Atome
Renseignements g??n??raux
Enfants SOS b??n??voles ont aid?? ?? choisir des articles et faites autre mat??riel de programme Parrainer un enfant de faire une r??elle diff??rence.
| atome d'h??lium | ||||||||
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| Une illustration de l' h??lium atome, repr??sentant le noyau (rose) et le la r??partition des nuages d'??lectrons (noir). Le noyau (en haut ?? droite) est en r??alit?? ?? sym??trie sph??rique, bien que pour les noyaux plus complexes ce ne est pas toujours le cas. La barre noire est une ??ngstr??m, ??gale ?? 10 -10 m ou 100 000 fm. | ||||||||
| Classification | ||||||||
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| Propri??t??s | ||||||||
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Un atome est la plus petite particule qui comprend un ??l??ment chimique . Un atome est constitu?? d'un nuage d'??lectrons dense qui entoure un noyau . Ce noyau contient positivement charg?? protons ??lectriquement neutres et les neutrons , alors que le nuage environnant est constitu?? d'charg??s n??gativement ??lectrons . Lorsque le nombre de protons dans le noyau est ??gal au nombre d'??lectrons, l'atome est ??lectriquement neutre; sinon il est un ion et poss??de une charge nette positive ou n??gative. Un atome est class?? en fonction de son nombre de protons et de neutrons: le nombre de protons d??termine l' ??l??ment chimique et le nombre de neutrons d??termine l' isotope de cet ??l??ment. Le concept de l'atome comme un ??l??ment indivisible de la mati??re a ??t?? propos??e par les premiers indiens et grecs philosophes. Dans les 17e et 18e si??cles, chimistes ont fourni une base physique pour cette id??e en montrant que certaines substances ne pouvaient pas ??tre d??compos??es par des m??thodes chimiques. Au cours de la fin du 19e et le d??but du 20e si??cles, les physiciens ont d??couvert des composants et la structure subatomiques int??rieur de l'atome, d??montrant ainsi que le "atome" ne ??tait pas indivisible. Les principes de la m??canique quantique , y compris la dualit?? onde-particule de la mati??re, ont ??t?? utilis??s avec succ??s mod??liser l'atome.
Par rapport ?? l'exp??rience quotidienne, les atomes sont des objets minuscules avec des masses proportionnellement minuscules qui ne peuvent ??tre observ??s individuellement ?? l'aide d'instruments sp??ciaux comme le microscope ?? effet tunnel. Plus de 99,9% de la masse d'un atome est concentr??e dans le noyau, avec les protons et les neutrons ayant environ masse ??gale. Dans atomes avec trop ou trop peu de neutrons par rapport au nombre de protons, le noyau est instable et sujet ?? d??sint??gration radioactive. Les ??lectrons entourant le noyau occupent un ensemble de stable les niveaux d'??nergie, ou orbitales, et ils peuvent transition entre ces ??tats par l'absorption ou l'??mission de photons qui correspondent aux diff??rences d'??nergie entre les niveaux. Les ??lectrons d??terminent les propri??t??s chimiques d'un ??l??ment, et influencent fortement d'un atome magn??tique propri??t??s.
Histoire
Le concept selon lequel la mati??re est compos??e de unit??s discr??tes et ne peut pas ??tre divis?? en quantit??s minuscules arbitraire a ??t?? autour depuis des mill??naires, mais ces id??es ont ??t?? fond??e en r??sum??, le raisonnement philosophique plut??t que l'exp??rimentation et l'observation empirique. La nature des atomes dans la philosophie vari?? consid??rablement au fil du temps et entre les cultures et les ??coles, et les ??l??ments spirituels souvent eu. N??anmoins, l'id??e de base de l'atome a ??t?? adopt?? par les scientifiques des milliers d'ann??es plus tard, car il ??l??gamment expliqu?? nouvelles d??couvertes dans le domaine de la chimie.
Les premi??res r??f??rences ?? la notion d'atomes remontent ?? l'Inde ancienne au 6??me si??cle BCE. Le Nyaya et ??coles Vaisheshika d??velopp??s ??labor??e th??ories de comment les atomes combin??s en plusieurs objets complexes (la premi??re fois en paires, puis trios de paires). Les r??f??rences ?? des atomes dans l'Occident un si??cle plus tard ??merg?? ?? partir Leucippe dont les ??tudiants, D??mocrite, syst??matis?? ses vues. Dans environ 450 BCE, D??mocrite a invent?? les ??tomos terme ( grec de ἄτομος), ce qui signifie quelque chose "ins??cable?? ou ??la plus petite particule indivisible de la mati??re", ce est ?? dire, qui ne peut pas ??tre divis??. Bien que les concepts indiens et grecs de l'atome ??taient fond??es uniquement sur la philosophie, la science moderne a conserv?? le nom invent?? par D??mocrite.
