Átomo
Informações de fundo
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| Átomo de hélio | ||||||||
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| Uma ilustração do hélio átomo, que descreve o núcleo (rosa) ea distribuição nuvem de elétrons (preto). O núcleo (parte superior direita) é, na realidade, com simetria esférica, embora para núcleos mais complicadas esta nem sempre é o caso. A barra preta é um ångström, igual a 10 -10 m ou 100 mil fm. | ||||||||
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Um átomo é o mais pequeno de partícula que compreende um elemento químico . Um átomo é composto por uma nuvem de elétrons que rodeia um denso núcleo . Este núcleo contém positivamente carregada prótons e eletricamente neutras nêutrons , enquanto a nuvem circundante é composta de carregadas negativamente elétrons . Quando o número de protões do núcleo é igual ao número de electrões, o átomo é electricamente neutra; caso contrário, é um ião e tem uma carga positiva ou negativa líquida. Um átomo é classificado de acordo com seu número de prótons e nêutrons: o número de prótons determina o elemento químico eo número de nêutrons determina o isótopo do elemento. O conceito do átomo como um componente indivisível da matéria foi proposta pela primeira vez pelo início dos indianos e gregos filósofos. Nos séculos 17 e 18, os químicos forneceram uma base física para esta ideia mostrando que determinadas substâncias não poderiam ser ainda mais discriminadas por métodos químicos. Durante o século 19 e início dos anos do século 20, os físicos descobriram componentes e estrutura subatômicas dentro do átomo, demonstrando, assim, que o "átomo" não era indivisível. Os princípios da mecânica quântica , incluindo a dualidade onda-partícula da matéria, foram usadas com sucesso para modelar o átomo.
Relativa à experiência cotidiana, os átomos são objetos minúsculos com massas proporcionalmente minúsculos que só podem ser observados individualmente usando instrumentos especiais, como o digitalização tunneling microscópio. Mais de 99,9% da massa de um átomo é concentrada no núcleo, com protões e neutrões tendo cerca de massa igual. Em átomos com muitos ou poucos nêutrons em relação ao número de prótons, o núcleo é instável e sujeita a decaimento radioativo. Os elétrons em torno do núcleo ocupar um conjunto de estável os níveis de energia, ou orbitais, e eles podem fazer a transição entre esses estados pela absorção ou emissão de fótons que correspondem às diferenças de energia entre os níveis. Os elétrons determinam as propriedades químicas de um elemento, e influenciam fortemente de um átomo magnético propriedades.
História
O conceito de que a matéria é composta de unidades discretas e não pode ser dividida em quantidades minúsculas de forma arbitrária tem sido em torno de milênios, mas essas idéias foram fundados em raciocínio abstrato, filosófico em vez de experimentação e observação empírica. A natureza dos átomos na filosofia variaram consideravelmente ao longo do tempo e entre as culturas e escolas, e elementos espirituais muitas vezes tive. No entanto, a idéia básica do átomo foi adotado por cientistas milhares de anos mais tarde, porque elegantemente explicado novas descobertas no campo da química.
As primeiras referências ao conceito de átomos remontam à antiga Índia no século 6 AEC. O Nyaya e Escolas Vaisheshika desenvolvido elaborado teorias de como os átomos combinados em objetos mais complexos (primeiro em pares, trios, em seguida, de pares). As referências aos átomos no Ocidente surgiu um século mais tarde a partir de Leucipo cujo estudante, Demócrito, sistematizou seus pontos de vista. Em aproximadamente 450 aC, Demócrito cunhou os Átomos prazo ( grego ἄτομος), o que significava "uncuttable" ou "a menor partícula indivisível da matéria", ou seja, algo que não pode ser dividido. Embora os conceitos indianas e gregas do átomo foram puramente baseado em filosofia, a ciência moderna tem mantido o nome cunhado por Demócrito.
Mais progressos na compreensão dos átomos não ocorreu até a ciência da química começou a desenvolver. Em 1661, o filósofo natural Robert Boyle publicado O Chymist céptico no qual ele argumentou que a matéria era composta de várias combinações de diferentes "corpúsculos", ou átomos, ao invés do elementos clássicos de ar, terra, fogo e água. Em 1789 o elemento termo foi definido pelo nobre francês e pesquisador científico Antoine Lavoisier para significar substâncias básicas que não poderia ser mais discriminadas pelos métodos da química.
Em 1803, o inglês John Dalton , um instrutor e um filósofo natural, usou o conceito de átomos de elementos para explicar por que sempre reagiu em uma proporção de pequenos números inteiros -a lei das proporções múltiplas-e por que certos gases dissolvidos na água melhor do que outros. Propôs que cada elemento é constituído por átomos de um tipo único, original, e que esses átomos poderiam aderir uns aos outros, para formar compostos químicos.
