Atomul, Intre Simplu Si Complex [PDF]

Zitiervorschau

ȘCOALA POSTLICEALĂ SANITARĂ ”FUNDENI”

MODUL RADIOFIZICĂ

ATOMUL, ÎNTRE SIMPLU ȘI COMPLEX

PROFESOR: MIHAI FLORENȚA ELEV: STAN GABRIEL-ANDREI CLASA: AMR 1A

DEFINIȚIA ATOMULUI

Atomul este cea mai mică particulă a unei substanțe, care nu poate fi divizată prin metode chimie și fizice obișnuite, neutră din punct de vedere electric și care păstrează toate proprietățile chimice ale substanței respective. Denumirea de atom provine din grecescul atomos care înseamnă „ce nu poate fi tăiat”, cuvânt inventat de filosofii antici greci Leucip și Democrit. Orice solid, lichid, gaz și plasmă este compus din atomi neutri sau ionizați. Totalitatea atomilor de același tip alcătuiesc un element chimic. Se cunosc 118 elemente chimice:  

92 elemente chimice naturale 26 elemente chimice artificiale

1

ISTORIC AL TEORIEI ATOMICE

Ideea legată de alcătuirea matierei din unități mici, nevizibile cu ochiul liber, este veche, care apare prin multe culturi antice. În jurul anului 450 î.Hr., filosoful grec Epedocle identifică 4 elemente ca substanțe primordiale imuabile, eterne, necreate și indestructibile: foc, apă, pământ și aer Acestea nu pot trece unul într-altul, ci se pot doar combina și separa mecanic. Din acest procesc continuu de unire și dispersare, rezultat al acțiunii a două forțe universale iubirea (philotes) și ura (neikos), reprezentări alegorice ale forțelor centripetă și centrifugă, iau naștere toate obiectele și viețuitoarele universului.

2

MODELE ATOMICE PRECUANTICE MODELUL DALTON

John Dalton folosea conceptul de atom pentru a explica de ce elementele reacționează întotdeauna în raporturi de numere întregi mici (legea proporțiilor multiple). Joseph Proust a studiat oxizi de staniu și a gasit că există două tipuri de oxid de staniu: primul este 88,1% Sn și 11,9% O (SnO), iar al doilea este 78,7% Sn și 21,3% O (SnO2). Asta înseamnă că 100g de Sn se vor combina fie cu 13,5g O, fie cu 27g O, ele fiind în raport de 1:2, un raport de numere întregi mici. Ideea acestui model din chimie i-a sugerat lui Dalton că elementele reacționează în multiplii de unități discrete, sau atomi. În cazul oxizilor de staniu, un atom de staniu se va combina fie cu un atom de oxigen, fie cu 2 atomi de oxigen. De asemenea, Dalton credea că această teorie atomică ar putea explica de ce apa absoarbe gaze în proporții diferite. De exemplu, el a constat că apa absoare dioxidul de carbon mai bine decât absoarbe azotul. Ipoteza acestuia se datora diferențelor de masă și configurație între particulele gazelor respective. Într-adevăr, moleculele de CO 2 sunt mai grele și mai mare decât cele de N2. Modelul atomic al lui Dalton spune că:      

Materia este compusă din atomi Atomii nu pot fi creați ori distruși Atomii aceluiași element sunt identici, dar sunt diferiți de atomii altor elemente Reacțiile chimice au loc atunci când atomii sunt rearanjați compuşii chimici sunt formaţi prin combinarea atomilor diferitelor elemente Atomii diferitelor elemente variază din punct de vedere al masei și al dimensiunii

În 1827, Robert Brown a descoperit mișcarea haotică a unor granule de praf plutind în apă, fenomen care a devenit cunoscut sub numele de mișcare browniană. Acest fenomen a fost considerat a fi cauzat de faptul că moleculele de apă lovesc granulele de praf. În 1905, Albert Einstein a dovedit realitatea acestor molecule și mișcării lor prin producerea primei analize de fizică statistică a mișcării browniane. Jean Perrin, folosindu-se de munca lui Einstein, a determinat experimental masa și dimensiunile atomir, confirmând teoria atomică a lui Dalton.