Des progr??s dans la compr??hension des atomes ne se produit pas jusqu'?? ce que la science de la chimie a commenc?? ?? se d??velopper. En 1661, la physicien Robert Boyle publi?? Le sceptique Chymist dans lequel il affirmait que la mati??re est compos??e de diff??rentes combinaisons de diff??rents ??corpuscules?? ou atomes, plut??t que le ??l??ments classiques de l'air, la terre, le feu et l'eau. En 1789, l'??l??ment de terme a ??t?? d??fini par le noble fran??ais et chercheur scientifique Antoine Lavoisier d??signe les substances de base qui ne pouvait pas ??tre d??compos??es par les m??thodes de la chimie.
En 1803, l'Anglais John Dalton , un instructeur et philosophe de la nature, a utilis?? le concept d'atomes d'expliquer pourquoi ??l??ments toujours r??agi dans un rapport de petits nombres entiers -la loi de plusieurs proportions, et pourquoi certains gaz dissous dans l'eau de mieux que d'autres. Il a propos?? que chaque ??l??ment est constitu?? d'atomes d'un seul type unique, et que ces atomes peuvent adh??rer les unes aux autres, pour former des compos??s chimiques.
Une validation suppl??mentaire de la th??orie des particules (et par extension th??orie atomique) se est produite en 1827 lorsque botaniste Robert Brown a utilis?? un microscope pour examiner les grains de poussi??re flottant dans l'eau et a d??couvert qu'ils se d??pla??aient de mani??re erratique-un ph??nom??ne qui est devenu connu comme " Mouvement brownien ??. J. Desaulx sugg??r?? en 1877 que le ph??nom??ne a ??t?? caus?? par le mouvement thermique des mol??cules d'eau, et en 1905 Albert Einstein a produit la premi??re analyse math??matique de la motion, confirmant ainsi l'hypoth??se.
Le physicien JJ Thomson , ?? travers son travail sur rayons cathodiques en 1897, a d??couvert l'??lectron et sa nature subatomique, qui a d??truit la notion d'atomes comme ??tant des unit??s indivisibles. Thomson pense que les ??lectrons ont ??t?? distribu??s dans tout l'atome, avec leur charge ??quilibr??e par la pr??sence d'une mer uniforme de charge positive (la mod??le de plum-pudding).
Cependant, en 1909, les chercheurs sous la direction du physicien Ernest Rutherford bombard??s une feuille de papier d'or avec des ions d'h??lium et ont d??couvert qu'un petit pourcentage ont ??t?? d??vi?? par beaucoup plus que ce qui ??tait pr??dit angles en utilisant la proposition de Thomson. Rutherford a interpr??t?? la exp??rience de feuille d'or comme signifiant que la charge positive de l'atome et la plupart de sa masse a ??t?? concentr?? dans un noyau au centre de l'atome (le Mod??le de Rutherford), avec les ??lectrons en orbite autour il comme les plan??tes autour d'un soleil. Ions d'h??lium charg??s positivement passant pr??s de ce noyau dense seraient alors d??vi??s angles loin ?? beaucoup plus nettes.
En exp??rimentant avec les produits de d??sint??gration radioactive, en 1913 radiochimiste Frederick Soddy d??couvert qu'il semblait y avoir plus d'un type d'atome ?? chaque position sur le tableau p??riodique. Le terme isotope a ??t?? invent?? par Margaret Todd comme un nom adapt?? ?? diff??rents atomes qui appartiennent ?? un m??me ??l??ment. JJ Thomson a cr???? une technique de s??paration des types d'atomes gr??ce ?? son travail sur les gaz ionis??s, qui a ensuite conduit ?? la d??couverte des isotopes stables.
Pendant ce temps, en 1913, le physicien Niels Bohr a r??vis?? le mod??le de Rutherford en sugg??rant que les ??lectrons ont ??t?? confin??s dans des orbites clairement d??finis, et pourraient sauter entre eux, mais ne pouvaient pas librement spirale vers l'int??rieur ou vers l'ext??rieur dans des ??tats interm??diaires. Un ??lectron doit absorber ou ??mettre des quantit??s sp??cifiques d'??nergie de transition entre ces orbites fixes. Lorsque la lumi??re ?? partir d'un mat??riau chauff?? est pass?? ?? travers un prisme, il produit un multicolore spectre. L'apparition de fixe lignes dans ce spectre a ??t?? expliqu?? avec succ??s par les transitions orbitales.
En 1926, Erwin Schr??dinger, en utilisant 1924 proposition de Louis de Broglie que les particules se comportent dans une certaine mesure comme des vagues, a d??velopp?? un mod??le math??matique de l'atome qui d??crit les ??lectrons en trois dimensions les formes d'onde, au lieu de particules ponctuelles. Une cons??quence de l'utilisation de formes d'onde pour d??signer des ??lectrons est qu'il est math??matiquement impossible d'obtenir des valeurs pr??cises ?? la fois pour la position et impulsion d'une particule en m??me temps; ce est devenu connu comme le principe d'incertitude. Dans ce concept, pour chaque mesure d'une position on ne pouvait obtenir une gamme de valeurs probables de l'??lan, et vice versa. Bien que ce mod??le ??tait difficile ?? conceptualiser visuellement, il ??tait en mesure d'expliquer les observations du comportement atomique que les mod??les pr??c??dents ne pouvait pas, comme certains structurelle et des motifs d'atomes spectrales sup??rieures ?? hydrog??ne. Ainsi, le mod??le plan??taire de l'atome a ??t?? ??cart??e en faveur de celui qui d??crit zones orbitales autour du noyau o?? un ??lectron donn?? est le plus susceptible d'exister.