Validação adicional da teoria de partículas (e, por extensão teoria atômica) ocorreu em 1827, quando o botânico Robert Brown usou um microscópio para olhar para grãos de poeira que flutuam na água e descobriu que eles se moviam sobre erraticamente-um fenômeno que ficou conhecido como " Movimento Browniano ". J. Desaulx sugeriu em 1877 que o fenómeno foi causado pelo movimento térmico das moléculas de água, e, em 1905, Albert Einstein produziu a primeira análise matemática do movimento, confirmando assim a hipótese.
O físico JJ Thomson , através de seu trabalho em raios catódicos em 1897, descobriu o elétron e sua natureza subatômica, que destruiu o conceito de átomos como sendo unidades indivisíveis. Thomson acreditava que os electrões foram distribuídos ao longo do átomo de, com a sua carga em relação à presença de um mar uniforme de carga positiva (o ameixa modelo de pudim).
No entanto, em 1909, os pesquisadores sob a direção do físico Ernest Rutherford bombardeou uma folha de folha de ouro com íons de hélio e descobriu que uma pequena porcentagem foram desviados através de ângulos muito maiores do que o previsto usando proposta da Thomson. Rutherford interpretou a experimento folha de ouro como sugerindo que a carga positiva do átomo e a maioria da sua massa foi concentrada em um núcleo no centro do átomo (o Modelo de Rutherford), com os elétrons que orbitam-lo como planetas em torno de um sol. Íons de hélio positivamente carregados que passam próximo a este núcleo denso seria então desviado ângulos afastado em muito mais nítidas.
Ao experimentar com os produtos de decaimento radioativo, em 1913 radioquímico Frederick Soddy descobriu que parecia haver mais do que um tipo de átomo, em cada posição na tabela periódica. O termo isótopo foi cunhado por Margaret Todd como um nome adequado para diferentes átomos que pertencem ao mesmo elemento. JJ Thomson criou uma técnica para separar tipos de átomos através de seu trabalho sobre gases ionizados, que posteriormente levaram à descoberta de isótopos estáveis.
Enquanto isso, em 1913, o físico Niels Bohr revisto o modelo de Rutherford, sugerindo que os elétrons estavam confinados em órbitas bem definidas, e pode saltar entre estes, mas não poderia espiral livremente dentro ou para fora em estados intermediários. Um elétron deve absorver ou emitir quantidades específicas de energia para fazer a transição entre essas órbitas fixas. Quando a luz a partir de um material aquecido é passado através de um prisma, é produzido um multi-colorido espectro. O aparecimento de fixo linhas neste espectro foi explicado com êxito pelas transições orbitais.
Em 1926, Erwin Schrödinger, usando 1924 A proposta de Louis de Broglie que as partículas se comportam de uma forma como ondas, desenvolveram um modelo matemático do átomo que descreveu como os elétrons tridimensional formas de onda, ao invés de partículas pontuais. Uma consequência da utilização de formas de onda para descrever electrões é que é matematicamente impossível obter valores precisos, tanto para o posição e momento de uma partícula ao mesmo tempo; Isto tornou-se conhecido como o O princípio da incerteza. Neste conceito, para cada medição de posição só se podia obter uma gama de valores prováveis para impulso, e vice-versa. Embora este modelo era difícil conceituar visualmente, ele foi capaz de explicar observações do comportamento atômico que os modelos anteriores não podia, tal como determinado estrutural e padrões espectrais de átomos de hidrogénio maiores do que. Assim, o modelo planetário do átomo foi rejeitado em favor de um que descrito zonas orbital em torno do núcleo, onde um dado de electrões é muito provavelmente a existir.
O desenvolvimento do espectrómetro de massa permitiu a massa exacta de átomos a ser medido. O dispositivo utiliza um íman para curvar a trajectória de um feixe de iões, e a quantidade de deflexão é determinada pela razão da massa de um átomo para a sua carga. O químico Francis William Aston utilizado este instrumento para demonstrar que tinha isótopos diferentes massas. A massa destes isótopos variou por quantidades inteiros, o chamado regra número inteiro. A explicação para esses isótopos atômicos diferentes aguardava a descoberta do neutrão , uma partícula neutra carregada com uma massa semelhante à de protões , pelo físico James Chadwick em 1932. Os isótopos foram, em seguida, explicado como elementos com o mesmo número de protões, mas diferentes números de neutrões no interior do núcleo.
Na década de 1950, o desenvolvimento de uma melhor acelerador de partículas e detectores de partículas permitiu aos cientistas estudar os impactos de átomos que se deslocam a altas energias. Nêutrons e prótons foram encontrados para ser hádrons, ou compósitos de partículas menores chamados quarks . Os modelos padrão da física nuclear foram desenvolvidos que explicou com sucesso as propriedades do núcleo em termos dessas partículas sub-atômicas e as forças que governam suas interações.