3

MODELULTHOMSON – MODELUL COZONACULUI CU STAFIDE DESCOPERIREA ELECTRONULUI

Joseph John Thomson a măsurat masa razelor catodice, arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de cca. 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom, cel de hidrogen. Prin urmare, particulele masurate nu erau atomi, ci o nouă particulă, prima particulă subatomică ce a fost descoperită, numind-o inițial corpuscul, apoi devenind electron, dupa particulele postulate de către George Johnstone Stoney în 1874. S-a recunoscut că acestea sunt chiar particulele care transportă curenții electrici în firele de metal și care poartă sarcina electrică negativă în atomi. Modelul atomic al lui Thomson:  Răstoarnă ideea că atomii sunt particule finale, indivizibile, de materie  Masa redusă a electronilor încărcați negativ este distribuită prin tot atomul printr-o mare uniformă de sarcini pozitive – a fost dovedit a fi incorect.  Atomul are forma sferică, sarcină electrică pozitivă uniform distribuită în tot volumul, iar electronul, încărcat negativ, oscilează în interiorul atomului datorită câmpului electric care se creează.

4

MODELUL RUTHERFORD – MODELUL NUCLEAR DESCOPERIREA NUCLEULUI În anul 1909, Hans Geiger și Ernet Marsden, sub îndrumarea lui Ernet Rutherford, au bombardat o folie metalică cu particule α pentru a observa cum se împrăștie ele. Ei se așteptau ca toate particulele α să treacă direct prin folie, cu minime devieri, conform modelului lui Thomson care spuunea că sarcina în cadrul atomului este atât de difuză încât câmpurile lor electrice nu ar putea afecta prea mult particulele α. Rezultaltul observat a fost că unele particule α sunt deviate la unghiuri ce ar fi fost imposibil confrom

mai mari de 90°, ceea modelului Thomson. Pentru a explica sarcina pozitivă a nucleu mic aflat în

acest rezultat, Rutherford a propus că atomului este concentrată într-un centru atomului.

Modelul atomic al lui Rutherford:  Atomii constau dintr-un nucleu central mic, dens, încărcat pozitiv înconjurat de electroni, încărcaţi negativ, care se mişcă pe orbite circulare.  Modelul este în contradicție cu electrodinamica clasică

5

MODELE ATOMICE CUANTICE MODELUL BOHR – MODELUL PLANETAR În 1913, fizicianul Niels Bohr a propus un model în care electronii unui atom sunt presupuși a orbita în jurul nucleului, dar că pot face acest lucru numai într-o mulțime finită de orbite, și ar putea sări între aceste orbite numai în salturi discrete de energie corespunzătoare absorbției sau radiației unui foton. Această cuantificare a fost folosită pentru a explica de ce orbitele electronilor sunt stabile (având în vedere că, în mod normal, sarcinile accelerate, inclusiv prin mișcare circulară, pierd energie cinetică care emisă sub formă de radiații electromagnetice, și de ce elemente absorb și emit radiații electromagnetice în spectre discrete. Modelul Bohr poate fi caracterizat prin următoarele:  Electronii ocupă doar unele orbite în jurul nucleului. Aceste orbite sunt stabile si se numesc orbite „staționare”  Fiecare orbită are energie asociată cu ea. Orbita cea mai apropiată de nucleu are o energie de E1, următoarea orbită E2 etc.  Energia este absorbită când un electron „sare” de la o orbita mai apropiată la una mai îndepărtată și energia este emisă când un electron „cade” de pe o orbită mai îndepărtată pe una mai apropiată.  Energia și frecvența luminii emisă și absorbită poate fi calculată folosind diferența dintre 2 energii ale orbitelor.

6

MODELUL SCHRÖDINGER

Experimental Stern–Gerlach din 1922 a furnizat dovezi suplimentare ale naturii cuantice a atomului. Atunci când un fascicul de atomi de argint a fost trecut printr-un câmp magnetic de formă specială, fasciculul a fost divizat în funcție de direcția momentului cinetic al atomului, denumit spin. Cum această direcție este aleatoare, era de așteptat ca raza să se răspândească într-o linie. În schimb, fasciculul a fost împărțit în două părți, în funcție de orientarea spinului atomic, în sus sau în jos. În 1924, Louis de Broglie avansează ipoteza cum că toate particulele se comportă până la un moment dat ca niște unde. În 1926, Erwin Schrödinger a folosit această idee pentru a dezvolta un model matematic al atomului, care descria electronii ca forme de undă tridimensionale. O consecință a folosirii formelor de undă pentru a descrie particulele a fost că este matematic imposibil să se obțină valori precise atât pentru poziția cât și pentru impulsul unei particule la un moment dat în timp. În acest concept, pentru o anumită precizie în măsurarea unei poziții se poate obține o gamă largă de valori probabile pentru impuls, și vice-versa. Acest model a fost în măsură să explice observațiile comportamentului atomic pe care modelele anterioare nu le puteau explica. Astfel, s-a renunțat la modelul planetar al atomului în favoarea unuia care descria zone orbitale atomice (norul de electorni) în jurul nucleului unde un anumit electron este cel mai probabil să fie observat.