Le d??veloppement de la spectrom??trie de masse a permis ?? la masse exacte des atomes ?? mesurer. L'appareil utilise un aimant de plier la trajectoire d'un faisceau d'ions, et la quantit?? de d??viation est d??termin??e par le rapport entre la masse d'un atome de sa charge. Le chimiste Francis William Aston utilis?? cet instrument pour d??montrer que les isotopes ont des masses diff??rentes. La masse de ces isotopes variation des montants entiers, appel?? toute r??gle de num??ro. L'explication de ces diff??rents isotopes atomiques attendait la d??couverte du neutron , une particule neutre charg??e d'une masse similaire ?? protons , par le physicien James Chadwick en 1932. isotopes ont ensuite expliqu?? que des ??l??ments avec le m??me nombre de protons, mais un nombre diff??rent de neutrons dans le noyau.
Dans les ann??es 1950, le d??veloppement de l'am??lioration un acc??l??rateur de particules et d??tecteurs de particules a permis aux scientifiques d'??tudier les impacts des atomes en mouvement ?? haute ??nergie. Neutrons et les protons ont ??t?? jug??s hadrons, ou composites de particules plus petites appel??es quarks . Les mod??les standard de la physique nucl??aire ont ??t?? d??velopp??s qui expliquait avec succ??s les propri??t??s du noyau en fonction de ces particules sub-atomiques et les forces qui r??gissent leurs interactions.
Autour de 1985, Steven Chu et coll??gues ?? Bell Labs a d??velopp?? une technique pour abaisser les temp??ratures d'atomes ?? l'aide de lasers . Dans la m??me ann??e, une ??quipe dirig??e par William D. Phillips a r??ussi ?? contenir des atomes de sodium dans un pi??ge magn??tique. La combinaison de ces deux techniques et une m??thode bas??e sur la effet Doppler, d??velopp?? par Claude Cohen-Tannoudji et son groupe, permet aux petits nombres d'atomes ?? refroidir ?? plusieurs microkelvin . Ceci permet aux atomes ?? ??tudier avec une grande pr??cision, et par la suite conduit ?? la d??couverte de Condensation de Bose-Einstein.
Historiquement, les atomes simples ont ??t?? trop petite pour les applications scientifiques. R??cemment, des dispositifs ont ??t?? construits qui utilisent un seul atome de m??tal organique reli?? par ligands pour construire un transistor ?? ??lectron unique. Des exp??riences ont ??t?? men??es par le pi??geage et le ralentissement des atomes uniques en utilisant refroidissement par laser dans une cavit?? d'acqu??rir une meilleure compr??hension de la physique de la mati??re.
Composants
Particules subatomiques
Bien que le mot atome origine not?? une particule qui ne peut pas ??tre coup?? en particules plus petites, dans l'usage scientifique moderne de l'atome est compos?? de divers particules subatomiques. Les particules constitutives sont constitu??s d'un atome de l' ??lectron , le proton et par des atomes autres que l'hydrog??ne-1 , le neutron .
L'??lectron est de loin la moins massive de ces particules ?? 9,11 ?? 10 -28 g, avec un n??gatif charge ??lectrique et une taille qui est trop petite pour ??tre mesur??e en utilisant des techniques disponibles. Les protons ont une charge positive et une masse 1836 fois celle de l'??lectron, ?? 1,6726 ?? 10 -24 g, m??me si cela peut ??tre r??duite par des changements ?? l'atomique ??nergie de liaison. Les neutrons ne ont aucune charge ??lectrique et avoir une masse libre de 1839 fois la masse des ??lectrons, ou 1,6929 ?? 10 -24 g. Neutrons et les protons ont des dimensions-de l'ordre de 2,5 ?? 10 -15 comparables m-bien que la ??surface?? de ces particules ne est pas nettement d??finie.
Dans le mod??le standard de la physique, les deux protons et les neutrons sont constitu??s de particules ??l??mentaires appel??es quarks . Le quark est un type de fermion, l'un des deux constituants de base de la mati??re, l'autre ??tant le lepton, dont l'??lectron est un exemple. Il ya six types de quarks, et chacun a une charge ??lectrique fractionnaire de +2/3 ou -1/3 soit. Les protons sont compos??s de deux quarks up et une quark down, tout un neutron se compose d'un quark et deux quarks down. Cette distinction repr??sente la diff??rence de masse et la charge entre les deux particules. Les quarks sont maintenus ensemble par le force nucl??aire forte, qui est m??di??e par gluons. Le gluon est un membre de la famille de bosons, qui sont des particules ??l??mentaires qui interviennent physiques forces .
