luni, 7 decembrie 2015

ATOMUL



Termenul de atom apare pentru prima dată către anul 450 î.e.n. Filozoful grec Leucip dezvoltă teoria conform căreia materia nu este infinit divizibilă și introduce noțiunea de atomos, ceea ce nu poate fi divizat. Câțiva ani mai târziu, Democrit, un discipol al lui Leucip, definește materia ca fiind un ansamblu de particule indivizibile, invizibile și eterne: atomul. Această nouă concepție nu a fost rezultatul unor observații sau experiențe, ci mai degrabă al unor intuiții. Teoria a fost dezvoltată ulterior de Epicur, apoi de poetul latin Lucrețiu. Au trecut însă 2000 de ani până când teoria atomică a fost formulată științific.
În anul 1803, fizicianul și chimistul englez John Dalton a elaborat o teorie atomică proprie care explică Legea proporțiilor multiple, afirmând că din moment ce substanțele se combină numai în proporții integrale, atomii trebuie să existe la baza materiei.
Cunostintele despre marimea si natura atomului s-au imbogatit de-a lungul timpului, insa la inceputuri oamenii nu puteau decat sa speculeze aceste cunostinte.
Odata cu aparitia cercetarii stiintifice experimentale (in sec. XVI-XVII e.n.), procesul de cunoastere a teoriei atomice a progresat rapid. Chimistii au recunoscut atunci ca toate substantele, indiferent de starea de agregare, pot fi analizate pana la cele mai mici componente elementare. De exemplu, s-a descoperit ca sarea este compusa din doua elemente distincte, sodiu si clor, care combinate formeaza un compus chimic. S-a descoperit de asemenea ca aerul este un amestec de azot si oxigen. Apa este simbolizata de formula H2O, ceea ce inseamna ca fiecarui atom de oxigen ii corespund doi atomi de hidrogen.
Atomul este deci cea mai mica particula a unui element chimic. Diametrul atomului este cuprins, aproximativ între 0,8 Ĺ pentru elementele usoare si 3 Ĺ pentru elementele grele.
 În contrast cu vechea lor reprezentare, atomii au o structura complexa, careia i se datoreaza varietatea proprietatilor fizice si chimice. Conform teoriei lui Aristotel: "orice corp poate fi divizat în particele oricât de mici fara ca prin aceasta sa i se altereze substanta."
De-a lungul evolutiei cunostintelor acumulate s
i a tehnicii aflate la dispozitia omului s-au creat mai multe modele a ceea ce se credea a fi modelul perfect al atomului.

MODELUL SFERIC
Conform acestui model, atomilor le revin urmatoarele proprietati: atomii au forma sferica, atomii sunt complet elastici (la o ciocnire cu alti atomi energia lor cinetica nu se transforma în alte forme de energie) si atomii aceluiasi fel de substanta au aceeasi marime si aceeasi masa. Atomii au fost deci imaginati ca mici particule sferice în care masa este distribuita omogen. Reprezentarea atomului caracterizata prin cele 3 proprietati enumerate se numeste modelul sferic al atomului.
      

MODELUL ATOMIC THOMSON
În anul 1904 J.J. Thomson (1856-1940) a dezvoltat un model conform caruia atomul consta dintr-o masa încarcata pozitiv si distribuita omogen sub forma de sfera. În aceasta masa sunt încorporate în unele locuri sfere mult mai mici, cu sarcina negativa - electronii. Numarul lor este atât de mare încât sarcina lor negativa totala este egala cu sarcina pozitiva a restului atomului.
De aceea, în exterior atomul este neutru din punct de vedere electric. Când se separa un electron, restul atomului ramâne pozitiv.

Cu ajutorul acestui model atomic, se explica de ce la conductia electrica în metale participa electronii si nu atomii reziduali.


 
MODELUL ATOMIC RUTHERFORD
O extindere a modelului lui Thomson a fost întreprinsa în 1911 de catre Rutherford (1871-1937). Bazându-se pe experientele lui H. Hertz, Lenard, Geiger, Rutherford a elaborat un model atomic nou care are urmatoarele proprietati: aproape toata masa atomului este concentrata în interior într-un volum mic, nucleul atomic.

Acest nucleu atomic este încarcat pozitiv. El este înconjurat de un învelis de electroni care fac ca, fata de exterior, atomul sa fie neutru din punct de vedere electric; electronii sunt retinuti de nucleu prin forte electrostatice. Diametrul unui atom este de ordinul de mărime 10-10 m, adică 1 Å sau 100 pm.
O miscare circulara în învelis împiedica electronii sa cada pe nucleu. Atractia electrostatica actioneaza ca forta centripeta. Rutherford a calculat traiectorii hiperbolice pentru cazul unei particule în câmpul unui nucleu atomic. El a obtinut o ecuatie care descrie împrastierea unui fascicul paralel de raze la trecerea printr-o foita metalica de aur. Cu ajutorul acestei ecuatii s-a demonstrat ca numarul de ordine care îi revine unui element chimic în sistemul periodic este egal cu numarul de sarcina Z al nucleului sau. Prin reprezentarea atomului data de Rutherford s-a introdus pentru prima data notiunea de nucleu atomic. El primeste Premiul Nobel pentru chimie în 1908.
 Datele experimentale privind structura complexa a atomului au fost cele legate de: descoperirea electronului, descoperirea nucleului, a nivelelor energetice. Existenta si miscarea electronilor în atomi s-a explicat prin mai multe teorii, dar multe sunt depasite sau sunt de domeniul istoric. Teoria care a reusit sa explice în cea mai mare parte comportarea electronului în atom si toate propritatile substantelor se bazeaza pe calculul mecano-cuantic asupra învelisului de electroni.