DESCOPERIREA NEUTRONULUI

Dezvoltarea spectrometriei de masă a permis măsurarea precisă a masei atomilor. Dispozitivul folosește un magnet pentru a îndoi traiectoria unui fascicul de ioni, și cantitatea de deformare este determinată de raportul între masa unui atom și sarcina sa. Chimistul Francis William Aston a folosit acest instrument pentru a arăta că izotopii au mase diferite. Masa atomică a acestor izotopi variază cu multipli întregi ai unei valori. Explicați pentru acești izotopi diferiți aștepta descoperirea neutronului, o particulă fără sarcină, cu o masă similiară cu a protonului, de către James Chadwick în 1932. Izotopii au fost atunci explicați ca elemente cu același număr de protoni, dar număr diferit de neutroni în nucleu. 7

STRUCTURA ATOMULUI

Atomul este format din următoarele componente mari: un nucleu central dens (încărcat pozitiv) în jurul căruia gravitează electroni (încărcați negativ).  Masa variază de la 1.67 ∙ 10-27 la 4.52 ∙ 10-25 kg.  Diametrul variază de la 62 pm (He) la 520 pm (Cs)  Dacă numarul de protoni este egal cu cel de electroni, atunci atomul este neutru din punct de vedere electric. Dacă un atom are mai mulți sau mai puțini electroni decât protoni, atunci acesta are o sarcină totală negativă, respectiv pozitivă și vorbim despre ioni. Cel mai simplu atom, hidrogen: 1 proton, 1 neutron, 1 electron Cel mai mare atom din natură, uraniu: 92 protoni, 146 neutroni, 92 electroni

IONI Un ion este un atom (sau un grup de atomi) care are o sarcină electrică nenulă. Un atom neutru se poate ioniza prin schimbarea echilibrului dintre electroni și protoni:  Dacă pierde (cedează) unul sau mai mulți electroni devine ion pozitiv, numit și cation pentru ca este atras catod (electrodul negativ) – exemple: Na+1, Ca+2, Al+3, NH4+  Dacă primește (acceptă) unul sau mai mulți electroni devine ion negativ, numit și anion pentru că este atras de anod (electrodul pozitiv) – exemple: Cl-1, O-2, N-3, OH Ionii se pot găsi în soluții obținute prin dizolvarea unor substanțe în solvenți sau sub forma unui gaz care conține particule încărcate electric. În acest din urmă caz mediul ionizat se numește plasmă și întrucât are proprietăți diferite de cele ale solidelor, lichidelor și gazelor este considerat a reprezenta o a patra stare de agregare a materiei.

IZOTOPI Izotopii sunt specii nucleare cu același număr atomic Z (număr de protoni), dar cu număr de masă A (număr de nucleoni) diferit. Izotopii au aceleași proprietăți chimice, dar proprietăți fizice diferite. Toți izotopii unui element chimic au în învelișul electronic acelșasi număr de electroni, iar nucleele lor au același număr de protoni, ceea ce este diferit reprezintă numărul de neutroni. Exemple de izotopi: hidrogen-2 (2H), heliu-3 (3He), carbon-14 (14C), oxigen-18 (18O), uraniu238 (238U). 8

NUCLEUL ATOMIC

Nucleul este alcătuit din particule compozite numite nucleoni:  protoni – încărcați pozitiv – ceea ce conferă sarcina electrică pozitivă a nulceului  neutroni – neutri din punct de vedere electric Peste 99,94% din masa unui atom este concentrată în nucleu.

Protonii sunt tuturor atomilor, Au sarcină 1.

particule subatomice din nucleul încărcate pozitiv. Se notează cu p+. electrică relativă +1 și masă relativă

Numărul număr atomic și

protonilor din nucleu se numește Protonul este format din 2 quarci sus se notează cu litera Z. (u) și un quarc jos (d)

Neutronii sunt o particule subatomice, fără nicio sarcină electrică. Se notează cu n0. Au sarcină electrică 0 și masă relativă 1. Suma dintre numărul protonilor și numărul neutronilor din nucleu se numește număr de masă și se notează cu litera A.

