Atom

Atom (yunanca ἄτομος (ὕλη) átomos (hýle) - "bölünməz") - kimyəvi elementin, bu elementə aid xüsusiyyətlərini saxlayan ən kiçik zərrəciyidir. Elmin inkişaf tarixi böyunca müxtəlif atom modelləri təklif olunmuşdur. İlk dəfə olaraq b.e.ə. V əsrdə Demokrit abstrakt şəkildə atom haqqında fikir söyləmişdir.

Atom modelləri

Atom modelləri izolə olunmuş atomların quruluşunu əks etdirir.

Demokrit- Levkipp modeli

Demokrit hesab edirdi ki, istənilən əşyanın xarakteri – onun kütləsi, forması və s. onun atomlarınn xassələri ilə təyin olunur. Məsələn, alovda atomlar daha itidir, buna görə də o yanma qabiliyyətinə malikdir. Bərk cisimlərdə onlar kələ-kötürdülər, ona görə də, onlar bir-biri ilə möhkəm əlaqədə olurlar, suda onlar hamardırlar, bu da suyun axmasına imkan verir. İnsan qəlbi (ruhu da) də Demokritə görə atomlardan təşkil olunmuşdur. Demokrit öz hipotezini atomistlik adlandırırdı. Demokrit ilə yanaşı onun müəllimi Levkipp də atomist olmuşdur. Həmin dövrdə atomistlik hipotezinin qəbul olunmamasının səbəbi Demokrit və Levkippdən daha şöhrətli olan Aristotelin (Ərəstu, Ərəstun) atomu qəbul etməməsi idi. O qəbul edirdi ki, Demokritin atom hipotezinin əsas hissəsi olan boşluq mövcud ola bilməz. Hətta o belə bir postulatın müəllifi idi

• Nature not abhorret vakuum (Təbiət boşluğa dözmür).

Bu postulat uzun müddət aristotel fizikasının əsas postulatı olmuşdur.

Tomson modeli.

Alimlər atomun bərabər sayda müsbət və mənfi yüklü zərrəciklərdən təşkil olunduğunu XIX əsrin əvvəllərindən bilirdilər. İngilis fiziki C.C.Tomson (qısaca Ci- Ci) 1897-ci ildə elektronu kəşf etdi və müəyyən olundu ki, elektron hidrogen atomunun kütləsindən təxminən 2000 dəfə kiçikdir. Bir tərəfdən bu fakta, digər tərəfdən atomun neytral olması faktına əsaslanaraq Ci- Ci 1903-cü ildə atomun quruluşunun ikinci modelini irəli sürür.

Saturn modeli.

1904-cü il. Burada atom ətrafında orbit üzrə elektronlar fırlanan kiçik müsbət yüklü nüvədən ibarətdir.

Planetar model.

1911-ci il. Ernst Rezerford bir çox təcrübələrdən sonra qərara gəlir ki, atom planetar quruluşa malikdir. Burada elektronlar atomun mərkəzində yerləşmiş müsbət yüklü nüvə ətrafında fırlanırlar. Belə təsvir klassik mexanikanın prinsipləri ilə uzlaşmırdı. Yəni fırlanan yük özündən elektromaqnit dalğaları buraxaraq enerjini itirməlidirlər.

Bor- Zommerfled modeli.

Hesablamalar göstərmişdir ki, elektronun nüvəyə düşməsi vaxtı çox qısadır. Atomların stabilliyini sübut etmək üçün Nils Bor belə bir postulat söyləyir ki, atomlarda elektronlar müəyyən enerji vəziyyətində olaraq şüalanırlar. Borun postulatı göstərmişdir ki, atomu təsvir etmək üçün klassik mexanika kifayət deyil. Atomların sonrakı tədqiqatı kvant mexanikasının yaranmasına gətirib çıxarmışdır. Bu sahə bir çox müşahidə olunan faktların izahını mümkün etmişdir.

Heyzenberq modeli.

Atomun Heyzenberq modelində göstərilir ki, elektronlar nüvə ətrafında həm dalğa, həm də zərrəcik xassəsi göstərir və elektronun nüvə ətrafındakı dəqiq vəziyyətini müəyyən etmək qeyri mümkündür.

Kvant mexaniki cəhətdən atom

Planetar modelin səvh cəhətlərini aradan qaldırmaq üçün Nils Bor üç postulatdan ibarət nəzəriyyə formalaşdırdı:

• Birinci postulat (Stasionar hallar qaydası) : Atom yalnız müəyyən stasionar hallar üzrə mövcud olur. Xarici təsir olmadan stasionar hal dəyişmir. Stasionar hallarda atom foton udmur və şüalandırmır.
• İkinci postulat (Atomların kvantlanma qaydası) : Elektron yalnız elə dairəvi və ellips stasionar orbit üzrə hərəkət edə bilər ki, onun enerjisi haş xətlinin (ħ)natural misllərinə bərabər olsun:

hv = m•v_n•r_n = nħ (n= 1, 2,3,4...)