MODELUL ATOMIC BOHR
În anul 1913 apare modelul atomic al lui Bohr. Acest model preia modelul planetar al lui Rutherford și îi aplică teoria cuantelor. Modelul lui Bohr este aplicabil ionilor hidrogenoizi (He+, Li+2, Be+3, etc, adică ionii care au un singur electron în câmpul de sarcină efectivă al nucleului).
Modelul atomic al lui Bohr se bazează pe două postulate:
1) Primul postulat se referă la orbitele atomice și presupune că electronul se rotește în jurul nucleului fără a emite sau a absorbi energie radiantă numai pe anumite orbite circulare, permise, staționare. Electronul se menține pe orbită datorită compensării forței centrifuge cu forța de atracție Coulombiană.
2) Al doilea postulat emis de Bohr se referă la faptul că, în mișcarea sa pe orbita permisă, electronul nu emite și nici nu absoarbe energie radiantă într-un spectru continuu de frecvență, ci numai discontinuu, corespunzând unor tranziții electronice, care duc în final la liniile spectrale.
Acest model nu poate explica spectrele de emisie și energia de ionizare decât pentru atomul de hidrogen și ionii hidrogenoizi.

MODELUL ATOMIC BOHR - SOMMERFELD
În anul 1915, fizicianul german Arnold Sommerfeld a dezvoltat modelul atomic al lui Bohr, elaborând modelul Bohr-Sommerfeld. El a presupus că orbitele staționare din jurul nucleului nu sunt numai circulare, ci pot fi și eliptice. În modelul său, unei orbite circulare cu număr cuantic principal n  îi corespund n-1 orbite staționare eliptice. În consecință, fiecare orbită circulară a lui Bohr se descompune în n-1 elipse cu excentrități diferite, rezultând o familie de orbite pentru fiecare număr cuantic principal n >1.
Deși perfecționat față de modelul lui Bohr, modelul lui Sommerfeld își limitează aplicabilitatea la hidrogen și ionii hidrogenoizi, nepermițând interpretarea spectrelor atomilor cu mai mulți electroni, sau comportarea lor magnetică. Modelul propus nu este nici consecvent clasic, nici consecvent cuantic (stările de energie staționare sunt calculate cu relații clasice, numerele cuantice și condițiile de cuantificare sunt introduse arbitrar).

MODELUL ONDULATORIU STAŢIONAR AL ATOMULUI
În anul 1926, Schrödinger elaborează prima lucrare de mecanică ondulatorie, în care apare Ecuația lui Schrödinger, prin care arată: caracterul ondulatoriu al mișcării electronului în atom, descris de o funcție de undă, arată în termenii mecanicii cuantice că energia totală a unei particule (electronul) cu o anumită masă, care se mișcă in spațiu, este suma dintre energia cinetică și energia potențială; ecuația are soluții numai pentru acele valori ale energiei totale care reprezintă energiile electronului în stările staționare, stări caracterizate de numerele cuantice, energia în atom fiind cuantificată.

STRUCTURA ATOMULUI
În chimie și fizică, atomul (în limba greacă ατομος înseamnă “indivizibil”) este cea mai mică particulă posibilă care încă mai păstrează proprietățile chimice ale unui element (chimic).
  
Dacă, inițial, cuvântul atom însemna cea mai mică particulă indivizibilă, mai târziu, după ce termenul a căpătat o semnificație precisă în știință, atomii au fost găsiți a fi divizibili și compuși din particule și mai mici, subatomice, dar aceste parti nu mai pastreaza proprietatile elementului.
Materia este formată din atomi, care se combină pentru a forma molecule.
Atomul este constituit dintr-un nucleu cu sarcină pozitivă înconjurat la o distanță relativ mare de electroni, ce au sarcină negativă. Nucleul conține protoni, ce au sarcină pozitivă, și neutroni, care nu au sarcină electrică. Numărul protonilor este egal cu cel al electronilor, ceea ce face ca atomul să fie neutru din punct de vedere electric.

Atomii unui element au anumite caracteristici comune, care-i deosebesc de atomii oricarui alt element. Atomi sunt reprezentati prin modele atomice.
Cei mai mulți atomi sunt compuși din trei tipuri de particule subatomice care guvernează proprietățile lor externe:

  • electronii, care au o sarcină electrică negativă și sunt cele mai puțin masive particule subatomice;
  • protonii, care au o sarcină electrică pozitivă și sunt de aproape 1836 ori mai masive decât electronii;
  • neutronii, care nu au sarcină electrică și care sunt de aproximativ 1839 ori mai masivi decât electronii.
Protonii și neutronii creează un nucleu atomic dens și masiv, ei fiind numiți și nucleoni. Electronii formează un larg nor electronic ce înconjoară nucleul.
In atomul neutru din punct de vedere electric numarul electronilor (cu sarcina electrica negativa) din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor (cu sarcina electrica pozitiva) din nucleul atomic.
Proton - Particula cu masa (relative = 1) si cu sarcina electrica pozitiva din nucleul atomic. Numarul protonilor este caracteristic pentru toti atomii unui element. El reprezinta numarul de sarcini nucleare Z (numarul de sarcini electrice pozitive).
Numarul de protoni stabileste pozitia elementului in sistemul periodic.

Nr. Protoni = Nr. de sarcini nucleare = Nr. de ordine
    
Electron - Particula cu masa (relative = 1/1823) si sarcina electrica negativa. Electronii atomilor se afla in spatiul din jurul nucleului atomic si se misca cu viteza foarte mare. Numarul electronilor din invelisul electronic este egal cu numarul protonilor din nucleului atomic. Pentru un atom este valabil:
Nr. Protonilor = Nr. sarcinilor nucleare = Nr. electronilor = Nr. de ordine
Nucleu atomic - Parte a atomului care se afla in centrul atomului si este incarcata pozitiv din punct de vedere electric; reuneste aproape intreaga masa a atomului şi este format din nucleoni (protoni si neutroni).
     