Por volta de 1985, Steven Chu e colegas de trabalho na Bell Labs desenvolveu uma técnica para diminuir as temperaturas de átomos usando lasers . No mesmo ano, uma equipe liderada por William D. Phillips conseguiu conter átomos de sódio numa armadilha magnética. A combinação destas duas técnicas e um método baseado na Efeito Doppler, desenvolvido pela Claude Cohen-Tannoudji e seu grupo, permite que um pequeno número de átomos de ser arrefecido a vários microkelvin . Isto permite que os átomos de ser estudado com grande precisão, e depois levou à descoberta de Condensação de Bose-Einstein.
Historicamente, átomos individuais têm sido proibitivamente pequena para aplicações científicas. Recentemente, foram construídos dispositivos que utilizam um único átomo de metal ligada através orgânica ligandos para construir um transistor único elétron. Os experimentos foram realizados com armadilhas ea desaceleração átomos individuais utilizando resfriamento em uma cavidade laser para obter uma melhor compreensão física da matéria.
Componentes
Partículas subatômicas
Embora a palavra átomo originalmente designava uma partícula que não pode ser cortado em pequenas partículas, em uso científica moderna do átomo é composto por várias partículas subatômicas. As partículas constituintes de um átomo consistem no elétron , o próton e, para outros do que os átomos de hidrogénio-1 , o nêutron .
O electrões é de longe o menos massiva destas partículas em 9,11 x 10 -28 g, com um negativo carga eléctrica e um tamanho que é demasiado pequeno para ser medido utilizando técnicas disponíveis. Protões têm uma carga positiva e uma massa de 1836 vezes maior do que a de electrões, em 1,6726 x 10 -24 g, embora este possa ser reduzido por alterações ao atómica energia de ligação. Nêutrons não têm carga elétrica e têm uma massa livre de 1.839 vezes a massa dos elétrons, ou 1,6929 x 10 -24 g. Prótons e nêutrons têm dimensões-na ordem de 2,5 × 10 -15 comparáveis m-embora a "superfície dessas partículas não é bem definida.
No Modelo Padrão da física, ambos os prótons e nêutrons são compostos de partículas elementares chamadas quarks . O quark é um tipo de férmion, um dos dois constituintes básicos da matéria-o outro sendo o leptão, da qual o electrão é um exemplo. Existem seis tipos de quarks, e cada um tem uma carga elétrica fracionária de qualquer +2/3 ou -1/3. Os protões são compostos por dois quarks up e um quark down, enquanto um nêutron é composto por um quark up e dois para baixo quarks. Esta distinção é responsável pela diferença na massa e carga entre as duas partículas. Os quarks são mantidos juntos pela força nuclear forte, que é mediada por glúons. O gluão é um membro da família de bósons, que são partículas elementares que medeiam físicas forças .
Núcleo
Todos os prótons e nêutrons ligados em um átomo tornar-se um pequeno núcleo atômico , e são chamados coletivamente nucleons. O raio de um núcleo é aproximadamente igual ![\ Begin {} smallmatrix 1,07 \ cdot \ sqrt [3] {A} \ end {smallmatrix}](../../images/170/17089.png)
fm, onde A é o número total de núcleos. Este é muito mais pequeno do que o raio do átomo, o qual é da ordem de 10 5 fm. Os núcleos estão unidos por um curto alcance potencial atraente chamada força forte residual. A distâncias inferiores a 2,5 fm, esta força é muito mais poderosa do que a força eletrostática que faz com que prótons positivamente carregados se repelem.
Átomos do mesmo elemento ter o mesmo número de protões, o chamado número atómico . Dentro de um único elemento, o número de neutrões podem variar, a determinação do isótopo do mesmo elemento. O número de neutrões em relação aos protões determina a estabilidade do núcleo, com certos isótopos submetidos decaimento radioativo.
O nêutron eo próton diferentes tipos de férmions. O Princípio de exclusão de Pauli é uma mecânica quântica sentido de que proíbe férmions idênticos (tais como vários prótons) de ocupar o mesmo estado quântico, ao mesmo tempo. Assim, cada próton no núcleo deve ocupar um estado diferente, com o seu próprio nível de energia, ea mesma regra se aplica a todos os nêutrons. (Esta proibição não se aplica a um próton e do nêutron ocupando o mesmo estado quântico.)
Um núcleo que tem um número diferente de nêutrons prótons que potencialmente pode cair para um estado de energia mais baixo através de um decaimento radioativo que faz com que o número de prótons e nêutrons para combinar mais de perto. Como resultado, os átomos com números de prótons e nêutrons correspondentes são mais estáveis contra a cárie. No entanto, com o aumento do número atômico, a repulsão mútua dos prótons requer uma proporção crescente de nêutrons para manter a estabilidade do núcleo, que modifica ligeiramente esta tendência de um número igual de prótons para neutrons.