Neutronul este format din 2 quarci jos (d) și un quarc sus (u)

9

ÎNVELIȘUL ELECTRONIC

Învelișul electronic, sau un nivel energetic principal, reprezintă acea parte a atomului în care electronii orbitează în jurul nucleului atomic. Configurația electronică a unui element chimic din tabelul periodic descrie aranjarea electronilor săi în norul electronic. Nivelele (straturile) electronice se divid în subnivele (s, p, d, f) ce conțin orbitalii care grupează electronii din nivelul respectiv. Un atom are șapte nivele aranjate specific elementului chimic. Orbitalul reprezintă zona în care un electron este cel mai probabil să fie observat. Reguli de aranjare:  principiul ocupării succesive cu electroni: orbitalii sunt ocupați cu electroni în funcție de creșterea energiei  prin fiecare orbital al unui atom există maximum 2 electroni cu un spin opus Substraturile și conținutul maxim de electroni:    

s – continuț maxim de electroni = 2 (se notează ca un pătrat cu o căsuță) p – conținut maxim de electroni = 6 (se notează ca un dreptunghi cu 3 căsuțe) d – conținut maxim de electroni = 10 (se notează ca un drepthunghi cu 5 căsuțe) f – conținut maxim de electroni = 14 (se notează ca un drepthunghi cu 7 căsuțe)

Căsuța este un orbital, căci fiecare orbital are 2 electroni. Nivelele electronice au un maxim de subnivele stabilit:       

1 (sau K) are substratul 1s 2 (sau L) are substraturile 2s 2p 3(sau M) are substraturile 3s 3p 3d 4(sau N) are substraturile 4s 4p 4d 4f 5(sau O) are substraturile 5s 5p 5d 5f 6(sau P) are substraturile 6s 6p 6d 7(sau Q) are substraturile 7s

10

Electronul este o particulă fundamentală a atomului încărcată negativ, notată cu e-. Are sarcină electrică relativă -1 și masă relativă 0, neglijabilă.

DEZINTEGRARE RADIOACTIVĂ

Fiecare element are unul sau mai mulți izotopi cu nuclee instabile care sunt supuse dezintegrării radioactive, făcând nucleul să emită particule sau radiații electromagnetice. Cele mai frecvente forme de dezintegrare radioactivă sunt:  Dezintegrarea α – acest proces este cauzat atunci când nucleul emite o particulă α, adică un nucleu de He, constând din 2 protoni și 2 neutroni. Rezultatul emisiei este un element nou, cu un număr atomic mai mic.  Dezintegrarea β (și capturarea de electroni) – rezultă din transformarea unui neutron într-un proton, sau a unui proton într-un neutron. Emisiile de electroni sau pozitroni sunt numite particule β. Dezintegrarea β fie crește, fie scade numărul atomic al nucleului cu unu.  Dezintegrare γ – acest proces rezultă dintr-o schimbare în nivelul de energie al nucleului la o stare de energie inferioară, care se încheie cu emisie de radiații electromagnetice. Starea excitată a unui nucleu care produce emisie γ apare, de obicei, în urma emisiei unei particule α sau β. Astfel, dezintegrarea γ urmează, de obicei, după dezintegrarea α sau β. Alte tipuri mai rare de dezintegrare radioactivă sunt:  Ejecția de neutroni sau protoni sau de grupuri de nucleoni din nucleu, sau mai multe particule β  Fisiune nucleară Fiecare izotop radioactiv are o perioadă de timp ce caracterizează descompunerea – timpul de înjumătățire – care este determinat de cantitatea de timp necesară ca o jumătate dintr-un eșantion să se dezintegreze. Este un proces de scădere exponențială care scade în mod constant proporția de izotop rămasă cu 50% la fiecare timp de înjumătățire.