Suma dintre numarul protonilor (Z) si numarul neutronilor (N) reprezinta numarul nucleonilor. Ea corespunde numarului de masa (A) al atomului.
Nr. protonilor + Nr. neutronilor = Nr. nucleonilor = Numarul de masa
Nucleul conţine un anumit număr de protoni, fiecare dintre aceştia cu sarcină pozitivă, iar numărul electronilor cu sarcină negativă este egal cu numărul protonilor, astfel încât atomul este neutru.
Fiecare atom este caracterizat de 2 numere:
Ø  Z, numărul atomic care este dat de numărul protonilor (=numărul electronilor) şi
Ø  A, masa atomică, care reprezintă numărul total de protoni şi neutroni din nucleu.
Numarul Zidentifică elementul chimic căruia îi aparţine atomul – oxigen, carbon, fier şi proprietăţile acestuia (de exemplu, oxigenul este gaz, fierul este metal, etc). În natură există 92 de elemente – de la hidrogen (Z = 1) la uraniu (Z=92) şi mai există un număr de aproximativ 20 de elemente (cu Z de le 93 la peste 110) care au fost obţinute artificial.
Atomul este clasificat dupa numarul de protoni si neutroni: numarul protonilor determina numarul atomic (Z) si neutronii - izotopii acelui element.
Numarul de masa A  sau numarul nucleonic al unui element este numarul total de protoni si neutroni din atomul acelui element, denumit asa deoarece fiecare proton si neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = unitate atomica de masa). O colectie particulara de Z protoni si A - Z neutroni se numeste nuclid.
Numarul atomic Z = numarul de protoni din nucleul atomic
Izotopuleste specia de atom cu acelasi numar atomic Z dar cu numar de masa A diferit (adica aceleasi proprietati chimice dar proprietati fizice diferite). Cuvantul "izotop" provine din grecescul isos (egal) si topos (loc). Toti izotopii unui element chimic au in invelisul electronic acelasi numar de electroni, iar nucleele lor au acelasi numar de protoni; ceea ce este diferit reprezinta numarul de neutroni.

ELEMENTE, IZOTOPI ŞI IONI
Atomii cu același număr atomic Z contribuie la o varietate largă de proprietăți fizice și manifestă proprietăți chimice aproape identice (un exemplu de excepție de la acest principiu îl constituie deuteriul și apa grea). Atomii sunt clasificați în elemente chimice prin numărul lor atomic Z, care corespunde numărului de protoni din nucleul atomic. De exemplu, toți atomii ce conțin șase protoni (Z = 6) sunt clasificați drept carbon. Elementele pot fi sortate, conform tabelului periodic, în ordinea crescătoare a numărului atomic. Această metodă pune în evidență cicluri repetitive regulate în proprietățile chimice și fizice ale respectivelor elemente.
Numărul de masă A, sau numărul nucleonic al unui element este numărul total de protoni și neutroni din atomul acelui element, denumit așa deoarece fiecare proton și neutron au masa de aproximativ 1 uam (uam = unitate atomică de masă). O colecție particulară de Z protoni și A – Z neutroni se numește nuclid.
Fiecare element poate să aibă numeroși nuclizi diferiți, cu același Z, dar cu un număr variabil de neutroni. Membrii unei astfel de familii de nuclizi se numesc izotopii elementului (izotop = același loc, deoarece nuclizi au același simbol chimic și ocupă același loc în tabelul periodic). Când se scrie numele unui nuclid particular, numele elementului (care specifică Z) este precedat de numărul de masă dacă este scris ca indice superior, sau este urmat de numărul de masă dacă nu este indice superior. De exemplu, nuclidul carbon-14, care poate să fi scris și 14C, este unul dintre izotopii carbonului și conține 6 protoni și 8 neutroni în fiecare atom (număr de masă 14 = 6 + 8).
Cel mai simplu atom, protium, izotop al hidrogenului, are numărul atomic 1 și numărul de masă 1; el constă dintr-un proton și un electron. Izotopul hidrogenului care conține și un neutron se numește deuteriu sau hidrogen-2; izotopul hidrogenului cu doi neutroni se numește tritiu sau hidrogen-3. Tritiul este un izotop instabil care se dezintegrează prin procesul numit radioactivitate. Mulți izotopi ai fiecărui element sunt radioactivi; numărul izotopilor stabili variază puternic de la un element la altul (de exemplu, staniul are 10 izotopi stabili). Plumbul (Z = 82) este ultimul element care are izotopi stabili. Elementele cu număr atomic 83 (bismut) și mai mare nu au izotopi stabili și sunt toți radioactivi.
Virtual, toate elementele mai grele decât hidrogenul și heliul au fost create prin fenomenul de nucleosinteză din stele și supernove. Sistemul nostru solar s-a format din nori de elemente provenite de la multe astfel de supernove, acum 4,6 miliarde de ani.
Cele mai multe elemente mai ușoare decât uraniu (Z = 92) au, fiecare, izotopi stabili sau cel puțin radioizotopi cu viață suficient de lungă ca să poată fi întâlniți în mod natural pe Pământ. Două excepții notabile de elemente ușoare dar radioactive cu viață scurtă sunt technețiu, Z = 43 și promețiu, Z = 61, care se găsesc în mod natural numai în stele.
Alte câteva elemente grele cu viață scurtă care nu apar pe Pământ au fost de asemenea găsite în stele. Elementele care nu se găsesc în mod normal pe Pământ au fost create artificial prin bombardament nuclear; până în anul 2006 s-a ajuns la elementul cu număr atomic 116 numit, temporar, „ununhexium”. Aceste elemente ultragrele sunt foarte instabile și se dezintegrează rapid.
Atomii care au pierdut sau câștigat electroni se numesc ioni. Ionii se împart în cationi cu sarcină electrică pozitivă (+), și anioni cu sarcină electrică negativă (-).


