ATOMUL

Student: Ghiţă Alexandra-Maria

An Universitar : 2011-2012Grupa : 622 AC

Cuprins:

INVELISUL ELECTRONIC AL ATOMULUINUMERE CUANTICE ELECTRONICE

STRATURI, SUBSTRATURI SI ORBITE ELECTRONICENUCLEUL ATOMIC

INTERACTIUNEA ELECTRONULUI CU NUCLEONIIINTERACTIUNEA NEUTRONILOR SI PROTONILOR CU

NUCLEUL ATOMICREACTIA DE FISIUNE NUCLEARA NECONTROLATA

INVELISUL ELECTRONIC AL ATOMULUI

Atomul este cea mai complexa particula existenta in natura.Atomul este alcatuit din invelis electronic, nucleu si orbite.Orbitele atomului sunt de doua feluri, orbitele electronice si nucleare.Invelisul electronic al atomului se compune din orbitele electronice pe care sunt asezati si se rotesc electronii.Orbitele electronice sunt dispuse la exteriorul nucleului atomic pe sapte straturi K, L, M, N, O, P, Q si sapte substraturi s, p, d, f, g, h, i care contin un numar de 140 de orbite electronice indiferent de natura atomului.

Electronii sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ.Nucleul atomic se compune din orbitele nucleare pe care sunt asezati si se rotesc nucleonii: protonii si neutronii.Orbitele nucleare sunt dispuse in interiorul nucleului atomic pe sapte straturi A, B, C, D, E, F, G si contin un numar de sapte orbite nucleare inchise in jurul unui centru de masa, indiferent de natura atomului.

Invelisul electronic al atomului este alcatuit din electroni care sunt asezati si se rotesc pe orbite electronice situate la exteriorul nucleului atomic.Pentru a explica modul de asezare a electronilor in jurul nucleului, cum si spectrul de linii (discontinuu) dat de atomii diferitelor elemente, Niels Bohr, folosind modelul atomului planetar al lui Rutherford si teoria cuantelor a lui Plank, formuleaza in 1913 trei postulate:- miscarea electronului in jurul nucleului se face numai pe anumite orbite, stationare sau permise care corespund unor energii cuantificate a atomului in cursul miscarii electronului pe o orbita permisa, atomul isi conserva energia sa totala, adica nu absoarbe si nu emite energie- absorbtia sau emisia de energie luminoasa are loc numai la salturile electronului de pe orbita inferioara pe una superioara si la revenirea lui inapoi.Electronii au energie si masa.Acestea pot fi, constante atunci electronul se gaseste pe orbita fundamentala, sau poate creste prin absorbtia unui foton din exteriorul atomului si atunci acesta va trece pe o orbita superioara.Acest foton este o particula neutra din punct de vedere electric si se numeste foton electronic care arata starea de excitatie a atomului.

Electronul aflat pe aceasta orbita, nu are o situatie stabila si va reveni pe orbita fundamentala, eliberand fotonul electronic si energia primita.

Odata cu emiterea acestui foton electronic atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala.Variatia energiei dintre cele dou“ stari este data de relatia DE = Ey - Ei = hn.Atomul de hidrogen are un singur electron, intre acesta si nucleu exista o forta de atractie electrostatica a carei intensitate este prezentata in ecuatia 1, iar pentru ca electronul sau sa nu cada pe nucleu exista o forta centrifuga 2 care este egala cu forta de atractie electrostatica, de unde rezulta ecuatia 3.

Actiunea electronului care se roteste pe orbita in miscare de revolutie, mor2w2p, este egala cu un multiplu al lui h, adica ecuatia mor2w2p = nh, unde n = 1,2,3....Ridicam la patrat ecuatia si o impartim la ecuatia de mai sus si obtinem ecuatia 4, de unde rezulta ca, razele orbitelor atomului de hidrogen 5 sunt proportionale cu patratele numerelor intregi 1, 4, 9, 16,... (Tabelul 1a).Electronul care se roteste pe o orbita are, pe de o parte energie cinetica 6, unde membrul din dreapta este egal cu ecuatia 7, iar pe de alta parte contine si energie potentiala 8 care este negativa, deoarece in timpul caderii sale pe o orbita mai apropiata de nucleu, electronul pierde energie pe care o cedeaza in exterior. In cazul acesta, energia totala este 9, unde introducem valoarea lui r si obtinem valoarea electronului pe orbita n, 10. Daca electronul cade de pe o orbita superioara m, pe una inferioara n, atunci se elibereaza diferenta de energie Em - En = hn si deci, frecventa energiei emise este conform ecuatiei 11. Fractia din fata parantezei contine numai marimi constante, de unde se obtine constanta lui Rydberg, R = 3,288 . 1015Hz.

