Aatomid

Mis on aatomi struktuur?

Aatom on väikseim aine osa, millel on keemilised omadused. 1 grammis vesinikus on 6,022⋅10^23 aatomit. See sisaldab kolme tüüpi elementaarosakesi, mis moodustavad aine. Prootonid (positiivselt laetud osakesed) ja neutronid (neutraalsed, positiivselt laetud osakesed) on pakitud tuuma, samal ajal kui väiksemad elektronid (negatiivselt laetud osakesed) paiknevad tuuma ümber. Aatomi mass on nende osakeste masside summa, kuid kuna elektronid on palju kergemad, moodustab ainult 0,06% aatomi massist elektronide mass.
Kuid just elektronid annavad aatomile kõik selle keemilised omadused. Elektronite arv on elemendi aatomnumber. Kvantmehaanika ütleb meile, et aatomis võivad elektronid omada ainult teatud diskreetseid energiatasemeid.
n-nda taseme energia leitakse valemiga

kus h on Plancki konstant, c on valguse kiirus, R∞ on Rydbergi konstant ja Z on aatomi aatomnumber.

Kui elektron liigub kõrgemalt energiatsoonilt madalamale, kiirgab ta välja elektromagnetilise energia kvandi (footoni). Energia on nende tasemete energiade vahe ning see kiiratakse sagedusega f, mis leitakse valemiga

kus E2 on kõrgema taseme energia (st elektroni algtase) ja E1 on madalama taseme energia (st sihttase).

Seda tüüpi kiirgust nimetatakse spontaanseteks või radiatiivseteks kiirguseks.

Selle kiirguse dünaamika täielikuks mõistmiseks on oluline meenutada mõningaid aatomi ehituse omadusi.

Elektronid alluvad kvantmehaanika seadustele, mis ütlevad meile, et

  • me ei saa määrata osakeste asukohta ja impulssi lõpmatu täpsusega (Heisenbergi määramatuse printsiip)
  • me saame teada ainult tõenäosuse, et osake asub mingis kindlas ruumipunktis, kasutades Schrödingeri võrrandit. Selle võrrandi lahendused annavad meile tõenäosuse ruumikoordinaatide funktsioonina. Selle tulemusena saame visualiseerida ruumipiirkonna, kus osakese interaktsiooni tõenäosus pole tühine.

Aatomi elektronide puhul nimetatakse Schrödingeri võrrandi lahendusi orbitaalideks.

Pauli keeluprintsiip lubab ühte orbitaali (st Schrödingeri võrrandi tingimusi rahuldavasse olekusse) paigutada ainult kaks elektroni (üks kummagi spinnisuuna kohta).

Aatomi energiatasemete struktuur ja üleminekud nende vahel sõltuvad nendest reeglitest.