Noyau
Toutes les protons et les neutrons li??s ?? un atome forment un petit noyau atomique , et sont collectivement appel??s nucl??ons. Le rayon du noyau est approximativement ??gale ?? ![\ Begin {} smallmatrix 1,07 \ cdot \ sqrt [3] {A} \ end {} smallmatrix](../../images/170/17089.png)
fm, o?? A est le nombre total de nucl??ons. Cela est beaucoup plus petit que le rayon de l'atome, qui est de l'ordre de 10 5 fm. Les nucl??ons sont li??s ensemble par un potentiel attractif ?? courte port??e appel??e force forte r??siduelle. ?? des distances inf??rieures ?? 2,5 fm, cette force est beaucoup plus puissante que la force ??lectrostatique qui provoque charg?? positivement protons se repoussent mutuellement.
Les atomes d'un m??me ??l??ment poss??dent le m??me nombre de protons, appel?? le num??ro atomique . Au sein d'un seul ??l??ment, le nombre de neutrons peut varier, la d??termination de l' isotope de cet ??l??ment. Le nombre de neutrons par rapport aux protons d??termine la stabilit?? du noyau, avec certains isotopes subir d??sint??gration radioactive.
Le neutron et le proton sont les diff??rents types de fermions. Le Principe d'exclusion de Pauli est une m??canique quantique effet qui interdit fermions identiques (comme plusieurs protons) d'occuper le m??me ??tat quantique en m??me temps. Ainsi tous les protons dans le noyau doit occuper un ??tat diff??rent, avec son propre niveau d'??nergie, et la m??me r??gle se applique ?? tous les neutrons. (Cette interdiction ne se applique pas ?? un proton et le neutron occupant le m??me ??tat quantique.)
Un noyau qui a un nombre diff??rent de neutrons que de protons peut potentiellement tomber ?? un ??tat d'??nergie inf??rieure par une d??sint??gration radioactive qui provoque le nombre de protons et de neutrons pour mieux l'adapter. En cons??quence, les atomes avec nombre de protons et de neutrons correspondant sont plus stables contre la carie. Cependant, avec l'augmentation de nombre atomique, la r??pulsion mutuelle des protons exige une proportion croissante de neutrons pour maintenir la stabilit?? du noyau, ce qui modifie l??g??rement la tendance d'un nombre ??gal de protons ?? neutrons.
Le nombre de protons et de neutrons du noyau atomique peut ??tre modifi??, m??me si cela peut n??cessiter de tr??s hautes ??nergies en raison de la force forte. La fusion nucl??aire se produit lorsque plusieurs particules atomiques se joignent pour former un noyau plus lourd, tel que par la collision de deux noyaux ??nergique. Au c??ur du Soleil, protons exigent ??nergies de 3-10 keV ?? surmonter leur r??pulsion mutuelle-le Coulomb obstacle et fusionnent en un seul noyau. La fission nucl??aire est le processus inverse, provoquant un noyau de se scinder en deux noyaux plus petits-g??n??ral par d??croissance radioactive. Le noyau peut aussi ??tre modifi?? par le bombardement par des particules subatomiques haute ??nergie ou des photons. Dans de tels proc??d??s qui modifient le nombre de protons dans le noyau, l'atome devient un atome d'un ??l??ment chimique diff??rent.
La masse du noyau suivant une r??action de fusion est inf??rieur ?? la somme des masses des particules s??par??es. La diff??rence entre ces deux valeurs est ??mise sous forme d'??nergie, tel que d??crit par Albert Einstein de l ' formule d'??quivalence masse-??nergie, E = mc??, o?? m est la perte de masse et c la vitesse de la lumi??re . Ce d??ficit est le ??nergie du noyau de liaison.
La fusion de deux noyaux qui ont des num??ros atomiques inf??rieurs de fer et de nickel est un proc??d?? exothermique qui lib??re plus d'??nergie que n??cessaire pour les r??unir. Ce est ce processus lib??rant de l'??nergie qui fait en fusion nucl??aire ??toiles une r??action auto-entretenue. Pour les noyaux plus lourds, l'??nergie de liaison totale commence ?? diminuer. Cela signifie que les processus de fusion avec des noyaux atomiques qui ont des num??ros plus ??lev??s est un processus endothermique. Ces noyaux plus massives ne peuvent pas subir une r??action de fusion de production d'??nergie qui peut soutenir la ??quilibre hydrostatique d'une ??toile.
Electron cloud
Les ??lectrons dans un atome sont attir??s par les protons dans le noyau par la force ??lectromagn??tique . Cette force oblige les ??lectrons ?? l'int??rieur d'un ??lectrostatique puits de potentiel entourant le noyau plus petit, ce qui signifie que d'une source externe d'??nergie est n??cessaire pour que les ??lectrons de se ??chapper. Le plus proche est un ??lectron dans le noyau, plus la force d'attraction. Ainsi ??lectrons li??s ?? proximit?? du centre du puits de potentiel n??cessitent plus d'??nergie pour ??chapper ?? ceux ?? l'ext??rieur.