Numere cuantice Electronul ocupand o orbita este caracterizat prin 4 numere cuantice. 1. Numarul cuantic principal n determina numarul straturilor electronice. Electronii cu acelasi numar cuantic principal se gasesc la aceeasi distanta de nucleu formand un strat electronic.Numarul cuantic principal poate avea valorile n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 si 7 care se numesc stratul K, L, M, N, O, P si Q.Stratul n=1 se numeste stratul electronic K care se afla cel mai aproape de nucleul atomic si are nivelul energetic cel mai mic. Cu cat valorile lui n sunt mai mari, cu atat stratul se afla la o distanta mai mare de nucleu, legatura dintre electronii existenti din acel strat si nucleul atomului este mai slaba. 2. Numarul cuantic secundar l determina substraturile electronice, adica orbitele si forma lor care poate fi circulara sau eliptica.Valorile lui l depinde de valoarea corespunzatoare a lui n, iar l poate avea valorile 0, 1, 2, 3,...n - l, deoarece intre numere cuantice n si l exista relatia l = n - 1.

De exemplu, pentru stratul M determinat de numarul cuantic principal n = 3, vom avea trei substraturi electronice pentru care l are valorile 0, l si 2. Cu cat l are valoarea mai mica cu atat orbita sa eliptica este mai alungita, la valoarea maxima a lui l, adica l = n - l, elipsa se transforma in cerc. 3. Numarul cuantic magnetic m determina pozitia spatiala (orientarea in spatiu) a planului orbitelor electronice. El poate avea toate valorile intregi negative si pozitive cuprinse intre - l si + l:-l,...-2, -1, 0, +1, +2,...+lDe exemplu; l = 0; m = 0;l = l ; m = - l, 0, + l;l = 2; m = -2, -1, 0, + l, + 2. 4. Numarul cuantic al spinului s se datoreste miscarii electronului in jurul propriei sale axe, miscare numita spin electronic care da nastere unui moment magnetic propriu al electronului.

Straturi si substraturi electronice Straturile si substraturile electronice corespunzatoare numerelor cuantice principale n si secundare l vor contine, incepand de la nucleu (stratul K) spre periferie (stratul Q), numarul maxim de electroni.Numarul maxim de electroni pe straturin - 1 2 3 4 5 6 7strat - K L M N O P QN=2n2 - 2 8 18 32 50 72 98Num“rul maxim de electroni pe substraturil - 0 1 2 3 4 5 6substrat - s p d f g h iN=2(2l+1) - 2 6 10 14 18 22 26In fizica atomica notarea substratului electronic l = 0, avand 2 electroni se face cu litera mica s, substraturile cu 6, 10, 14, 18, 22, 26 electroni, adica substraturile l = 1, 2, 3, 4, 5, 6 cu literele p, d, f, g, h, i.Fiecare strat de electroni este format din substraturi, iar substraturile sunt alcatuite din una sau mai multe orbite, intre care exista diferente de energie.Orbitele sunt de sapte feluri si se noteaza cu literele mici s, p, d, f, g, h, i. Orbitele de acelasi tip formeaza un substrat. Intr-un strat de electroni pot exista cel mult sapte feluri de substraturi corespunzator celor sapte tipuri de orbite.

Se stie ca, la fiecare nivel de energie (valoarea permisa a energiei unui sistem cuantic atom, molecula etc., raportata la o anumita stare ca stare fundamentala: ex., invelisul de electroni K, cu numar cuantic principal n = 1, este nivelul de energie cel mai slab), corespunde un anumit numar de orbite, rezulta ca, numarul maxim de electroni dintr-un substrat este bine determinat, dupa cum urmeaza:-intr-un substrat s exista 1 orbita s,-intr-un substrat p exista 3 orbite p,-intr-un substrat d exista 5 orbite d,-intr-un substrat f exista 7 orbite f,-intr-un substrat g exista 9 orbite g,-intr-un substrat h exista 11 orbite h,-intr-un substrat i exista 13 orbite i.