O número de prótons e nêutrons no núcleo atômico pode ser modificada, embora isso possa exigir energias muito altas por causa da força forte. A fusão nuclear ocorre quando várias partículas atômicas se juntar para formar um núcleo mais pesado, como através da colisão energética de dois núcleos. No núcleo do Sol, prótons exigem energias de 3-10 KeV para superar sua repulsa mútua-o coulomb barreira e se fundem em um único núcleo. A fissão nuclear é o processo oposto, causando um núcleo a se dividir em dois núcleos-geralmente menores através de decaimento radioativo. O núcleo também pode ser modificada através de bombardeio por partículas subatômicas de alta energia ou fótons. Em tais processos que alteram o número de protões em um núcleo, o átomo torna-se um átomo de um elemento químico diferente.
A massa do núcleo na sequência de uma reacção de fusão é menos do que a soma das massas das partículas separadas. A diferença entre estes dois valores é emitida a energia, tal como descrito por Albert Einstein 's fórmula de equivalência massa-energia, E = mc², onde m é a perda de massa e c é a velocidade da luz . Este défice é o energia do núcleo obrigatório.
A fusão dos dois núcleos que têm os números atómicos mais baixos do que ferro e níquel é um processo exotérmico que libera mais energia do que é necessário para trazê-los juntos. É este processo de liberação de energia que faz a fusão nuclear em estrelas uma reação auto-sustentável. Para núcleos mais pesados, a energia de ligação total começa a diminuir. Isso significa que os processos de fusão com núcleos que têm números atômicos mais altos é uma processo endotérmico. Estes núcleos mais maciças não pode sofrer uma reação de fusão à produção de energia que pode sustentar o equilíbrio hidrostático de uma estrela.
Electron nuvem
Os elétrons em um átomo são atraídos para os prótons no núcleo pela força eletromagnética . Esta força liga os elétrons dentro de um eletrostático poço de potencial em torno do núcleo mais pequeno, o que significa que é necessária uma fonte externa de energia para que o electrão para escapar. Quanto mais perto um electrão é o núcleo, maior é a força de atracção. Assim electrões ligados perto do centro do poço de potencial exigem mais energia para escapar do que aqueles para o exterior.
Elétrons, como outras partículas, têm propriedades de ambos, partícula e uma onda. A nuvem de elétrons é uma região no interior do poço de potencial, onde cada elétron forma um tipo de tridimensional estando forma de onda que não se move em relação ao núcleo de uma onda. Este comportamento é definido por uma orbital atómica, uma função matemática que caracteriza a probabilidade de que um electrão aparece para ser num local em particular, quando a sua posição é medida. Apenas um discreto (ou quantificado) conjunto destes orbitais existem em torno do núcleo, como outros padrões possível onda irá decair rapidamente para uma forma mais estável. Orbitais pode ter um ou mais anel ou nó de estruturas, e que diferem uns dos outros em tamanho, forma e orientação.
Cada um corresponde orbitais atómicas a uma especial nível de energia do elétron. O elétron pode alterar seu estado para um maior nível de energia por absorver um fóton com energia suficiente para impulsioná-lo para o novo estado quântico. Do mesmo modo, através emissão espontânea, um elétron em um estado de energia mais elevado pode cair para um estado de energia mais baixo, enquanto que irradia o excesso de energia como um fóton. Estes valores de energia característicos, definidos pelas diferenças nas energias dos estados quânticos, são responsáveis por linhas espectrais atômicas .
A quantidade de energia necessária para remover ou adicionar um elétron (o electrões energia de ligação) é muito menos do que o energia de núcleos de ligação. Por exemplo, ela requer apenas 13,6 eV para tirar uma de electrões do estado fundamental de um átomo de hidrogénio. Os átomos são eletricamente neutros, se eles têm um número igual de prótons e elétrons. Átomos que têm num défice ou um excedente de elétrons são chamados de íons . Os electrões que estão mais distantes do núcleo podem ser transferidos para outros átomos próximos ou partilhada entre átomos. Por este mecanismo, os átomos são capazes de se ligar a moléculas e outros tipos de compostos químicos como iónico e rede covalente cristais.
Propriedades
Por definição, quaisquer dois átomos com um número idêntico de protão em seus núcleos pertencem ao mesmo elemento químico . Átomos com o mesmo número de protões, mas um número diferente de neutrões são diferentes isótopos do mesmo elemento. Os átomos de hidrogénio, por exemplo, sempre tem apenas um único próton, mas isótopos existir sem nêutrons ( , às vezes chamado protium, de longe, a forma mais comum de hidrogênio-1), um nêutron ( deutério) e dois nêutrons ( trítio). Os elementos conhecidos formar uma faixa contínua de números atómicos de hidrogénio com um único protão-se para o elemento 118 de protões ununoctium . Todos os isótopos conhecidos de elementos com números atômicos maiores que 82 são radioativos.
