Fagstoff

Materiens oppbygging

Publisert: 08.08.2010, Oppdatert: 08.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Historikk

Gjennom historien har det vært mange forskjellige forestillinger om materiens oppbygning. De gamle grekerne mente at materien er bygd opp av fire grunnelementer, nemlig: jord, vann, luft og ild. Leukipp fra Milet og hans elev Demokrit fra Abdera (460 – 370 f.Kr.) mente at det fantes små byggesteiner som ikke kunne deles videre. Det er fra den tiden ordet atom har sin opprinnelse. Det greske “atomos” betyr udelelig. Fram til ca. 1900 trodde man at grunnstoffene var bygd opp av udelelige atomer som var naturens minste byggesteiner.

I dag vet vi at atomer består av mindre elementærpartikler, men betegnelsen atomer bruker vi fortsatt på grunnstoffer som for eksempel hydrogen og karbon. Man trodde lenge at protoner, nøytroner og elektroner, som bygger atomer av alle grunnstoffene, var de minste (udelelige) enhetene. Nå vet vi at protoner og nøytroner også består av mindre partikler, såkalte kvarker. Kvarker og elektroner er en type partikler som kalles leptoner, og ifølge standardmodellen for partikkelfysikk er de udelelige.

Man vet fremdeles ikke alt om de subatomære partiklene, og i store akseleratorer gjør man kollisjonseksperimenter mellom små partikler (for eksempel protoner) for å lete etter nye partikler. Slik forskning foregår f.eks. ved CERN i Genève og DESY i Hamburg.

 

Protoner, nøytroner, elektroner

Elektronsky for LitiumElektronskymodellen for Litium. Litium har 3 elektroner. De to innerste elektronene har størst sannsynlighet for å oppholde seg nær sentrum hvor skyen er tegnet tettest (tilsvarer K-skallet i Bohrs modell). Det ytre elektronet vil befinne seg innenfor den ytre elektronskyen (tilsvarer L-skallet). Vi kan ikke forutsi elektronenes nøyaktige posisjon i skallet.
Opphavsmann: Narom

 

HydrogenisotoperDe tre isotopene av hydrogen. Vanlig hydrogen (${}_1^1\mathrm{H}$ ), som utgjør 99,985 \% av hydrogen i naturen, har kun ett proton i kjernen. Hydrogenisotopen som kalles deuterium (${}_1^2\mathrm{H}$) har ett proton og ett nøytron. Tritium (${}_1^3\mathrm{H} ) er den tyngste av hydrogenisotopene. Den har ett proton og to nøytroner i kjernen. Tritium er radioaktiv.
Opphavsmann: Narom
NAROM

 

 

 

Thomsons atommodellThomsons atommodell (rosinbollemodellen). De negative elektronene er som rosiner i en homogen grunnmasse med positiv ladning.
Opphavsmann: Narom

 

Et atom er den minste enheten som har grunnstoffenes egenskaper. Det som bestemmer hvilket grunnstoff atomet tilhører er antall protoner i kjernen. Protoner er positivt ladde partikler. Deres masse er omtrent 1,007 atommasseenheter (1,007 u). Atommasseenheten er standard enhet for å angi masser på atom- og molekylnivå. 1 u er definert som 1/12 av massen til et fritt karbon-12 atom i grunntilstand, og er omtrent lik 1,66⋅〖10〗^(-27)kg. Et nøytralt atom har like mange elektroner som protoner. Elektronene har negativ ladning. De beveger seg i en såkalt elektronsky rundt kjernen, som vist i figuren til høyre. Det området hvor det er størst sannsynlighet for å observere elektronet, betegnes som et elektronskall i Bohrs atommodell. Elektronmassen er så liten i forhold til protonets masse (ca. 1/2000) at vi i mange beregninger ikke tar hensyn til den. Nøytronene finnes i kjernen. De er elektrisk nøytrale og deres masse er omtrent 1,009 u. Atomer av samme grunnstoff kan ha forskjellig antall nøytroner. Disse variantene kalles isotoper til et grunnstoff. Isotopene av hydrogen er vist i figuren under. De forskjellige isotopene av samme grunnstoff har de samme kjemiske egenskaper, men pga. av ulik masse litt forskjellige fysiske egenskaper. Noen kan også være radioaktive. Massen til et atom bestemmes av antall partikler i kjernen – nukleoner. Massetallet eller nukleontallet (A) er summen av antall protoner (Z) og antall nøytroner (N): dvs. A=Z+N. Man skriver nukleontallet som en liten indeks oppe foran grunnstoffsymbolet.