PROPRIETĂŢILE NUCLEONILOR
Nucleele atomice pot suferi transformări care afectează numărul de protoni și neutroni pe care îi conțin, proces numit dezintegrare radioactivă. Dacă transformările nucleelor au loc spontan, procesul se numește radioactivitate. Transformările radioactive au loc într-un număr mare de moduri, dar cele mai comune sunt dezintegrarea alfa (emisia unui nucleu de heliu) și dezintegrarea beta (emisia unui electron). Dezintegrările ce implică electroni sau pozitroni sunt datorate interacțiunilor nucleare slabe.
În plus, ca și electronii din atom, și nucleonii din nucleu pot fi aduși într-o stare excitată de înaltă energie. Totuși, această tranziție cere de sute de ori mai multă energie decât excitația electronilor. La revenirea în starea fundamentală, nucleul emite un foton de energie foarte înaltă, numit și radiație gamma.
Transformările nucleare au loc de asemenea și în cadrul reacțiilor nucleare. În fuziunea nucleară, două nuclee ușoare se unesc într-un singur nucleu mai greu. În fisiunea nucleară, un nucleu greu se divide în două sau mai multe nuclee.

PARTICULE SUBATOMICE
Înainte de 1961, se acceptau ca particule subatomice doar electronii, protonii și neutronii. Azi se cunoaște că protonii și neutronii înșiși sunt constituiți din particule și mai mici numite quarkuri. În plus, electronul are un partener neutru din punct de vedere electric, aproape fără masă, numit neutrino. Electronul și neutrino sunt ambii leptoni.
Prin urmare, atomii sunt compuși numai din quarkuri și leptoni. Protonul este format din două quarkuri „up” și un quark „down”, iar neutronul este format din două quarkuri „down” și un quark „up”. Deși nu apar în substanța obișnuită, alte două generații mai grele de quarkuri și leptoni pot fi generate în ciocnirile de înaltă energie.
O importanță deosebită pentru atom o prezintă bosonii, adică particulele de transport al forțelor de interacțiune. Astfel, electronii sunt legați de nucleu prin intermediul fotonilor ce transportă forța electromagnetică. Protonii și neutronii sunt menținuți împreună în nucleu prin intermediul gluonilor ce transportă forța nucleară.


Bosonii sunt reprezentaţi de:
Gravitonul. Este particula-forţă purtătoare a gravităţii, care este cea mai slabă forţă. Nu există încă nicio dovadă experimentală că această particulă forţă există, făcând din gravitaţie una dintre problemele centrale ale fizicii moderne.
Fotonul. Este purtătorul radiaţiei electromagnetice, în întregul ei, incluzând undele radio, lumina, razele x, razele gama etc. Fotonul şi câmpul electromagnetic asociat ţin atomii împreună. Forţa electromagnetică este de asemenea responsabilă de interacţiunea dintre atomi şi dintre molecule; fără aceasta, obiectele nu ar avea consistenţă.
Bosonii slabi. Forţa slabă. W+, W- şi Z0 sunt bosonii slabi, purtătorii forţei slabe. Forţa slabă este responsabilă de dezintegrările radioactive, conducând la transformarea unui quarc down în quarc up. Această schimbare are ca efect transformarea neutronului în proton, transformare însoţită de eliberarea unui electron. De asemenea, forţa slabă poate transforma un proton într-un neutron. Bosonii purtători ai forţei slabe au fost descoperiţi în 1983 de Carlo Rubbia şi Simon Van der Meer.

Gluonul. Forţa tare. Este purtătorul forţei tari şi acţionează la distanţe foarte mici de aproximativ 10-13 cm. Forţa tare ţine quarcurile la un loc formând protonii şi neutronii. De asemenea, forţa tare ţine la un loc protonii şi neutronii ce formează nucleul atomului. În lipsa acestei forţe, protonii, graţie forţei de respingere creată de sarcina lor pozitivă, s-ar îndepărta unii de alţii. Primele indicii despre existenţa gluonilor au apărut la un laborator din Hamburg, în 1979.
Bosonul Higgs. Câmpul Higgs încearcă să explice apariţia masei determinate experimental a bosonilor care erau înţeleşi ca fiind lipsiţi de masă; astfel, acest câmp încetineşte bosonii slabi ce ar evolua cu viteza luminii şi care în principiu nu au masă, iar prin această încetinire bosonii slabi obţin masă. La temperaturi înalte, bosonii slabi călătoresc cu viteza luminii, fiind lipsiţi de masă.

Fermionii conţin trei familii de particule:
Fermionii, familia nr.1, care constituie materia de care luăm act, ca oameni:
Leptonii:
Ø  Electronul. Particulă încărcată negativ ce înconjoară nucleul atomului. Întrucât nucleul atomului este încărcat pozitiv electric, electronul este atras către centrul atomului. Modul în care electronii sunt aranjaţi în orbită în jurul nucleului determină caracteristicile chimice ale atomului. Sarcina electrică a electronilor împiedică electronii să treacă unul prin altul, forţa de respingere care apare ţinându-i separaţi.
Ø  Neutrinul Electronic. Aceştia pot călătorii distanţe uriaşe fără a interacţiona cu materia, aproximativ 600 de milioane de neutrino trecând prin corpul uman în fiecare secundă.
Ei pot penetra pământul nestingheriţi, sunt fără masă ori aproape, cu o masă infimă şi interacţionează cu materia doar prin intermediul forţei slabe şi a gravitaţiei. Wolfgang Pauli a prezis existenţa neutrino în 1930, dar a fost descoperit abia în 1957 de Clyde Cowan şi Fred Reines.
     