Massa
Uma vez que a grande maioria da massa de um átomo vem dos protões e neutrões, o número total destas partículas em um átomo é chamado o número de massa. O massa de um átomo em repouso é frequentemente expressa usando o unidade unificada massa atómica (u), que é também chamado um Daltons (Da). Esta unidade é definida como uma décima segunda da massa de um átomo neutro livre de carbono-12, que é de aproximadamente 1,66 × 10 -24 g. de hidrogénio-1, o isótopo mais leve de hidrogénio e o átomo com a menor massa, tem um peso atómico de 1,007825 u. Um átomo tem uma massa aproximadamente igual ao número de vezes a massa de unidades de massa atómica. O mais pesado átomo estável é o chumbo-208, com uma massa de 207,9766521 u.
Como até mesmo os átomos mais massivas são demasiado luz para trabalhar com diretamente, os químicos, em vez usar a unidade de mol. A toupeira é definida de tal forma que uma mole de qualquer elemento terá sempre o mesmo número de átomos (cerca de 6,022 x 10 23 ). Este número foi escolhido de modo que se um elemento tem uma massa atómica de 1 u, mole de átomos desse elemento terá uma massa de 1 g. carbono , por exemplo, tem uma massa atómica de 12 L, por isso uma mole de carbono átomos pesa 12 g.
Tamanho
Átomos falta um limite exterior bem definida, de modo que as dimensões são geralmente descritas em termos das distâncias entre os dois núcleos, quando os dois átomos são unidas numa ligação química . O raio varia com a localização de um átomo no gráfico atómica, o tipo de ligação química, o número de átomos vizinhos ( número de coordenação) e uma mecânica quântica propriedade conhecida como rodada. Na tabela periódica dos elementos, tamanho átomo tende a aumentar quando se movendo para baixo colunas, mas diminui quando se deslocam ao longo de linhas (esquerda para a direita). Consequentemente, o menor átomo de hélio é, com um raio de 32 pm, enquanto um dos maiores é de césio a 225 pm. Essas dimensões são milhares de vezes menores que os comprimentos de onda de luz (400-700 nm) para que eles não podem ser visualizados usando um microscópio óptico . No entanto, átomos individuais pode ser observada usando um digitalização tunneling microscópio.
Alguns exemplos irão demonstrar a pequenez do átomo. Um fio de cabelo humano típico é de cerca de 1 milhão de átomos de carbono em largura. Uma única gota de água contém cerca de 2 sextillion (2 × 10 21) átomos de oxigênio, e duas vezes o número de átomos de hidrogênio. Uma única quilate de diamante com uma massa de 0,2 g contém cerca de 10 sextillion átomos de carbono . Se uma maçã foi ampliada para o tamanho da Terra, então os átomos na maçã seria aproximadamente o tamanho da maçã originais.
Decaimento radioativo
Cada elemento tem um ou mais isótopos que têm núcleos instáveis que estão sujeitas a decaimento radioactivo, fazendo com que o núcleo de emitir partículas ou radiação electromagnética. A radioactividade pode ocorrer quando o raio de um núcleo é grande em comparação com o raio da força forte, que só actua sobre distâncias da ordem de 1 fm.
Há três formas primárias de decaimento radioativo:
- Decaimento alfa é causado quando o núcleo emite uma partícula alfa, que é um núcleo de hélio que consiste em dois protões e dois neutrões. O resultado da emissão é um novo elemento com um menor número atômico .
- O decaimento beta é regulado pelo força fraca, e resulta de uma transformação de um nêutron em um próton, ou um próton em um nêutron. A primeira é acompanhada pela emissão de um elétron e um antineutrino, enquanto o segundo provoca a emissão de um positrões e um neutrino. As emissões de elétrons ou pósitrons são chamados de partículas beta. Decaimento beta aumenta ou diminui o número atômico do núcleo por um.
- Gama resultados de decaimento a partir de uma alteração no nível de energia do núcleo para um estado mais baixo, resultando na emissão de radiação electromagnética. Isso pode ocorrer após a emissão de um alfa ou uma partícula beta do decaimento radioativo.
Cada um isótopo radioactivo tem um tempo de decaimento característico do período de semi-vida , isto é determinado pela quantidade de tempo necessário para metade de uma amostra de decaimento. Isto é um processo de decaimento exponencial que constantemente diminui a proporção do isótopo restantes em 50% a cada meia vida. Assim, após duas meias-vidas foram passados apenas 25% do isótopo estará presente, e assim por diante.
Momento magnético
Partículas elementares possuem uma propriedade da mecânica quântica intrínseco conhecido como rodada. Isto é análogo ao momento angular de um objecto que está a girar em torno do seu centro de massa , ainda que estritamente falando estes partículas são acreditados para ser semelhante a ponto e não pode ser dito para ser rotativa. Spin é medido em unidades da reduzida Constante de Planck ( 
), Com elétrons, prótons e nêutrons todas tendo spin ½ , Ou "spin-½". Em um átomo, elétrons em movimento ao redor do núcleo possuem momento angular orbital para além da sua rotação, enquanto que o próprio núcleo possui momento angular, devido à sua spin nuclear.