Protontallet skrives som liten indeks nede foran symbolet eller utelates: ZAX . Massetallet til et grunnstoff, som angis i periodesystemet, er en gjennomsnittsverdi for atommassen til de naturlig forekommende isotoper. Denne verdien behøver ikke være et helt tall.

Eksempel: Atommasse

Bor består av hovedsakelig to isotoper: 18,8% 10B med massen 10,0 u og 81,2% 11B med massen 11,0 u. Beregn atommassen til bor.

Svar:

18.810010.0+81.210011.0u=10.8u
 
Et atom med et bestemt antall protoner og nøytroner kalles en nuklide. 11H er en nuklide, 12H er en annen nuklide. Den er en isotop av hydrogen.

 

Thomsons atommodell

Joseph John Thomson (1856 – 1940) har fått æren for å ha oppdaget elektronet. I 1898 visste han at elektroner har negativ ladning og at atomet som helhet var elektrisk nøytralt. Protonet var ennå ikke oppdaget. Hans modell gikk ut på at elektronene var jevnt fordelt i en homogen grunnmasse med positiv ladning. Elektronene var som rosiner i en bolle. Populært kalles derfor modellen hans rosinbollemodellen.

Rutherfords atommodell

Med utgangspunkt i Thomsons atommodell gjennomførte Ernest Rutherford (1871 – 1937) forsøk for å studere atomenes indre struktur, se figur 3.4. Han bestrålte tynne folier av gull og aluminium med energirike alfapartikler fra en radioaktiv kilde. En detektor plassert i en ring rundt folien viste hvor strålingen traff. Det meste av strålingen gikk upåvirket gjennom folien. Noen få partikler ble avbøyd og et veldig lite antall spratt tilbake. “Det var like utrolig som å skyte med en granat mot silkepapir og granaten kommer tilbake og treffer deg,” uttalte han. Avbøyningen måtte skyldes støt mot massive deler av atomet og frastøting fra dem. Det var klart at Thomsons modell ikke kunne forklare observasjonene.

Illustrasjon av Rutherfords forsøk.Rutherfords forsøk: Alfapartikler sendes mot en gullfolie. En skjerm av sinksulfid viser ved et lysglimt hvor strålingen treffer. De fleste partiklene går rett gjennom folien. Noen avbøyes svakt. Noen få partikler, nemlig de som treffer den lille positive kjernen som inneholder nesten all masse, reflekteres tilbake.
Opphavsmann: Narom

Rutherford trakk følgende konklusjoner, som var grunnlaget for hans atommodell (1911):

  1. Nesten hele atomets masse er samlet i kjernen, som er positivt ladd.
  2. Negative elektroner beveger seg rundt kjernen -- omtrent som planetene rundt sola. Atomet er elektrisk nøytralt. Derfor er antallet elektroner bestemt av kjernens ladning.
  3. Atomet har mellom 104 og 105 ganger større diameter enn kjernens dimensjon. Det meste av atomets volum er tomrom.

 

Elektroner som beveger seg rundt atomkjernen, endrer retning hele tiden. Det betyr, ifølge Newtons 2. lov, at de er akselererte. Akselererte elektroner sender ut elektronmagnetiske bølger. Man skulle derfor forvente at elektronene i sine baner rundt atomkjernen sendte ut stråling. Men det igjen ville bety at elektronene mistet energi og fart og ville til slutt forsvinne i atomkjernen. Derfor ville et atom etter Rutherfords modell ikke være stabilt, som var hovedproblemet med modellen.