Quarcurile:
Ø  Quarcul up. Cel mai puţin masiv dintre cele şase tipuri de quarcuri, acesta se combină cu quarcul down pentru a crea materia pe care o experimentăm în mod curent. Quarcurile nu au fost observate niciodată, dar sunt dovezi care i-au convins pe fizicieni de existenţa lor. În 1964 Murraz Gell-Mann şi George Zweig au avansat ideea existenţei quarcurilor, iar în 1968, la Acceleratorul liniar din Stanford a fost confirmată.
Ø  Quarcul down. Acesta, împreună cu quarcul up formează protonii şi neutronii care constituie nucleul atomic. Două quarcuri down şi un quarc up formează un neutron. Un quarc down şi două quarcuri up formează un proton.

Fermionii, familia nr.2:
Leptonii:
Ø  Miuonul. Este o particulă cu sarcină electrică, mult mai masiv decât electronul şi mult mai instabil decât acesta. Două treimi din miuoni se dezintegrează în electron, neutrinoul miuonic şi electron anti-neutrino în 2 microsecunde de la apariţie. Miuonul a fost descoperit după electron, proton şi neutron. În 1937 Jabez C. Street şi Edward C. Stevenson au găsit dovezi ale existenţei acestuia.
Ø  Neutrinul Miuonic. Tipul de dezintegrare radioactivă ce produce miuonii neutrino, produce de asemenea şi miuonii. A fost descoperit în 1961 de Jack Steinberger, Melvin Schwarty şi Leon Lederman.
Quarcurile
Ø  Quarcul charm. Este similar quarcului up, dar este mult mai masiv. A fost descoperit în anul 1974.
Ø  Quarcul strange. Are denumirea astfel, pentru că atunci când a fost descoperit, s-a observat că durata sa de viaţă era mai mare decât cea aşteptată.


Fermionii, familia nr.3:
Leptonii:
Ø  Tauonul. Este identic cu electronul, dar este de 3,500 de ori mai greu şi mai instabil decât acesta. Are o durată de viaţă mai mică de 10-12 dintr-o secundă, înainte să se dezintegreze în alte particule. A fost descoperit în 1975 de Martin Perl.
Ø  Neutrinul Tauonic. Este cel mai masiv dintre cele trei tipuri de neutrini. Existenţa acestuia a fost confirmată atunci când o particulă care nu putea fi decât un neutrin tauonic s-a lovit de nucleul unui atom şi a rezultat un lepton tau. Prima dovadă directă datează din anul 2000, laboratorul Fermi, Illinois.



Quarcuri:
Ø  Quarcul top. Masa unui quarc top este echivalentă cu nucleul unui atom de aur, care conţine 197 de protoni şi tot atâţi neutroni. A fost descoperit în 1995 la laboratorul Fermi.
Ø  Quarcul bottom. A fost descoperit, de asemenea, la laboratorul american Fermi în anul 1977.


SISTEMUL PERIODIC AL ELEMENTELOR
La mijlocul secolului XIX, cativa chimisti considerau ca similitudinile dintre proprietatile chimice ale mai multor elemente, implicau o regularitate care putea fi demonstrata prin ordonarea elementelor intr-o forma tabelara sau periodica. Chimistul rus Dimitri Mendeleev a propus o harta a elementelor, numita “tabel periodic”, in care elementele sunt aranjate in randuri si coloane, astfel incat, elementele cu proprietati chimice asemanatoare sa fie grupate. 
Potrivit acestui aranjament, fiecare element a primit un numar (numar atomic) ponind de la 1, pentru hidrogen, pana la 92, pentru uraniu.

Atomii pot să difere prin numărul fiecărui tip de particule subatomice pe care ei le conțin. Atomii aceluiași element au același număr de protoni (numit și număr atomic). Pentru unul și același element, numărul de neutroni poate să varieze determinând izotopii acelui element. Numărul de electroni asociați cu un atom este foarte ușor modificat, din cauza energiei de legătură a electronilor foarte scăzută. Numărul de protoni (și neutroni) în nucleul atomic poate fi modificat prin intermediul fuziunii nucleare, a fisiunii nucleare sau a dezintegrării radioactive, cazuri în care atomul nu mai rămâne elementul care era la început.
Atomii sunt electric neutri dacă au același număr de protoni și electroni. Atomii care au un deficit sau un surplus de electroni se numesc ioni. Electronii care sunt departe de nucleu pot fi transferați unui atom din apropiere sau pot fi folosiți în comun de doi sau mai mulți atomi. Prin intermediul acestui ultim mecanism atomii sunt legați în molecule și alte tipuri de compuși chimici cum ar fi rețelele cristaline ionice și covalente.
Atomii nu sunt stabili in stare libera, avand invelisuri atomice incomplete in starea fundamentala – ei au tendinta de a se lega intre ei. Procesul de combinare a atomilor  - formarea legaturilor chimice – are loc spontan, cu degajare de energie. Starea finala – molecula, macromolecula sau reteaua – este mai stabila decat atomii liberi si are energie mai mica.
Formarea legaturilor chimice este consecinta a doua fenomene:

