Aatomi mudelite areng

Üks tähtsamaid asju, mida inimesed universumi kohta on teada saanud on see, et “kõik asjad on tehtud aatomitest”. Aatomid ümbritsevad meid kõikjal. Toit, mida me sööme koosneb aatomitest, lõhnad, mida tunneme koosnevad aatomitest. Seega kui tahame mõista meie ümber olevat maailma, peame mõistma ka seda, mis on aatom.

Aatomi siseehitust ei saa näha. Aga saab teha katseid ja katsed on aegade jooksul väga palju arenenud. Vastavalt on ka muutunud meie ettekujutus aatomist - aatomi mudel.

Daltoni mudel – aatomid kui väiksed kuulikesed

John Daltoni aatom.

Kaasaegse aatomi idee alguseks võib pidada 19. sajandi algust. John Dalton märkas, et vesinik ja hapnik ühinevad alati kindlates vahekordades. Selle põhjendamiseks püstitas ta järgmised väited

kõik asjad on valmistatud väikestest osakestest, mida me nimetame aatomiteks;

aatomeid ei saa lõhkuda ega tekitada;

ühe ja sama elemendi aatomid on igas mõttes täpselt samasugused;

erinevate elementide aatomid o erinevad

aatomeid saab omavahel komineerida ning tekivad molekulid.

Sellest mudelist lähtuvalt me saame mõista, kuidas elemendid omavahel reageerivad ning uued ühendid tekivad. Vesi tekib kahe vesiniku ja ühe hapniku aatomi kombineerimisel. Kasutades sümboleid saame selle kirja panna nii

(Berzelius)

Daltoni mudel ei seleta ära seda, millised aatomid tegelikult on. Lihtne oleks ettekujutada, et aatomid on kerakujulised, kuid kahjuks ei seleta see, mille poolest erinevate ainete aatomid üksteisest erinevad. Mõistmaks aatomeid paremini, peame neid põhjalikumalt uurima. 

Aatomites paiknevad elektronid. Thomsoni aatomimudel

J.J Thomsoni joonistatud aatom.

Esimesed avastused sellest, et aatomid ei ole purunematud pärinevad 19. sajandi lõpust. Inglise teadlane J.J. Thomson avastas oma katsetes, et metallides on negatiivselt laetud osakesi. Meie tunneme neid osakesi kui elektrone, kuid Thomson nimetas neid “corpuscles”. Oli teada, et aatomil endal lanegut ei ole, mistõttu Thompson kirjeldas aatomit kui “ploomipudingut”. Selle kohaselt on aatom kerakujuline, kus positiivselt laetud massi hulgas on väiksed negatiivselt laetud elektronid.

Allpool on simulatsioon, millega saate virtuaalselt korrata Thompsoni katseid. Kas jõuate samasugusele järeldusele?

Vasakul on kaks metallplaati, mille vahel saab tekitada kõrge pinge. Vasakpoolsest plaadist lendavad pinge rakendades välja osakesed, osad neist pääsevad läbi parempoolse plaadi keskel olevast avast ja satuvad horisontaalsete laetud plaatide vahele, mis neid kõrvale kallutavad.

Rutherfordi aatomimudel

Rutherford joonistas aatomi.

Ernest Rutherford (1871–1937)  oli inglise teadlane, kes uuris Thomsoni mudeli paikapidavust. Ta pommitas õhukest kullast lehte -osakestega (heeliumi aatomituumad). Kui Thomsoni aatomimudel oleks korrektne, siis -osakesed peaksid kullast lehte läbima või positiivsesse massi kinni jääma. Enamus -osakesi tõesti läbis kullast lehe, kuid mõned üksikud põrkasid tagasi või kaldusid oma esialgsest kursist kõrvale.

Ruhterfordi katse - enamus alfaosakesi läheb ainest läbi, vähesed ka muudavad oma suunda.

Kuna enamus -osakesi läks kullast lehest otse läbi, siis viis see järelduseni, et aatom koosneb enamasti tühjusest. Üksikud -osakesed kaldusid kõrvale, kui nad põrkusid tiheda aatomi keskosaga, mida nimetatakse aatomituumaks. Kuna ainult üksikud osakesed põrkasid tagasi, siis peab aatomituum olema väga väike.

Järgnevas simulatsioonis saad ka ise virtuaalses katses selle mõttekäigu paikapidavust testida. Simulatsioonis saab alfaosakestega aatomit pommitada ja muuta positiivse laengu jaotust selles aatomis. Thomson arvas, et positiivne laeng on jaotatud ühtlaselt üle kogu aatomi, Rutherford tegi katseid ja järeldas, et positiivne laeng on koondunud aatomi tuuma.

Bohri aatomimudel

Bohr joonistas aatomi.

Taani teadlane Bohr kujutas vesiniku aatomit kui “päikesesüsteemi”, kus negatiivselt laetud elektronid liiguvad ümber positiivselt laetud aatomituuma. Elektrostaatiline tõmbumine positiivselt ja negatiivselt laetud osakeste vahel ei lase elektronidel aatomist lahkuda. Aatomituuma raadius on 10-15 m ning aatomi raadius 10-10 m, seega enamus aatomist on tühjus.

Põhjuseid, miks Bohr sellise aatomimudeli lõi, ei ole enam nii lihtne selgitada. Aga tolleks ajaks oli välja pakutud mitmeid füüsika teooriaid, mida eksperimendid kinnitasid, aga mida oli keeruline omavahel kooskõlla klapitada. Huvitav puutepunkt on siin soojuskiirgusega, mida varasemalt juba õppisime. Nimelt oli Max Planc oma töödes teinud eelduse, et soojus ei saa muunduda valguseks suvalistes hulkades ja soojuse valguseks muundumisel oma väikseim vahetusühik - valguse kvant.

Bohri aatomimudel oli omas ajas oli see väga eesrindlik, ühendades endas erinevate teooriate järeldusi ning avades ukse kaasaegse mikromaailma füüsika sünniks.

Niisiis, reaalselt elektronid ei tiirle ümber aatomituuma, nagu seda näitab järgnev simulatsioon.

Üksik elektron tiirleb ümber aatomituuma. Orbiidil hoiab elektroni elektrijõud.