Burada m elektronun kütləsi, v_n elektronun stasionat orbitdəki sürəti, r_n stasionar orbitin radiusudur.

• Üçüncü postulat (Bor - tezlik qaydası) : Elektron bir stasionar orbitdən digər stasionar orbitə keçdikdə bir kvant enerji udur və ya şüalandırır. Udulan və ya şüalandırılan kvantın enerjisi stasionar orbitlərin enerjilərinun fərqinin moduluna bərabərdir:

|E| = |E_n - E_m| = hv

Bundan da belə alınır ki, şüalanma tezliyi:

v= |E_n - E_m| /h

Elektronun ellips orbit üzrə hərəkət etməsi Zommerfled tərəfindən irəli sürülmüşdür.

Bor nəzəriyyəsinin zəif cəhətləri

• Bor nəzəriyyəsində de broyl qaydası nəzərə alınmır.
• Bor nəzəriyyəsində elektronlar trayektoriya üzrə hərəkət edir. Amma kvant fizikasında trayektoriya anlayışı yoxdur.
• Bor nəzəriyyəsində qeyri müəyyənlik prinsipi nəzərə alınmır.
• Bor nəzəriyyəsində elektron yalnız dairəvi və ellips orbit üzrə hərəkət edir.

Heyzenberq nəzəriyyəsi

Bor nəzəriyyəsinin zəif cəhətlərini aradan qaldırmaq üçün V.Heyzenberq belə bir nəzəriyyə irəli sürdü ki, elektronun dəqiq yerini müəyyən etmək mümkün deyil və dalğa- zərrəcik xassəsi göstərir. Onun nəzəriyyəsinin əsasında iki postulat durur:

• Birinci postulat: Elektron nüvə ətrafında özünü həm hissəcik, həm də dalğa kimi aparır.
• İkinci postulat: Elektronun nüvə ətrafında dəqiq yerini müəyyən etmək qeyri- mümkündür, onun atomun müxtəlif yerlərində olması ehtimalı fərqlidir.

Heyzenberq hipotezi hər şeyi izah edir. Məsələn, elektron dalğa ola bildiyindən təcillə hərəkət zamanı dalğa şüalandırmır. Həmçinin kvant fizikası fəza orbiti- orbital anlayışını qəbul etdi.

Heyzenberq nəzəriyyəsi atom haqqında ən müasir və möhtəşəm nəzəriyyədir.

Atomun kəşfinin xronologiyası

• J. J. Thomson (Cozef Con Tomson) 1897-ci ildə atomun korpuskul adalndırdığı hissəsini kəşf etdiyini elan etdi. Başqa fiziklər yeni hissəciyi elektronadlandırmağı təklif etdilər.
• E. Rutherford (Rezerford) 1919-cu ildə atomun müsbət yüklü hissəciyini kəşf etdi. O bu hissəciyi "proton" (yunan: birinci) adlandırdı.
• J. Chadwick (Çedvik) 1932-ci ildə, ona qədər Rezerfordun mövcudiyyətini təxmin etdiyi neytronu kəşf etdiyini bildirdi.

Atomun quruluşu

Atom nüvədən və onun ətrafında hərəkət edən elektronlardan ibarətdir. Atomun nüvəsi öz növbəsində protonlardan və neytronlardan ibarətdir. Elektron -1 elektrik yükünə, proton +1 elektrik yükünə malikdir, neytron elektrik yükü daşımır. Bütün elementlərin atomları eyni elektron, eyni proton və eyni neytronlardan yaranmışdır. Lakin elementlər atomlarındakı protonların sayı ilə fərqlənirlər. Nüvədəki protonların sayı elementin atom nömrəsini təşkil edir. Proton və neytron ikisi birlikdə nukleon, yəni "nüvəyə (ingilis: nucleus) aid olan" adlanırlar.

Atomun ölçüsü

Atom təqribən 0.2 - 0.5 nm ölçüyə malikdir. Buna görə də onun adi işıqda və adi mikroskop vasitəsilə görünməsi mümkün deyil. Lakin müxtəlif təcrübələr atomun mövcudiyyətini aşkar etməyə imkan verir. Son onilliklərdə subnanometr miqyasda görüntü əldə etmək imkanı verən mikroskoplar işlənib hazırlanmışdır, bunların vasitəsilə atomları izləmək mümkündür. Belə mikroskoplardan biri 1984-cü ildə İsveçrədə IBM laboratoriyasında hazırlanmışdır və onun yaradıcıları (Gerd Binning və Heinrich Rohrer) bu icada görə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər.

İonlar və izotoplar

Atomlar normal halda elektroneytral olur. Bu zaman protonların və elektronların sayı bərabər olur. Atomda bu balans pozulduqda o iona çevrilir. Bu çevrilməyə ionlaşma deyilir. Atom əlavə elektron alırsa bu zaman atom mənfi yüklənmiş olur və anion adlanır. Atom bir və ya bir neçə elektron itirdikdə o müsbət yüklənmiş olur və kation adlanır.