Les ??lectrons, comme les autres particules, ont des propri??t??s ?? la fois une particule et une onde. Le nuage d'??lectrons est une r??gion ?? l'int??rieur du puits de potentiel o?? chaque ??lectron forme un type de tridimensionnel une onde debout forme d'onde qui ne bouge pas par rapport au noyau. Ce comportement est d??fini par une orbitale atomique, une fonction math??matique qui caract??rise la probabilit?? qu'un ??lectron semblera ??tre dans un emplacement particulier lorsque sa position est mesur??e. Seule une discr??te (ou quantifi??) ensemble de ces orbitales existe autour du noyau, que d'autres mod??les possibles d'ondes se d??composeront rapidement en une forme plus stable. Orbitales peuvent avoir une ou plusieurs structures cycliques ou noeuds, et ils diff??rent l'une de l'autre en taille, forme et orientation.
Chacune correspond orbitales atomiques ?? un particulier niveau de l'??lectron d'??nergie. L'??lectron peut changer son ??tat ?? un niveau d'??nergie plus ??lev?? par absorption d'un photon avec une ??nergie suffisante pour stimuler dans le nouvel ??tat quantique. De m??me, par l'interm??diaire ??mission spontan??e, un ??lectron dans un ??tat d'??nergie sup??rieur peut tomber ?? un ??tat d'??nergie plus faible tout en rayonnant l'??nergie exc??dentaire comme un photon. Ces valeurs d'??nergie caract??ristiques, d??finies par les diff??rences entre les ??nergies des ??tats quantiques, sont responsables de lignes spectrales atomiques .
La quantit?? d'??nergie n??cessaire pour supprimer ou ajouter un ??lectron (la ??lectronique de l'??nergie de liaison) est beaucoup moins que le l'??nergie de liaison des nucl??ons. Par exemple, il n??cessite seulement 13,6 eV pour d??pouiller un ??tat fondamental ??lectronique ?? partir d'un atome d'hydrog??ne. Atomes sont ??lectriquement neutres si elles ont un nombre ??gal de protons et d'??lectrons. Atomes qui ont un d??ficit ou un exc??dent d'??lectrons sont appel??s ions . Les ??lectrons qui sont les plus ??loign??s du noyau peuvent ??tre transf??r??s ?? d'autres atomes proximit?? ou partag??s entre les atomes. Par ce m??canisme, les atomes sont capables de se lier ?? des mol??cules et d'autres types de compos??s chimiques tels que ionique et r??seau covalente cristaux.
Propri??t??s
Par d??finition, tous les deux atomes avec un nombre identique de protons dans leur noyau appartiennent au m??me ??l??ment chimique . Les atomes ayant le m??me nombre de protons mais un nombre diff??rent de neutrons sont diff??rents isotopes du m??me ??l??ment. Les atomes d'hydrog??ne, par exemple, ont toujours un seul proton, mais isotopes existent sans neutrons ( hydrog??ne-1, parfois appel?? protium, de loin la forme la plus courante), un neutron ( deut??rium) et deux neutrons ( tritium). Les ??l??ments connus forment une plage continue de num??ros atomiques de l'hydrog??ne avec un proton ?? l'??l??ment 118-proton ununoctium . Tous les isotopes connus d'??l??ments ayant un num??ro atomique sup??rieur ?? 82 sont radioactifs.
Masse
??tant donn?? que la grande majorit?? de la masse d'un atome provient des protons et des neutrons, le nombre total de ces particules dans un atome est appel?? le nombre de masse. Le masse d'un atome au repos est souvent exprim??e en utilisant le unit?? unifi??e de masse atomique (u), qui est ??galement appel?? Dalton (Da). Cet appareil est d??fini comme un douzi??me de la masse d'un atome neutre exempt de qui est d'environ 1,66 ?? 10 -24 g de carbone-12,. hydrog??ne-1, le plus l??ger isotope de l'hydrog??ne et l'atome avec la masse la plus basse, a une masse atomique de 1,007825 u. Un atome a une masse approximativement ??gale ?? la fois de nombre de masse de l'unit?? de masse atomique. Le plus lourd atome stable est le plomb-208, avec une masse de 207,9766521 u.
??tant donn?? que m??me les atomes les plus massives sont beaucoup trop l??ger pour travailler avec directement, les chimistes utilisent plut??t l'unit?? de taupes. La taupe est d??fini de telle sorte que d'une mole d'un ??l??ment aura toujours le m??me nombre d'atomes (environ 6,022 x 10 23 ). Ce nombre a ??t?? choisi de sorte que si un ??l??ment a une masse atomique de 1 u, une mole d'atomes de cet ??l??ment aura une masse de 1 g. de carbone , par exemple, a une masse atomique de 12 u, de sorte qu'une mole de carbone atomes p??se 12 g.