  • stabilitatea deosebita a configuratiei de gaz nobil a atomilor,
  • tendinta atomilor de a-si ocupa cat mai complet orbitalele vacante.
Molecula poate fi definita ca fiind un grup discret de atomi mentinuti impreuna prin legaturi chimice. Macromolecula are masa moleculara uriasa (peste 100.000 u.a.m.).
Din punct de vedere structural, substantele pot fi formate din: atomi, ioni, molecule (sau macromolecule) legate prin diferite tipuri de leguri chimice sau forte intermoleculare.
Structura chimica a substantelor comporta mai multe aspecte: asezarea reciproca a atomilor, natura legaturilor dintre atomi, influentele lor reciproce.
Pentru gaze și unele lichide și solide moleculare (cum ar fi apa și zahărul), moleculele sunt cele mai mici diviziuni de substanță care încă mai păstrează proprietățile chimice; totuși, există multe solide și lichide care sunt compuse, de asemenea, din atomi, dar nu conțin molecule discrete (cum ar fi sărurile, rocile precum și metalele solide și lichide). 
Astfel, deși moleculele sunt comune pe Pământ (intrând în formarea atmosferei și a oceanelor), cea mai mare parte a Pământului (cea mai mare parte a crustei, întreaga manta și tot miezul) nu este formată din molecule identificabile, ci, mai degrabă, reprezintă substanță atomică dispusă în alte tipuri de aranjamente particulare de ordin microscopic. Cele mai multe molecule sunt pluri-atomice; de exemplu, molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen.
Termenul „moleculă” a fost utilizat inițial ca un sinonim pentru „molecula fundamentală” de gaz, indiferent de structura acestuia. Această definiție corespunde doar pentru câteva tipuri de gaze (de exemplu, elementele chimice inerte care nu formează compuși, cum ar fi heliu), având „molecule” formate dintr-un singur atom.

CONFIGURAŢIA ELECTRONICĂ
Comportarea chimică a atomilor este datorată interacțiunilor dintre electroni. Electronii unui atom rămân în interiorul unor configurații electronice fixate, predictibile. Aceste configurații sunt determinate de mecanica (cinematica) cuantică a electronilor în potențialul electric al atomului; numărul cuantic principal determină învelișuri electronice particulare cu nivele distincte de energie. În general, cu cât este mai înalt nivelul de energie, cu atât este electronul mai îndepărtat de nucleu.
Electronii de pe cel mai îndepărtat înveliș, numiți și electroni de valență, au cea mai puternică influență în comportarea chimică a atomului. Electronii de pe învelișurile interioare, (deci nu cei de valență) joacă și ei un rol cu efecte secundare datorate ecranării sarcinii pozitive din nucleul atomic.
Un înveliș electronic poate avea până la 2n2 electroni, unde n este numărul cuantic principal al învelișului. Învelișul ocupat cu cel mai mare n este învelișul de valență, chiar dacă acesta ar avea un singur electron. În cea mai stabilă stare, de bază, electronii unui atom vor umple învelișurile acestuia în ordinea crescătoare a energiei. În unele circumstanțe, un electron poate fi excitat pe un nivel de energie mai mare (electronul absoarbe energie de la o sursă externă și sare pe un înveliș mai înalt) lăsând un loc „gol” în învelișul energetic inferior.
  

  




Electronii unui atom excitat vor cădea în mod spontan pe nivelul inferior, emițând energia excedentă sub formă de fotoni, până la revenirea la starea de bază.
Ocuparea cu electroni a orbitalilor se produce urmând trei reguli:
1. Se ocupă mai întâi orbitalii cu energia cea mai scăzută: 1s → 2s → 2p → 3s→ 3p → 4s → 3d ... (orbitalul 4s are energie mai scăzută decât 3d).
2. Electronii se rotesc în jurul axei proprii (spin), iar rotația se poate produce în două sensuri, fapt reprezentat prin două săgeți: sus (↑) și jos (↓). Doar doi electroni pot ocupa un orbital, și ei au spin opus (principiul de excluziune al lui Pauli).
3. Dacă sunt disponibili mai mulți orbitali cu aceeași energie (ex. cei trei orbitali p), se ocupă cu câte un electron fiecare orbital până când toți orbitalii sunt semi-ocupați, și apoi se ocupă cu cel de-al doilea electron (regula lui Hund).



Nivelele energetice ale orbitalilor dintr-un atom
Configurația în stare fundamentală a unui atom reprezintă o listă a orbitalilor ocupați cu electroni în atomul respectiv. De ex., hidrogenul are configurația electronică 1s1 , iar carbonul (care are șase electroni) are configurația 1s2 2s2 2p2 (sau 1s2 2s2 2px 1 2py 1 ). Numărul de electroni din fiecare orbital este notat ca exponent.
Pe lângă numărul cuantic principal n, unui electron i se mai asociază încă trei numere cuantice: numărul cuantic secundar l (număr cuantic azimutal, ce descrie momentul unghiular orbital), numărul cuantic magnetic m (ce descrie direcția vectorului moment unghiular) și numărul cuantic de spin s (ce descrie direcția momentului unghiular intrinsec al electronului).
Nivelurile energetice (straturile electronice) se subimpart pe baza diferentierii fine a energiei electronilor in subniveluri (substraturi). Unui nivel energetic cu numarul cuantic principal n ii apartin n niveluri. Fiecare subnivel corespunde unui numar cuantic secundar l. Subnivelurile se noteaza cu literele s(l=o), p(l=1), d(l=2), f(l=3).
Electronii cu valori diferite pentru numerele cuantice l și m au învelișuri distincte, evidențiate prin notația spectroscopică (configurații s, p, d și f). În cei mai mulți atomi, orbitalii cu numere l diferite nu sunt degenerate exact ci separate printr-o structură fină. Orbitalii cu numere m diferite sunt degenerate dar pot fi separate doar aplicând un câmp magnetic, ceea ce se numește efect Zeeman. Electronii cu numere s diferite prezintă diferențe energetice foarte slabe, caracterizând așa-numita structură (despicare) hiperfină.

Prin combinare chimica atomii isi modifica straturile exterioare de electroni, realizand configuratii mai stabile, identice cu ale gazelor nobile sau apropiate de acestea. Prin formarea legăturilor chimice se eliberează energie, iar pentru ruperea lor se consumă energie. Exista tipuri generale de legaturi chimice, adica modalitati de realizare a configuratiilor stabile ale atomilor: legatura ionica si legatura covalenta.