11

RADIAȚII

Radiația este un fenomen fizic de emitere și propagare a energiei sub forma de unde (radiație ondulatorie) sau de corpusculi (radiație corpusculară) prin spațiu sau printr-un mediu material. Clasificare:  Radiații electromagnetice: unde radio, microunde, infraroșu, lumina visibilă, ultraviolet, raze X și radiații γ  Radiații corpusculare: radiații α, radiații β  Radiații acustice: ultrasunete, sunetul, undele seismice (dependente de un mediu fizic prin care se transmit) Radiațiile pot fi ionizante sau neionizante. Radiațiile ionizante au valori mai mari de 10 eV, care este suficient sa ionizeze atomi și molecule, și să rupă legături chimice. Această distincție între cele ionizante și neionizante este importantă pentru a ști care sunt dăunătoare organismelor vii. Sursele comune de radiații ionizante sunt substanțele radioactive care emit raze α, β sau γ, constând în nuclei de heliu, electroni sau pozitroni, și fotoni. Alte surse includ razele X din radiografiile medicale și alte particule care constituie razele cosmice secundare care sunt produse după interacțiunea razelor cosmice primare cu atmosfera Pământului.

12

RADIAȚIA (RAZELE) RÖNTGEN (X)

Radiația (razele) X sau radiația (razele) Röntgen sunt radiații electromagnetice ionizante, cu lungimi de undă mici, cuprinse între 0,01 și 100 Å. Razele X formează radiația X, o formă de radiație electromagnetică. Cele mai multe raze X au o lungime de undă cuprinsă între 0,01 și 10 nanometri, corespunzând frecvențelor cuprinse între 30 petahertz și 30 exahertz și energii cuprinse între 100 eV și 100 keV.

OBȚINEREA RAZELOR X

Razele X se pot obține în tuburi electronice vidate, în care electronii emiși de un catod incandescent sunt accelerați de câmpul electric dintre catod si anod (anticatod). Electronii cu viteză mare ciocnesc anticatodul care emite radiații X. Electronii rapizi care ciocnesc anticatodul interacționează cu atomii acestuia în două moduri: Electronii, având viteză mare, trec prin învelișul de electroni al atomilor anticatodului și se apropie de nucleu. Nucleul, fiind pozitiv, îi deviază de la direcția lor inițială. Când electronii se îndepartează de nucleu, ei sunt frânați de câmpul electric al nucleului; în acest proces se emit radiații X. La trecerea prin învelișul de electroni al atomilor anticatodului, electronii rapizi pot ciocni electronii atomilor acestuia. În urma ciocnirii, un electron de pe un strat interior (de exemplu de pe stratul K) poate fi dislocat. Locul rămas vacant este ocupat de un electron aflat pe straturile următoare (de exemplu de pe straturile L, M sau N). Rearanjarea electronilor atomilor anticatodului este însoțită de emisia radiațiilor X. 13

UTILIZĂRI MEDICALE

 Radiografia proiecțională – practica de a produce imagini bidimensionale utilizând radiația cu raze X  Tomografia computerizată (CT) – modalitate imagistică medicală în care imaginile tomografice sau felii de zone specifice ale corpului sunt obținute dintr-o serie mare de imagini cu raze X bidimensionale luate în diferite direcții. Aceste imagini transversale pot fi combinate într-o imagine tridimensională a interiorului corpului  Fluoroscopia – tehnică de imagistică utilizată în mod obișnuit de medici sau terapeuți radiologi pentru a obține imagini în mișcare în timp real ale structurilor interne ale unui pacient prin utilizarea unui fluoroscop  Radioterapia – utilizarea razeor X ca tratament pentru managementul (inclusiv paliație) a cancerului.

BIBLIOGRAFIE

https://www.slideshare.net/constantinalucretia/atomul-structura-atomului-47052215 https://www.primaryconnections.org.au/sites/all/modules/primaryconnections/includes/SBR/data/ Chem/sub/atom1/atom1.htm 14

https://mail.uaic.ro/~marius.mihasan/teaching/pdfs/general_chemistry_courses/CURS%203.pdf http://www.abcte.org/files/previews/chemistry/s1_p6.html https://www.wikiwand.com/ro/Atom https://www.wikiwand.com/ro/Izotop http://www.wikiwand.com/ro/Ion https://www.wikiwand.com/ro/Neutron https://www.wikiwand.com/ro/Proton http://www.wikiwand.com/ro/Nucleu_atomic http://www.wikiwand.com/ro/Configura%C8%9Bie_electronic%C4%83 https://www.wikiwand.com/ro/Electron http://www.wikiwand.com/en/Electron_shell http://www.wikiwand.com/ro/Radia%C8%9Bie_X https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation

15