Προσομοιώσεις · Γ΄ Γυμνασίου · Ηλεκτρισμός · Κεφ. 1 · §1.3

Το άτομο: πυρήνας και ηλεκτρόνια

Θεωρία

Τα σωματίδια του ατόμου

Το 1904 ο J. J. Thomson, που λίγα χρόνια πριν είχε ανακαλύψει το ηλεκτρόνιο, πρότεινε ότι το άτομο είναι μια σφαίρα με απλωμένο θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια σκορπισμένα μέσα της, σαν σταφίδες σε κέικ. Το 1909 οι Hans Geiger και Ernest Marsden έριξαν σωματίδια άλφα, μικροσκοπικά θετικά φορτισμένα σωματίδια, πάνω σε ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού.

Τα περισσότερα πέρασαν ίσια, σαν να μην υπήρχε τίποτα μπροστά τους· ελάχιστα όμως γύρισαν προς τα πίσω. Πώς πρέπει να είναι φτιαγμένο το άτομο, ώστε σχεδόν όλα να περνούν και λίγα να γυρίζουν πίσω;

Η προσομοίωση ξεκινά με ένα άτομο λιθίου. Στο κέντρο είναι ο πυρήνας, με 3 πρωτόνια και 4 νετρόνια· γύρω του κινούνται 3 ηλεκτρόνια, 2 στη στιβάδα K και 1 στην L. Τα μεγέθη δεν είναι υπό κλίμακα: αν ήταν, ο πυρήνας δεν θα φαινόταν καθόλου.

Την απάντηση την έδωσε το 1911 ο Ernest Rutherford. Σχεδόν όλο το άτομο είναι κενό, γι’ αυτό τα περισσότερα σωματίδια περνούν. Όλο το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα είναι μαζεμένα σε έναν μικροσκοπικό πυρήνα στο κέντρο· τα λίγα σωματίδια που φτάνουν πολύ κοντά του απωθούνται δυνατά και γυρίζουν πίσω.

Γύρω από τον πυρήνα κινούνται τα ηλεκτρόνια, κάπως όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Γι’ αυτό η εικόνα λέγεται πλανητικό πρότυπο.

Πού σταματά η αναλογία. Οι πλανήτες έλκονται λίγο μεταξύ τους, ενώ τα ηλεκτρόνια, που είναι όλα αρνητικά, απωθούνται. Και κάθε πλανήτης έχει μια τροχιά που τη χαράζουμε με ακρίβεια, ενώ το ηλεκτρόνιο δεν ακολουθεί καθορισμένη διαδρομή.

Η σημερινή φυσική το περιγράφει σαν ένα «νέφος» γύρω από τον πυρήνα, που δείχνει πού είναι πιθανό να βρεθεί.

Όλα τα σώματα αποτελούνται από άτομα. Τα σωματίδια του ατόμου και τα φορτία τους είναι:

Το e είναι το στοιχειώδες φορτίο, το μικρότερο φορτίο που συναντάμε ελεύθερο στη φύση:

e = 1,6·10⁻¹⁹ C

Άρα το πρωτόνιο έχει φορτίο +1,6·10⁻¹⁹ C και το ηλεκτρόνιο −1,6·10⁻¹⁹ C. Ο πυρήνας είναι περίπου 100 000 φορές μικρότερος από το άτομο. Όμως περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα του: το πρωτόνιο και το νετρόνιο έχουν περίπου την ίδια μάζα, περίπου 1 800 φορές μεγαλύτερη από του ηλεκτρονίου.

Κράτα αυτή τη διαφορά, γιατί εξηγεί όλο το υπόλοιπο κεφάλαιο. Το πρωτόνιο είναι σφηνωμένο μέσα στον πυρήνα και δεν φεύγει από εκεί με το τρίψιμο ενός μπαλονιού· χρειάζονται δυνάμεις ασύγκριτα μεγαλύτερες. Το ηλεκτρόνιο, 1 800 φορές ελαφρύτερο και μακριά από το κέντρο, μετακινείται πολύ πιο εύκολα. Γι’ αυτό, κάθε φορά που κάτι φορτίζεται, ηλεκτρόνια είναι που πηγαίνουν από το ένα σώμα στο άλλο. Ένα σώμα δεν γίνεται ποτέ θετικό επειδή κέρδισε πρωτόνια, αλλά επειδή έχασε ηλεκτρόνια.