Taille
Atomes ne ont pas de limite ext??rieure bien d??finie, de sorte que les dimensions sont g??n??ralement d??crits en termes de distances entre deux noyaux lorsque les deux atomes sont assembl??s dans une liaison chimique . Le rayon varie en fonction de l'emplacement d'un atome atomique sur la carte, le type de liaison chimique, le nombre d'atomes voisins ( nombre de coordination) et une m??canique quantique propri??t?? connue comme essorage. Sur le tableau p??riodique des ??l??ments, la taille de l'atome a tendance ?? augmenter lorsque l'on descend colonnes, mais diminuer lorsque se d??pla??ant ?? travers les lignes (de gauche ?? droite). Par cons??quent, le plus petit atome est de l'h??lium avec un rayon de 32 h, tandis que l'un des plus importants est le c??sium ?? 225 h. Ces dimensions sont des milliers de fois plus petites que les longueurs d'onde de la lumi??re (400-700 nm) de sorte qu'ils ne peuvent pas ??tre visualis??s ?? l'aide d'un microscope optique . Cependant, les atomes individuels peuvent ??tre observ??s ?? l'aide d'un microscope ?? effet tunnel.
Quelques exemples montreront la minutie de l'atome. Un cheveu humain typique est d'environ 1 million d'atomes de carbone dans la largeur. Une seule goutte d'eau contient environ 2 sextillion (2 ?? 10 21 atomes d'oxyg??ne), et deux fois le nombre d'atomes d'hydrog??ne. Un seul carats de diamant avec une masse de 0,2 g contient environ 10 sextillion atomes de carbone . Si une pomme a ??t?? agrandie ?? la taille de la Terre, alors les atomes dans la pomme seraient approximativement de la taille de la pomme d'origine.
La d??croissance radioactive
Chaque ??l??ment a une ou plusieurs isotopes qui ont des noyaux instables qui sont soumis ?? la d??sint??gration radioactive, ce qui provoque le noyau pour ??mettre des particules ou des rayonnements ??lectromagn??tiques. La radioactivit?? peut se produire lorsque le rayon d'un noyau est grand par rapport au rayon de la force forte, qui ne agit que sur des distances de l'ordre de 1 fm.
Il existe trois principales formes de d??sint??gration radioactive:
- Les d??sint??grations alpha est provoqu??e lorsque le noyau ??met une particule alpha, qui est un noyau d'h??lium constitu?? de deux protons et deux neutrons. Le r??sultat de l'??mission est un nouvel ??l??ment avec un faible num??ro atomique .
- D??sint??gration b??ta est r??gie par la force faible, et r??sulte d'une transformation d'un neutron en proton, ou un proton en neutron. La premi??re se accompagne de l'??mission d'un ??lectron et un antineutrino, tandis que la deuxi??me provoque l'??mission d'un un positron et neutrino. Les ??missions d'??lectrons ou des positrons sont appel??s particules b??ta. D??sint??gration b??ta augmente ou diminue le nombre atomique du noyau par une.
- Gamma d??croissance r??sulte d'un changement dans le niveau d'??nergie du noyau ?? un ??tat bas, ce qui entra??ne l'??mission d'un rayonnement ??lectromagn??tique. Ceci peut se produire suite ?? l'??mission d'un alpha ou une particule b??ta ?? partir de la d??sint??gration radioactive.
Chaque isotope radioactif a une p??riode de temps de d??croissance, la caract??ristique de demi-vie , ce est-d??termin??e par la quantit?? de temps n??cessaire pour que la moiti?? d'un ??chantillon ?? la pourriture. Il se agit d'un processus de d??croissance exponentielle qui diminue progressivement la proportion des isotopes restants de 50% toutes les demi-vie. Ainsi apr??s deux demi-vies ont pass?? seulement 25% de l'isotope sera pr??sent, et ainsi de suite.
Moment magn??tique
Les particules ??l??mentaires poss??dent une propri??t?? m??canique quantique intrins??que connu sous le nom essorage. Ce est analogue ?? la vitesse angulaire d'un objet qui tourne autour de son centre de masse , bien que strictement parlant ces particules sont soup??onn??s d'??tre ponctuel et ne peuvent pas ??tre dites rotation. Spin est mesur?? en unit??s de la r??duction La constante de Planck ( 
), Avec les ??lectrons, les protons et les neutrons ayant tous de spin ?? , Ou "spin-??". Dans un atome, les ??lectrons en mouvement autour du noyau poss??dent moment angulaire orbital en plus de leur rotation, tandis que le noyau lui-m??me poss??de moment cin??tique en raison de son spin nucl??aire.