Bir kimyəvi elementin atomları fərqli sayda neytrona malik ola bilir. Atomda protonların sayı əvvəlki kimi qalıb, neytronların sayı dəyişdikdə alınan atom izotop (Yunan dilindən: iso - bərabər, topos - yer deməkdir) adlanır. Protonların sayı dəyişməz qaldığı üçün izotoplar orijinal elementlərin növləri sayılırlar.İzotopların tətpiq sahəsi böyükdür.Onlar tibbdə və kimyada geniş tətpiq olunur.

Hidrogen atomunun nüvəsi bir protondan ibarətdir. Bu formada o, hidrogenin ən çox yayılmış Hidrogen-1 izotopudur, başqa sözlə həm də protium adlanır. Bu elementin digər növü Hidrogen-2 izotopu və ya deyteriumdur. Hidrogen-2 bir protona və bir neytrona malikdir. Bu izotop radioaktiv və zəhərli deyil. İki deyterium atomunun bir oksigen atomu ilə birləşməsindən yaranan su ağır su adlanır. Bunlardan başqa hidrogenin daha beş izotopu var, bunlardan sonuncusu - Hidrogen-7-nin nüvəsi bir protondan və altı neytrondan ibarətdir.

Elektron orbitalları

Elektronun bir enerji səviyyəsindən digərinə keçərkən foton verdiyini əks etdirən Bor modeli

Elektronlar nüvənin ətrafında orbital və ya qabıq adlanan sahələrdə hərəkət edirlər. Orbitallar və ya qabıqlar başqa sözlə enerji səviyyələri də adlanırlar.Orbitallar 4 növdədirlər.Onlar "s"(sferik),"p"(hantelvari),"d"(bəzi mənbələrdə lələkvari,ancaq bəzi mənbələrdə isə azimutal kvant ədədinin qiymətlərindən asılı olaraq müxtəlif.),"f"(qeyri simmetrik mürəkkəb) formalarında olurlar.Orbitallar elektronların hərəkət trayektoriyası olmaqla elektronun ən sıx olduğu yerlərdir(təqribən 90%).Orbitallar fəzada müxtəlif istiqamətlərdə olur.Bu həmin atomun maqnit kvant ədədidir."s" orbitalı yalnız x,"p" orbitalı x,y və z, "d" orbitalı 5, "f" orbitalı isə çox müxtəlif koordinat oxları boyunca yönəlir.Yeni sintez olunmuş elementlərdə 18 elektron tutumuna malik "g" və 22 elektron tutumuna malik "h" orbitalı mövcuddur.Onların maqnit kvant ədədi uyğun olaraq 9 və 11-dir.

Nüvənin ətrafında bir və ya bir neçə orbital olur. Bu orbitallar nüvəyə yaxın orbitaldan başlayaraq sayılırlar. Nüvəyə daha yaxın olan orbital daha aşağı enerji səviyyəsinə malikdir. Elektronlar bir orbitaldan digərinə keçə bilirlər. Elektron yüksək enerji səviyyəli orbitaldan aşağı enerji səviyyəli orbitala keçdikdə foton verir. Aşağı enerji səviyyəli orbitaldan yüksək enerji səviyyəli orbitala keçmək üçün elektron foton udur. Helium atomunun nüvəsinin ətrafında bir orbital var və bu orbitalda iki elektron hərəkət edir. Oksigenin nüvəsinin ətrafında iki orbital var. Bunlardan birincisində iki elektron, ikincisində isə altı elektron hərəkət edir.

Elektronlar orbitallarda daim bir istiqamətdə dönmürlər. Onlar ən müxtəlif istiqamətlərdə hərəkət edə bilirlər. Bu səbəbdən müəyyən vaxtda elektronun orbitaldakı yerini dəqiq demək mümkün deyil.

 

Hidrogen atomunun həyəcanlanma halları zamanı orbitalların görünüşü

Əslində orbitallar çox vaxt sferadan fərqli formalarda olurlar. Ən sadə formaya malik hidrogen atomunda elektron sferik formalı orbitalda hərəkət edə bilər. Lakin daha yüksək enerji səviyyəli atomlarda orbitallar halqa və dilim kimi şəkillər ala bilirlər.

Subatomik hissəciklər

Proton: iki yuxarı kvark, bir aşağı kvark və onları birləşdirən qlüonlar

Atomun nüvəsini təşkil edən protonlar və neytronlar elementar hissəciklərdən - kvarklardan, daha doğrusu onların iki növündən ibarətdir. İndiyə qədər aparılmış tədqiqatlar elektronun daha kiçik hissəciklərdən ibarət olduğunu sübut edə bilməmişdir. Buna görə hələ ki, elektron elementar hissəcik hesab olunur.

Proton iki yuxarı kvark, bir aşağı kvark və onları birləşdirən qluonlardan təşkil olunmuşdur. Neytron iki aşağı kvark, bir yuxarı kvark və onları birləşdirən qluonlardan təşkil olunmuşdur.