Γρήγορος έλεγχος: Στην προσομοίωση τα ηλεκτρόνια γυρίζουν σε κύκλους. Κινούνται έτσι και στο πραγματικό άτομο;

Το στοιχείο και οι στιβάδες

Για αιώνες οι αλχημιστές προσπαθούσαν να κάνουν τον μόλυβδο χρυσάφι: τον έλιωναν, τον ανακάτευαν με άλλες ουσίες, τον ζέσταιναν. Δεν τα κατάφεραν ποτέ. Τι είναι αυτό που κάνει ένα άτομο να είναι χρυσός και όχι μόλυβδος;

Στην προσομοίωση ανέβασε τα πρωτόνια από 3 σε 6: το όνομα αλλάζει από «Λίθιο» σε «Άνθρακας». Για να είναι ουδέτερο, το άτομο του άνθρακα θέλει 6 ηλεκτρόνια· φέρε τα ηλεκτρόνια στα 6 και δες ότι 2 μπαίνουν στη στιβάδα K και 4 στην L. Αν αλλάξεις μόνο τα νετρόνια, το στοιχείο μένει το ίδιο και το φορτίο δεν αλλάζει.

Εδώ το ηλιακό σύστημα δεν βοηθά. Γύρω από τον Ήλιο μπορούν να κινούνται όσα σώματα θέλουν, σε όποια απόσταση. Στο άτομο κάθε στιβάδα χωράει ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων.

Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το στοιχείο: κάθε άτομο με 1 πρωτόνιο είναι υδρογόνο, με 6 πρωτόνια άνθρακας, με 8 οξυγόνο, με 79 χρυσός. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε στιβάδες: η πρώτη (K) χωράει έως 2 ηλεκτρόνια και η δεύτερη (L) έως 8.

Γι’ αυτό η προσομοίωση φτάνει ως το νέον, με 10 πρωτόνια: τα 10 ηλεκτρόνιά του γεμίζουν ακριβώς τις δύο πρώτες στιβάδες. Το ουδέτερο άτομο του οξυγόνου έχει 8 ηλεκτρόνια, 2 στην K και 6 στην L.

Γρήγορος έλεγχος: Ένα άτομο άνθρακα χάνει ένα ηλεκτρόνιο. Είναι ακόμα άνθρακας;

Ουδέτερο άτομο και ιόντα

Σε πολλές ετικέτες εμφιαλωμένου νερού υπάρχει ένας πίνακας με σύμβολα όπως Na⁺, Ca²⁺ και Cl⁻. Τα άλατα που έχουν διαλυθεί στο νερό υπάρχουν μέσα του ως ιόντα. Τι σημαίνει το + ή το − δίπλα στο σύμβολο, και πώς το αποκτά ένα άτομο;

Στην προσομοίωση σύρε ένα ηλεκτρόνιο έξω από το άτομο του λιθίου. Όσο το τραβάς, ένα βέλος δείχνει ότι ο πυρήνας το έλκει πίσω.

Άφησέ το μακριά: η ένδειξη γράφει Li⁺ και q = (3 − 2)·e = +1,6·10⁻¹⁹ C, θετικό ιόν. Φέρε το ηλεκτρόνιο πίσω μέσα στο άτομο και το λίθιο ξαναγίνεται ουδέτερο.

Και στο ηλιακό σύστημα, ένα διαστημικό σκάφος χρειάζεται πολλή ενέργεια για να ξεφύγει από την έλξη του Ήλιου. Με τον ίδιο τρόπο, για να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο χρειάζεται ενέργεια, γιατί ο πυρήνας το έλκει.

Το φορτίο ενός ατόμου είναι το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων των σωματιδίων του:

q = (αριθμός πρωτονίων − αριθμός ηλεκτρονίων) · e

Όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων, το άτομο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Αν το άτομο χάσει ηλεκτρόνια, γίνεται θετικό ιόν· αν πάρει ηλεκτρόνια, γίνεται αρνητικό ιόν. Τα πρωτόνια δεν αλλάζουν: είναι δεμένα στον πυρήνα.