O campo magnético produzido por um átomo-its -momento magnético é determinado por estas várias formas de momento angular, tal como um objecto carregado rotativo produz classicamente um campo magnético. No entanto, a contribuição mais dominante vem de rotação. Devido à natureza de electrões para obedecer a Princípio de exclusão de Pauli, em que não há dois electrões pode ser encontrado na mesma estado quântico, elétrons ligados emparelhar-se com o outro, com um membro de cada par em um estado de spin para cima e outro na frente, girar estado. Assim, esses spins anulam mutuamente, reduzindo o momento de dipolo magnético total a zero em alguns átomos com mesmo número de elétrons.
Em elementos ferromagnéticos como ferro, um número ímpar de elétrons leva a um elétron não emparelhado e um momento magnético global líquida. Os orbitais de átomos vizinhos se sobrepõem e um estado de energia mais baixo é conseguida quando os spins dos electrões desemparelhados são alinhados uns com os outros, um processo é conhecido como um interação de troca. Quando os momentos magnéticos dos átomos ferromagnéticos são alinhadas, o material pode produzir um campo macroscópica mensurável. Materiais paramagnéticos têm átomos com momentos magnéticos que se alinham em direcções aleatórias campo magnético quando não está presente, mas os momentos magnéticos dos átomos individuais alinhar-se na presença de um campo.
O núcleo de um átomo também podem ter uma rotação líquido. Normalmente, estes núcleos estão alinhados em direcções aleatórias por causa de o equilíbrio térmico. No entanto, para certos elementos (tais como xénon-129 ), é possível polarizar uma proporção significativa dos estados de spin nuclear de modo a que eles estão alinhados na direcção do mesmo uma condição chamada hiperpolarização. Isto tem importantes aplicações em ressonância magnética.
Os níveis de energia
Quando um electrão está ligado a um átomo, que tem um a energia potencial que é inversamente proporcional à sua distância do núcleo. Isto é medido pela quantidade de energia necessária para desassociar o electrões do átomo, e é geralmente dada em unidades de elétron-volts (eV). No modelo da mecânica quântica, um elétron ligado só pode ocupar um conjunto de estados centrados no núcleo, e cada estado corresponde a um nível de energia específico. O menor estado de energia de um elétron ligado é chamado o estado fundamental, enquanto um elétron em um nível de energia mais alto está em um estado animado.
A fim de um electrão para a transição entre dois estados diferentes, que devem absorver ou emitir um fotão a uma energia correspondente a diferença na energia potencial destes níveis. A energia de um fotão emitido é proporcional à sua freqüência, assim que estes níveis de energia específicos aparecem como faixas distintas no espectro eletromagnético. Cada elemento tem um espectro característico que pode depender da carga nuclear, subcamadas preenchido por electrões, as interacções electromagnéticos entre os electrões e outros factores.
Quando um espectro contínuo de energia é passado através de um gás ou de plasma, alguns dos fotões são absorvidos por átomos, causando electrões para alterar o seu nível de energia. Esses elétrons excitados que permanecem ligados ao seu átomo irá emitir espontaneamente esta energia como um fóton, viajando em uma direção aleatória, e assim por cair de volta para níveis de energia mais baixos. Assim, os átomos de se comportar como um filtro que forma uma série de escuro bandas de absorção de energia na saída. (Um observador vendo os átomos a partir de uma direcção diferente, que não inclui o espectro contínuo no fundo, em vez disso, ver uma série de linhas de emissão dos fotões emitidos pelos átomos.) espectroscópicos medições da força e da largura de linhas espectrais permitir que a composição e as propriedades físicas de uma substância a ser determinada.
Um exame mais aprofundado das linhas espectrais revela que alguns exibição de um estrutura de separação fina. Isto ocorre devido acoplamento spin-órbita, que é uma interação entre o spin eo movimento do elétron mais externo. Quando um átomo é de um campo magnético externo, as linhas espectrais tornar-se dividido em três ou mais componentes; um fenômeno chamado de Efeito Zeeman. Isto é causado pela interacção do campo magnético com o momento magnético do átomo e os seus electrões. Alguns átomos pode ter múltiplos configurações eletrônicas com o mesmo nível de energia, o que, portanto, aparecem como uma única linha espectral. A interacção do campo magnético com o átomo desloca estas configurações de electrões para ligeiramente diferentes níveis de energia, resultando em várias linhas espectrais. A presença de um externo campo elétrico pode causar uma divisão e deslocamento das linhas espectrais comparáveis, modificando os níveis de energia de elétrons, um fenômeno chamado de Efeito Stark.