 Teoria electronica a legaturii chimice se bazeaza pe cateva principii si anume:
  • tendinta de combinare este cauzata de nestabilitatea configuratiei electronice a atomilor liberi;
  • stabilitatea configuratiei de gaz nobil – realizarea octetului electronic;
  • tendinta de folosire cat mai completa a electronilor si orbitalelor disponibile.

Legatura ionica – electrovalenta – W.Kossel
Kossel in 1916 a elaborat teoria electronica a legaturii ionice. Aceasta legatura ia nastere intre elemente cu caracter chimic diferit, deci cu diferente mari de electronegativitate. Conform acestei teorii formarea legaturii ionice presupune doua etape:
Ø  formarea ionilor;
Ø  atractia electrostatica dintre ioni.
Teoria electronică a valenței, formulată independent de W. Kossel și G.N. Lewis, are la bază ideea că în transformările chimice ale elementelor sunt implicați electroni din stratul exterior, numiți electroni de valență. În reacțiile chimice atomii tind să își modifice învelișul de electroni astfel încât să dobândească o configurație electronică stabilă de dublet sau de octet, și anume cea a gazului inert cel mai apropiat.
      
    
Se formează o legătură în care o pereche de electroni este pusă în comun de doi atomi. Moleculele cu mai mult de opt electroni la unul dintre atomi sunt foarte instabile, în timp ce acelea cu mai puțin de opt electroni la un atom sunt în mod obișnuit foarte reactive față de sistemele donoare de electroni. Există două căi pentru a atinge configurația de gaz inert. O primă cale constă în transferul de electroni, în care un atom cedează electroni și devine ion pozitiv, iar celălalt acceptă electronii și devine ion negativ; ambii dobândesc astfel configurația gazului inert cel mai apropiat.
  
Numarul lui Avogadro NA = 6,022.1023 mol-1
Numarul de molecule intr-un mol reprezinta numarul lui Avogadro: aproximativ 6,022×1023 particule/mol. Acest numar serveste drept baza la determinarea marimii fizice (cantitatea de substanta).
Valenta (numarul de oxidare) caracterizeaza capacitatea de combinare a unui atom cu un alt atom. Ea este data de numarul electronilor cu care atomul participa la formarea legaturilor chimice si variaza in functie de atom si grupare chimica.
Legatura covalenta este legatura chimica in care atomii sunt legati intre ei prin perechi de electroni puse in comun, atomii avand pozitii fixe unii fata de altii. Aceasta apare doar intre atomii nemetalelor, iar rezultatul legarii se numeste molecula.
Electrovalenta reprezintă legatura chimica stabilita intre ioni cu sarcini electrice de semn contrar, datorita fortelor electrostatice de atractie dintre acestia.


Formarea ionilor are loc prin pierdere sau castig de electroni. Metalele puternic electropozitive, cu un numar mic de electroni pe ultimul nivel fata de configuratia de gaz nobil (mai ales din grupele 1 si 2), cedeaza acesti electroni, trecand in ioni pozitivi numiti cationi.


DIMENSIUNEA ATOMULUI, VITEZE
Atomii sunt mult mai mici decât lungimea de undă a luminii pe care o poate detecta văzul uman, fapt pentru care atomii nu pot fi văzuți cu nici un fel de microscop optic. Cu toate acestea, există alte căi de detectare a pozițiilor atomilor pe suprafața unui solid sau a unui film subțire și chiar pentru a obține imagini ale acestora. Este vorba despre: microscoapele electronice (microscopia cu efect de tunel), microscopia atomică (atomic force microscopy), rezonanța magnetică nucleară și microscopia cu raze X.
     

Deoarece norul de electroni nu are o formă precisă, dimensiunea unui atom nu este ușor de definit. Pentru atomii care formează rețele cristaline solide, distanța dintre centrele a doi atomi adiacenți poate fi ușor determinată prin difracție cu raze X, găsindu-se o estimare a dimensiunii atomului. Pentru orice atom, se poate folosi raza la care se pot găsi cel mai des electronii de pe stratul de valență. De exemplu, dimensiunea atomului de hidrogen este estimată ca fiind de aproximativ 1,06×10-10 m (de două ori raza Bohr). Comparând această valoare cu dimensiunea protonului (unica particulă din nucleul atomului de hidrogen), care este aproximativ 10-15m, raportul dintre dimensiunea atomului de hidrogen și cea a nucleului său este de 100.000:1.
Dacă un atom ar avea dimensiunea unui stadion de fotbal, atunci nucleul său ar trebui să fie de dimensiunea unei mărgele de sticlă. Aproape toată masa unui atom se găsește în nucleu și aproape tot spațiul din atom este ocupat de electronii săi.

Atomii diferitelor elemente variază în dimensiune, dar dimensiunea (volumul) nu este proporțională cu masa atomului. Atomii grei au tendința generală de a fi mai denși. Diametrele atomilor sunt aproximativ aceleași până la un factor mai mic de trei în cazul atomilor grei, dar cel mai notabil efect al masei asupra dimensiunii este următorul: dimensiunea atomică descrește cu creșterea masei pentru fiecare linie din tabelul periodic.

Rațiunea acestor efecte este aceea că elementele grele au sarcină pozitivă mare în nucleu, care atrage puternic electronii către centrul atomului. Această forță de atracție contractează dimensiunea învelișului electronic, astfel încât un număr mai mare de electroni se pot afla într-un volum mai mic. Acest efect poate fi remarcabil: de exemplu, atomii elementului mai dens iridiu (masă atomică 192) au aproximativ aceeași dimensiune ca atomii de aluminiu (masă atomică 27), fapt ce contribuie la stabilirea raportului densităților (mai mare de 8) dintre aceste metale.