Le champ magn??tique produit par un atome de son instant-est magn??tique d??termin??e par ces diverses formes de moment angulaire, tout comme un objet charg?? rotation classique produit un champ magn??tique. Toutefois, la contribution la plus dominante vient de rotation. En raison de la nature des ??lectrons ?? ob??ir ?? la Principe d'exclusion de Pauli, dans lequel pas deux ??lectrons se trouvent dans le m??me ??tat quantique, les ??lectrons li??s paire avec l'autre, avec un membre de chaque paire dans un ??tat de spin et l'autre dans le sens oppos??, ralentit Etat. Ainsi, ces tours se annulent mutuellement, r??duisant le moment magn??tique total dip??le ?? z??ro dans certains atomes ?? nombre pair d'??lectrons.
En ??l??ments ferromagn??tiques comme le fer, un nombre impair d'??lectrons conduit ?? un ??lectron non appari?? et un moment magn??tique global net. Les orbitales des atomes voisins se chevauchent et un ??tat d'??nergie plus faible est obtenue lorsque les spins des ??lectrons non appari??s sont align??s les uns avec les autres, un proc??d?? est connu en tant que interaction d'??change. Lorsque les moments magn??tiques des atomes ferromagn??tiques sont align??s, le mat??riau peut produire un champ macroscopique mesurable. Les mat??riaux paramagn??tiques ont des atomes avec des moments magn??tiques qui se alignent dans des directions al??atoires lorsque aucun champ magn??tique ne est pr??sente, mais les moments magn??tiques des atomes individuels se alignent en pr??sence d'un champ.
Le noyau d'un atome peut aussi avoir un spin net. Normalement, ces noyaux sont align??s dans des directions al??atoires en raison de ??quilibre thermique. Toutefois, pour certains ??l??ments (tels que le x??non-129 ) il est possible de polariser une partie importante des ??tats de spin nucl??aire de sorte qu'ils sont align??s dans la direction-m??me une condition appel??e hyperpolarisation. Cela a des applications importantes en imagerie par r??sonance magn??tique.
Les niveaux d'??nergie
Lorsqu'un ??lectron est li?? ?? un atome, il a un l'??nergie potentielle qui est inversement proportionnelle ?? sa distance ?? partir du noyau. Elle est mesur??e par la quantit?? d'??nergie n??cessaire pour annuler la liaison d'un ??lectron de l'atome, et est habituellement exprim??e en unit??s de ??lectronvolts (eV). Dans le mod??le de la m??canique quantique, un ??lectron li?? ne peut occuper un ensemble d'??tats centr??s sur le noyau, et chaque ??tat correspond ?? un niveau d'??nergie sp??cifique. L'??tat de plus basse ??nergie d'un ??lectron li?? est appel?? l'??tat du sol, tout en un ??lectron ?? un niveau d'??nergie plus ??lev?? est dans un ??tat excit??.
Pour un ??lectron ?? la transition entre deux ??tats diff??rents, il doit absorber ou ??mettre un photon avec une ??nergie correspondant ?? la diff??rence de l'??nergie potentielle de ces niveaux. L'??nergie d'un photon ??mis est proportionnel ?? sa la fr??quence, de sorte que ces niveaux d'??nergie sp??cifiques apparaissent sous forme de bandes distinctes dans le spectre ??lectromagn??tique. Chaque ??l??ment a un spectre caract??ristique qui peut d??pendre de la charge nucl??aire, sous-couches rempli par des ??lectrons, les interactions ??lectromagn??tiques entre les ??lectrons et d'autres facteurs.
Quand un spectre continu de l'??nergie est transmise ?? travers un gaz ou un plasma, une partie des photons sont absorb??s par des atomes, ce qui provoque des ??lectrons pour changer leur niveau d'??nergie. Ces ??lectrons excit??s qui restent li??s ?? leur atome spontan??ment ??mettre cette ??nergie comme un photon, voyageant dans une direction al??atoire, et ainsi de retomber ?? des niveaux d'??nergie plus faible. Ainsi, les atomes se comportent comme un filtre qui forme une s??rie de sombres bandes d'absorption dans la production d'??nergie. (Un observateur de visualiser les atomes d'une direction diff??rente, qui ne inclut pas le spectre continu en arri??re-plan, sera plut??t voir une s??rie de raies d'??mission des photons ??mis par les atomes.) spectroscopiques des mesures de la force et de la largeur de raies spectrales permettent la composition et les propri??t??s physiques d'une substance ?? d??terminer.
Un examen attentif des raies spectrales r??v??le que certaines affichage un structure fine division. Cela est d?? ?? couplage spin-orbite, qui est une interaction entre le spin et le mouvement de l'??lectron ultrap??riph??rique. Lorsqu'un atome est dans un champ magn??tique ext??rieur, les lignes spectrales deviennent divis?? en trois composants ou plus; un ph??nom??ne appel?? le Effet Zeeman. Cela est d?? ?? l'interaction du champ magn??tique avec le moment magn??tique de l'atome et de ses ??lectrons. Certains atomes peuvent avoir plusieurs configurations d'??lectrons avec le m??me niveau d'??nergie, qui apparaissent donc comme une seule ligne spectrale. L'interaction du champ magn??tique avec l'atome d??cale ces configurations d'??lectrons des niveaux d'??nergie ?? l??g??rement diff??rentes, ce qui entra??ne de multiples raies spectrales. La pr??sence d'un ext??rieur champ ??lectrique peut provoquer un ??clatement et le d??placement des raies spectrales comparable en modifiant les niveaux d'??nergie d'??lectrons, un ph??nom??ne appel?? le Effet Stark.