Se um elétron ligado está em um estado animado, um fóton interagindo com a energia adequada pode causar emissão estimulada de um fóton com um nível de energia correspondente. Para que isso ocorra, o elétron deve cair para um estado de energia mais baixo que tem uma diferença de energia combinando a energia do fóton interagindo. O fóton emitido eo fóton interagindo, então, passar ao largo em paralelo e com fases correspondentes. Ou seja, os padrões de movimento dos dois fotões será sincronizado. Esta propriedade física é utilizado para fazer os lasers , que podem emitir um feixe coerente de luz de energia em uma banda de frequência estreita.
Valência
O escudo do elétron mais externo de um átomo em seu estado não combinada é conhecida como a camada de valência, e os elétrons que são chamados shell elétrons de valência. O número de electrões de valência determina a ligação com o comportamento de outros átomos. Átomos tendem a reagir quimicamente com o outro de uma maneira que irá preencher (ou vazio) suas conchas valência exterior.
Os elementos químicos são muitas vezes apresentados numa tabela periódica que é disposta para exibir propriedades químicas recorrentes, e elementos com o mesmo número de electrões de valência formar um grupo que é alinhado na mesma coluna da tabela. (As linhas horizontais correspondem ao enchimento de um escudo do quantum dos elétrons.) Os elementos na extremidade direita da mesa têm a sua casca exterior completamente preenchido com elétrons, o que resulta em elementos quimicamente inertes conhecidos como os gases nobres .
Unidos
Quantidades de átomos são encontrados em diferentes estados da matéria que dependem das condições físicas, tais como a temperatura e pressão. Variando as condições, os materiais podem transição entre sólidos , líquidos , gases e plasmas . Dentro de um estado, um material também pode existir em diferentes fases. Um exemplo disto é o carbono sólido, o qual pode existir na forma de grafite ou diamante .
Em temperaturas perto de zero absoluto , os átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein, em que os efeitos da mecânica quântica ponto, que normalmente só são observadas em escala atômica, tornam-se aparentes em uma escala macroscópica. Esta coleção super-resfriado de átomos, em seguida, se comporta como um único Super Atom, o que pode permitir o controlo fundamentais do comportamento da mecânica quântica.
Identificação
O microscópio de varredura por tunelamento é um dispositivo para a visualização de superfícies em nível atômico. Ele usa o fenómeno de encapsulamento quântica, que permite que as partículas passam através de uma barreira que, normalmente, seria insuperável. Os electrões através do túnel de vácuo entre dois eléctrodos de metal planares, em cada um dos quais é um átomo de adsorvido, proporcionando uma densidade de encapsulamento corrente que pode ser medida. Digitalizar um átomo (tomado como a ponta) que se move passando pela outra (a amostra) permite traçado do deslocamento da ponta contra a separação lateral para uma corrente constante. O cálculo mostra a extensão em que as imagens de varrimento-encapsulamento-microscópio de um átomo individual são visíveis. Ela confirma que para a baixa polarização, as imagens do microscópio as dimensões médias de espaço dos orbitais de elétrons entre os níveis de energia-a de perto embalados nível de Fermi densidade local de estados.
Um átomo pode ser ionizados através da remoção de um dos seus electrões. A carga elétrica faz com que a trajetória de um átomo de dobrar quando passa através de um campo magnético. O raio através da qual a trajectória de um ião movendo é ligada pelo campo magnético é determinado pela massa do átomo. O espectrómetro de massa utiliza este princípio para medir a proporção de massa-para-carga de iões. Se uma amostra contiver vários isótopos, o espectrómetro de massa é possível determinar a proporção de cada isótopo na amostra por medição da intensidade dos diferentes feixes de iões. As técnicas para vaporizar átomos incluem a espectroscopia de emissão atómica de plasma acoplado indutivamente e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado, ambos os quais utilizam um plasma para vaporizar amostras para análise.
Um método mais-selectiva é a área deespectroscopia de perda de energia dos electrões, o qual mede a perda de energia de umfeixe de electrões dentro de ummicroscópio electrónico de transmissão, quando ele interage com uma porção de uma amostra. O tomógrafo átomo-sonda tem resolução sub-nanométrica em 3-D e pode identificar quimicamente átomos individuais utilizando espectrometria de massa de tempo de voo.
Espectros de estados excitados podem ser usadas para analisar a composição atómica de distantes estrelas . Luz específicos comprimentos de onda contidos na luz observada de estrelas podem ser separadas e relacionadas com as transições quantificados em átomos de gás livres. Estas cores podem ser replicadas usando uma lâmpada de descarga de gás que contém o mesmo elemento. Hélio foi descoberta desta forma no espectro dos dom 23 anos antes de ser encontradas na Terra.