Temperaturaunei colecții de atomi este o măsură a energiei medii de mișcare (energie cinetică) a acestor atomi, deasupra energiei minime a punctului de zero cerută de mecanica cuantică; la 0 K (zero absolut) atomii ar trebui să nu aibă extra-energie peste acest minim.
Dacă temperatura sistemului crește, energia cinetică a particulelor din sistem crește, deci și viteza de mișcare crește.
 La temperatura camerei, atomii ce formează gazele din aer se mișcă cu o viteză medie de 500 m/s (aproximativ 1800 km/h).
Curiozitatea privind marimea si greutatea atomului i-a urmarit pe oamenii de stiinta o lunga perioada in care lipsa instrumentelor si a tehnicilor adecvate i-a impiedicat sa obtina raspunsuri satisfacatoare. In consecinta, un mare numar de experimente ingenioase au avut ca scop determinarea marimii si greutatii atomului. Cel mai usor atom, cel de hidrogen are un diametru de1x10-8  cm si greutatea 1.7x10-24  g. Un atom este atat de mic incat o singura picatura de apa contine mai mult de un milion de milioane de miliarde de atomi.

RADIOACTIVITATEA
Faptul ca un atom nu este cea mai mica particula dintr-o subsatanta, a devenit evident odata cu descoperirea radioactivitatii. In 1896 fizicianul francez Antoine Henri Becquerel a descoperit ca unele substante, ca sarurile de uraniu, emana raze penetrante cu origine necunoscuta. Cu doar un an mai inainte, savantul german Wilhelm Conrad Roentgen anuntase descoperirea unor raze care puteau penetra straturi de grafit, pe care le denumise raze X.
Savantii francezi Marie Curie si sotul Pierre Curie au contribuit la intelegerea profunda a substantelor radioactive.


Ca urmare a cercetarilor fizicianului englez Ernest Rutherford si a contemporanilor sai, s-a dovedit ca uraniul si alte elemente grele ca torul si radiul, emit trei tipuri diferite de radiatii, numite alfa, beta si gama (α,β,γ).S-a descoperit ca primele doua tipuri de raze erau formate din particule de materie incarcate electric si si-au pastrat denumirile initiale. Radiatiile gama au fost identificate ca unde electromagnetice, similare cu razele X, dar avand lungimi de unda mai mici.

RADIOACTIVITATEA ARTIFICIALĂ
Experimentele facute la inceputul anilor 1930 de catre fizicienii francezi Frederic si Irene Joliot-Curie au relevat faptul ca atomi stabili ai unui element pot capata artificial proprietati radioactive, in urma unui bombadament cu particule nucleare sa cu anumite raze. Asemenea izotopi radioactivi (radioizotopi) sunt produsi in urma unei reactii nucleare sau a unei transformari. In asemenea reactii, mai mult de 270 de izotopi intalniti in natura au functia de tinte pentru proiectilele nucleare. Dezvoltarea spargatoarelor si a acceleratoarelor de atomi a facut posibila observarea a mii de reactii nucleare.

   


Unităţi de măsură pentru radioactivitate
Ritmul în care un radionuclid se dezintegrează se numeşte activitate – numărul mediu de dezintegrări pe secundă. Activitatea unei probe este numărul de atomi din probă înmulţit cu factorul λ (litera grecească lambda), care este o caracteristică constantă a radionuclidului.
Unitatea de activitate este dezintegrare pe secundă şi are un nume special, becquerel (Bq). 1 Bq este o dezintegrare pe secundă.1 Bq este un nivel foarte redus de activitate, aşa că, adesea, valorile sunt exprimate în kBq (mii de Bq) sau MBq (milioane de Bq) şi chiar GBq (miliarde de Bq).
Unitatea de activitate tolerată este 1 Ci (Curie) = 3,7 x 1010 dez/s = 3,7 x 1010Bq.
O unitate de măsură înrudită pentru ritmul cu care un radionuclid se dezintegrează este timpul de înjumătăţire fizică (T1/2 sau Tf), de asemenea o caracteristică constantă a radionuclidului. Acesta reprezintă intervalul mediu necesar pentru ca o jumătate din atomii dintr-o probă de radionuclid să se dezintegreze.



Tipuri de radiaţii ionizante şi puterea lor de penetrare
Diferite surse emit diferite tipuri de radiaţii ionizante:
  • Radiaţia alfa (α), de fapt atomul de heliu, interacţionează cu mulţi atomi pe o distanţă foarte mică. Dau naştere la ioni şi îşi consumă toată energia pe acea distanţă scurtă. Cele mai multe particule alfa îşi vor consuma întreaga energie la traversarea unei simple foi de hârtie. Principalul efect asupra sănătatii corelat cu particulele alfa apare când materialele alfa-emiţătoare sunt ingerate sau inhalate, iar energia particulelor alfa afectează ţesuturile interne, cum ar fi plămânii.
  • Radiaţia beta (β) sunt compuse din electroni – particule uşoare cu sarcină negativă. Acestea se deplasează pe o distanţă puţin mai mare în aer şi pot trece prin hârtie, dar nu pot penetra prin piele în organismul uman.
Efectele asupra sănătăţii asociate particulelor beta se manifestă în principal atunci când materialele beta-emiţătoare sunt ingerate sau inhalate.

  • Radiaţia gama (γ) se prezintă sub formă de unde electromagnetice sau fotoni emişi din nucleul unui atom. Ei pot traversa complet corpul uman, putând fi oprite doar de un perete de beton sau de o placă de plumb groasă de 15 cm. Radiaţia gama este oprită de: apă, beton şi, în special, de materiale dense, precum plumbul, folosit ca protectie impotriva expunerii la acest tip de radiaţie. Efectele asupra sănătăţii asociate particulelor gama se manifestă în principal atunci când materialele gama-emiţătoare sunt în afara corpului uman.

  • Razele X sunt radiaţii gama cu energie scăzută. În cazul organismului uman, acestea pot penetra ţesuturile musculare, dar nu pot penetra oasele, de unde vine şi utilitatea lor în medicină (radiografii).