Nucleul atomicNucleul atomic reprezinta samburele atomului si este alcatuit din nucleoni, protoni si neutroni care sunt asezati si se rotesc pe orbite nucleare.In nucleul atomic protonii si neutronii se deplaseaza pe orbite circulare inchise in jurul unui centru de masa.In nucleul atomic este concentrata toata energia si masa atomului.In nucleul atomic exista cea mai mare densitate de particule din alcatuirea atomului.Protonii si neutronii au si ei energie si masa.Energia si masa acestor nucleonii este constanta cand acestia se afla pe orbita nucleara fundamentala, in cazul atomilor stabili, dar exista posibilitatea ca, energia acestor nucleoni sa creasca sau sa scada prin:

- interactiunea unui electron ori a unui foton nuclear g sau X cu nucleoni- dezintegrare nucleara radioactiva- interactiunea neutronilor si protonilor cu nucleoni care sunt de trei feluri:1 - imprastierea elastica2 - captura neutronilor si protonilor3 - fisiunea nucleara

Interactiunea electronilor

Interactiunea electronilor sau fotonilor nucleari g sau X cu particulele nucleului atomic protoni si neutroni este identica, indiferent de substanta sau materia cu care interactioneaza.Un lucru este foarte important de precizat si anume ca, particulele nucleului atomic absorb si emit energie, pe acelasi principiu ca si in cazul electronilor din invelisul electronic al atomului. In cazul interactiunii electronilor (-e) sau fotonilor g ori X cu protoni, acestia emit perechi de particule electroni (-e) - pozitroni (+e) si se transforma in neutroni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, iar datorita acestei interactiuni atomul a trecut din starea fundamentala in starea de excitatie. Electroni (-e) si pozitroni (+e) emisi formeaza radiatiile b alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii a formate din pozitroni, particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv.

INTERACTIUNEA NEUTRONILOR SI PROTONILOR CU NUCLEUL ATOMIC

Interactiunea particulelor nucleare neutroni si protoni cu nucleele atomice sunt cele mai puternice interactiuni existente la nivelul nucleului atomic.Neutronii nu au sarcin“ electrica si interactioneaza cu nucleele atomice in trei feluri. 1. Imprastierea elastica. Neutronul loveste nucleul si ambele particule ca doua sfere elastice se imprastie, fara ca sa produca vreo reactie nucleara.Imprastierea elastica a particulelor se produce dupa legile ciocnirii din mecanica, neutronul si nucleul dupa ciocnire se deplaseaza in directii diferite. 2. Captura neutronilor. Neutronul patrunde in nucleu si provoaca o transmutatie nucleara.La interactiunea neutronului cu atomul de hidrogen, acesta captureaza un neutron devine hidrogen greu sau deuteriu.11H (n, g) 21D 3. Fisiunea nucleara. Neutronul patrunde in nucleu si sparge nucleul in mai multe fragmente (de regula in doua fragmente).Un neutron care interactioneaza cu nucleul atomic aduce cu el si o cantitate de energie.

In cazul interactiuni neutronilor cu nuclee de uraniu 23592U acestea se sparg in doua nuclee, unul de bariu 14556Ba si unul de kripton 8836Kr si se emit trei neutroni n, fenomen cunoscut sub denumirea de reactie de fisiune nucleara.Nucleele care iau nastere prin fisiune nucleara devin nuclee radioactive care emit radiatii a, b si g, iar neutroni emisi produc o cascada de reactii de fisiune nucleara in lant cu nucleele atomilor A intalniti in calea lor.

La fiecare fisiune a nucleului se emit 2, 3 sau mai multi neutroni.10n + 23592U => 14055Cs + 9437Rb + 2 10n10n + 23592U => 14556Cs + 8836Kr + 3 10n10n + 23592U => 14557Cs + 9735Rb + 4 10nNeutroni emisi in procesul fisiunii nucleare au o energie si viteza foarte mare.Fenomenele ar putea fi identice si in cazul interactiunii protonilor cu nucleele atomice.