Origem e estado atual
Átomos formar cerca de 4% da densidade de massa total do observável universo , com uma densidade média de cerca de 0,25 átomos / m 3 . Dentro de uma galáxia como a Via Láctea , os átomos têm uma concentração muito mais elevada, com a densidade de matéria no meio interestelar (ISM) variando de 10 5 a 10 9 átomos / m 3 . A Sun acredita-se estar dentro da bolha local, uma região de gás altamente ionizado, então a densidade na vizinhança solar é de apenas cerca de 10 3 átomos / m 3 . Estrelas se formam a partir de nuvens densas no ISM, e os processos evolutivos de estrelas resultar no enriquecimento constante do ISM com elementos mais maciças do que hidrogênio e hélio. Até 95% dos átomos da maneira leitosa estão concentrados no interior das estrelas e a massa total de átomos de forma cerca de 10% da massa do Galaxy. (O restante da massa é uma incógnita matéria escura .)
Nucleosynthesis
Prótons e elétrons estáveis apareceu um segundo após o Big Bang . Durante os três minutos seguintes, nucleossíntese do Big Bang produziu a maioria das de hélio , lítio , e átomos de deutério no universo, e talvez alguns dos berílio e boro . Os primeiros átomos (completos com elétrons ligados) foram teoricamente criou 380 mil anos após o Big Bang-uma época chamado de recombinação, quando o universo em expansão esfriado o suficiente para permitir que os elétrons se apegam a núcleos. Desde então, os núcleos atômicos foram combinados em estrelas através do processo de fusão nuclear para produzir elementos até ao ferro.
Isótopos como o lítio-6 são geradas no espaço através de fragmentação dos raios cósmicos. Isso ocorre quando um próton de alta energia atinge um núcleo atômico, causando um grande número de núcleos para ser ejetado. Elementos mais pesados do que o ferro foram produzidos em supernovas através do processo-r e em estrelas AGB através do processo-s, sendo que ambos envolvem a captura de nêutrons por núcleos atômicos. Elementos como chumbo formado em grande parte por meio do decaimento radioativo de elementos mais pesados.
Terra
A maioria dos átomos que compõem a Terra e seus habitantes estavam presentes na sua forma actual na nebulosa que desabou fora de uma nuvem molecular para formar o sistema solar. O resto são o resultado do decaimento radioativo, e sua proporção em relação pode ser usado para determinar a idade da Terra por meio de datação radiométrica. A maior parte do hélio na crosta terrestre (cerca de 99% de hélio a partir de poços de gás, como demonstrado pela sua menor abundância de hélio-3) é um produto de decomposição alfa.
Existem alguns átomos de rastreamento na Terra que não estavam presentes no início (ou seja, não "primordial"), nem são resultados de decaimento radioativo. O carbono-14 é gerada continuamente por raios cósmicos na atmosfera. Alguns átomos na Terra foram gerados artificialmente, deliberadamente ou por-produtos de reactores ou explosões nucleares. Dos elementos-essas transurânicos com números atômicos maiores que 92 só de plutónio e neptunium ocorrem naturalmente na Terra. Transuranic elementos radioativos têm vidas mais curtas do que a idade atual da Terra e quantidades identificáveis destes elementos já há muito deterioradas, com exceção de vestígios de plutônio-244, possivelmente depositados por poeira cósmica. Depósitos naturais de plutónio e neptunium são produzidos por captura de nêutrons em minério de urânio.
A terra contém aproximadamente 1,33 × 10 50 átomos. Na atmosfera do planeta, um pequeno número de átomos independentes existem para os gases nobres , tais como argônio e néon . Os restantes 99% da atmosfera está ligado sob a forma de moléculas, incluindo dióxido de carbono e diatómico oxigénio e azoto . Na superfície da Terra, átomos combinam para formar vários compostos, incluindo a água , sal, silicatos e óxidos. Os átomos também podem se combinar para criar materiais que não consistem em moléculas discretas, incluindo cristais líquidos ou sólidos e metais . Esta matéria atômica faz arranjos em rede que não possuem o tipo particular de pequena escala a fim interrompeu associada à matéria molecular.
Formas raras e teóricas
Enquanto isótopos com números atómicos mais elevados do que chumbo (82) são conhecidas por serem radioactivos, uma " ilha de estabilidade "tem sido proposto por alguns elementos com os números atómicos acima 103. Estes elementos superpesados podem ter um núcleo que é relativamente estável contra o decaimento radioactivo. O candidato mais provável para um átomo superpesado estável, unbihexium, tem 126 prótons e 184 nêutrons.
Cada partícula de matéria tem uma correspondente partícula de antimatéria com a carga elétrica oposta. Assim, o positrão é um antielétron carregado positivamente e o antiproton é um equivalente de carga negativa de um protão. Por razões desconhecidas, partículas de antimatéria são raros no universo, por isso, não há átomos de antimatéria foram descobertos. anti-hidrogênio, a contraparte de antimatéria do hidrogênio, foi produzido pela primeira vez no laboratório CERN, em Genebra , em 1996.
Outro átomos exóticos foram criados, substituindo um dos prótons, nêutrons ou elétrons com outras partículas que têm a mesma carga. Por exemplo, um electrão pode ser substituído por um mais maciça de muões, formando um átomo de muonico. Estes tipos de átomos pode ser usado para testar as previsões fundamentais da física.
