elektroien orbital atomiko eta molekularrak

Autobaloreak dira:

Operadore angeluarrarentzat:

Operadore hamiltoniarrarentzat:

non:


  • Heisenbergek eredu matriziala proposatu zuen baita ere.
  • Dirac-en ekuazioa ere eredu honetan sartu beharra dago eta bere notazioa ere.

Gaur egungo ereduak teoria zientifiko guztiak bezala bere postulatuak ditu, sei hain zuzen ere. Energia kuantizatuta dago, hau da, energia n zenbaki kuantikoaren menpe dago. Schrodingerren mugimendu erlatiboaren ekuazioan, iristen gara uhin funtzioaren espresioa bi zatitan banatu daitekeela. Batetik zati erradiala n eta l zenbaki kuantikoaren menpe eta bestetik zati angeluarra l eta m zenbaki kuantikoen menpe. Bestalde zenbaki atomikoa handitu ahala suposatzen dugun hurbilketa gero eta txarragoa da. Adibidez, He atomoan funtzio antisimetriko eta simetrikoak kontuan hartu behar ditugu eta kargaren pantailatze eraginkorra izango dugu, zenbaki atomiko baino handiagoa. Ondorioz, atomo monoelektronikoetan, elektroi bat kokatzeko zenbaki kuantikoak erabiltzen dira eta hortaz, bi elektroiek ezin dituzte lau zenbaki kuantikoak berdinak izan, spin zenbkia desberdina dutelarik. Oinarritzen da Bariazio teoreman eta nola gure uhin-funtzio totala asimetrikoa den eta uhin-funtzio espaziala simetrikoa, elektroiaren uhin-funtzioa asimetrikoa izan behar du.

Ondorioak[aldatu | aldatu iturburu kodea]