Το ιόν ασβεστίου Ca²⁺ της ετικέτας έχει 20 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια: q = (20 − 18) · 1,6·10⁻¹⁹ C = +3,2·10⁻¹⁹ C. Όταν τρίβουμε δύο σώματα, κάποια ηλεκτρόνια περνούν από το ένα στο άλλο: έτσι ηλεκτρίζονται τα σώματα.

Συχνό λάθος: νομίζεις ότι ένα άτομο γίνεται θετικό ιόν επειδή αποκτά κάτι θετικό. Στην πραγματικότητα δεν αποκτά τίποτα: χάνει ηλεκτρόνια, δηλαδή χάνει αρνητικό φορτίο, και έτσι περισσεύουν τα θετικά πρωτόνια του πυρήνα που ήταν εκεί από την αρχή.

Γρήγορος έλεγχος: Ένα άτομο νατρίου (11 πρωτόνια) έγινε Na⁺. Κάποιος λέει ότι πήρε ένα πρωτόνιο. Γιατί κάνει λάθος;

Δραστηριότητες

1. Πρόβλεψη: Το άτομο του λιθίου είναι ουδέτερο. Τι φορτίο θα έχει αν χάσει ένα ηλεκτρόνιο; Απάντησε στην κάρτα «Πρόβλεψη» και μετά σύρε ένα ηλεκτρόνιο έξω από το άτομο.
2. Άλλαξε μόνο τα νετρόνια. Αλλάζει το στοιχείο; Αλλάζει το φορτίο του ατόμου; Γιατί;
3. Άλλαξε τα πρωτόνια από 1 έως 10 και σημείωσε το όνομα κάθε στοιχείου. Πόσα ηλεκτρόνια χρειάζεται κάθε φορά για να είναι το άτομο ουδέτερο;
4. Φτιάξε το ιόν του οξυγόνου O²⁻ (8 πρωτόνια). Πόσα ηλεκτρόνια έχει; Πόσο είναι το φορτίο του σε C;
5. Σύρε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο πίσω στο άτομο. Τι γίνεται το φορτίο του ατόμου; Χάθηκε ή δημιουργήθηκε φορτίο;

Ασκήσεις

Λύσε κάθε άσκηση και, όπου γίνεται, έλεγξε την απάντηση στην προσομοίωση.

1. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Ένα άτομο άνθρακα έχει 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια. Πόσα ηλεκτρόνια έχει όταν είναι ουδέτερο; Πόσα βρίσκονται στη στιβάδα K και πόσα στην L;

   Λύση

   Ουδέτερο άτομο: ηλεκτρόνια = πρωτόνια = 6. Η K χωράει 2, άρα 2 στην K και 4 στην L.

2. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Ένα άτομο αλουμινίου (13 πρωτόνια) χάνει 3 ηλεκτρόνια. Τι είδους ιόν γίνεται; Πόσο είναι το φορτίο του σε C;

   Λύση

   Χάνει ηλεκτρόνια, άρα γίνεται θετικό ιόν (Al³⁺). q = +3 · 1,6·10⁻¹⁹ C = +4,8·10⁻¹⁹ C.

3. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Ένα ιόν χλωρίου έχει 17 πρωτόνια και 18 ηλεκτρόνια. Είναι θετικό ή αρνητικό; Πόσο είναι το φορτίο του;

   Λύση

   q = (17 − 18) · e = −e = −1,6·10⁻¹⁹ C: αρνητικό ιόν (Cl⁻).

4. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Ένα ιόν έχει φορτίο +3,2·10⁻¹⁹ C και 10 ηλεκτρόνια. Πόσα πρωτόνια έχει;

   Λύση

   3,2·10⁻¹⁹ διά 1,6·10⁻¹⁹ = 2: τα πρωτόνια είναι 2 περισσότερα από τα ηλεκτρόνια, άρα 12 πρωτόνια (ιόν μαγνησίου Mg²⁺).

5. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Γιατί ένα άτομο γίνεται θετικό ιόν χάνοντας ηλεκτρόνια και όχι παίρνοντας πρωτόνια;

   Λύση

   Τα πρωτόνια είναι δεμένα μέσα στον πυρήνα και δεν μετακινούνται στα φαινόμενα ηλέκτρισης. Επιπλέον, αν άλλαζε ο αριθμός των πρωτονίων θα άλλαζε το ίδιο το στοιχείο. Τα ηλεκτρόνια όμως, που βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα, μπορούν να φύγουν ή να έρθουν από άλλα σώματα.