Si un ??lectron li?? est dans un ??tat excit??, un photon interaction avec l'??nergie appropri??e peut causer l'??mission stimul??e d'un photon avec un niveau d'??nergie correspondant. Pour ce faire, l'??lectron doit tomber ?? un ??tat d'??nergie plus faible qui a une diff??rence d'??nergie correspondant ?? l'??nergie du photon interaction. Le photon ??mis et le photon interagissant ensuite se ??loigner en parall??le et avec des phases correspondant. Autrement dit, les motifs d'ondes des deux photons seront synchronis??s. Cette propri??t?? physique est utilis?? pour fabriquer des lasers , qui peuvent ??mettre un faisceau coh??rent de l'??nergie lumineuse dans une bande de fr??quence ??troite.
Valence
La coque ext??rieure d'??lectrons d'un atome dans son ??tat non combin?? est connu comme la couche de valence, et les ??lectrons dans cette coquille sont appel??s ??lectrons de valence. Le nombre d'??lectrons de valence d??termine la liaison avec le comportement d'autres atomes. Les atomes ont tendance ?? r??agir chimiquement les uns avec les autres d'une mani??re qui va remplir (ou vide) leurs couches de valence ext??rieures.
Les ??l??ments chimiques sont souvent affich??es dans un tableau p??riodique qui est dispos?? pour afficher les propri??t??s chimiques r??currentes, et des ??l??ments ayant le m??me nombre d'??lectrons de valence forment un groupe qui est align??e dans la m??me colonne de la table. (Les lignes horizontales correspondent au remplissage d'une coquille de quantum des ??lectrons.) Les ??l??ments ?? l'extr??me droite de la table ont leur enveloppe ext??rieure compl??tement rempli avec des ??lectrons, ce qui se traduit dans les ??l??ments inertes chimiquement connus que les gaz nobles .
Unis
Les quantit??s d'atomes se trouvent dans diff??rents ??tats de la mati??re qui d??pendent des conditions physiques telles que la temp??rature et pression. En faisant varier les conditions, les matériaux peuvent passer entre des solides , des liquides , des gaz et des plasmas . Dans un état, un matériau peut également exister dans différentes phases. Un exemple de ceci est le carbone solide, qui peut exister sous forme de graphite ou de diamant .
À des températures proches du zéro absolu , les atomes peuvent former un condensat de Bose-Einstein, à quel point quantique des effets mécaniques, qui ne sont normalement observées à l'échelle atomique, deviennent apparents à l'échelle macroscopique. Cette collection d'atomes super-refroidi se comporte alors comme un seul super Atom, ce qui peut permettre des contrôles fondamentaux du comportement mécanique quantique.
Identification
Le microscope à effet tunnel est un dispositif de visualisation de surfaces à l'échelle atomique. Il utilise le phénomène d'effet tunnel quantique, ce qui permet aux particules de passer à travers une barrière qui serait normalement insurmontable. Les électrons tunnel à travers le vide entre deux électrodes métalliques planes, sur chacune desquelles est un atome adsorbé, en fournissant une densité de courant d'effet tunnel qui peut être mesurée. Numérisation un atome (pris comme la pointe) comme il se déplace passé l'autre (l'échantillon) permet le traçage de la pointe déplacement fonction de la séparation latérale pour un courant constant. Le calcul montre dans quelle mesure les images à balayage à effet tunnel, microscopes d'un atome individuel sont visibles. Il confirme que pour une faible polarisation, les images au microscope les dimensions spatiales moyenne des orbitales d'électrons à travers les niveaux-la d'énergie serrées niveau de Fermi densité locale d'états.
Un atome peut être ionisé en supprimant une de ses électrons. La charge électrique provoque la trajectoire d'un atome de plier quand il passe à travers un champ magnétique. Le rayon par lequel la trajectoire d'un ion mobile est tourné par le champ magnétique est déterminée par la masse de l'atome. Le spectromètre de masse utilise ce principe pour mesurer le rapport de masse sur charge des ions. Si un échantillon contient des isotopes multiples, le spectromètre de masse permet de déterminer la proportion de chaque isotope dans l'échantillon en mesurant l'intensité des différents faisceaux d'ions. Techniques pour vaporiser atomes comprennent plasma à couplage inductif spectroscopie d'émission atomique et à couplage inductif spectrométrie de masse à plasma, qui tous deux utilisent un plasma pour vaporiser des échantillons pour analyse.
Procédé de zone sélective plus estla spectroscopie de perte d'énergie d'électrons, qui mesure la perte d'énergie d'unfaisceau d'électrons dans unmicroscope électronique à transmission quand il interagit avec une portion d'un échantillon. Le atome-sonde tomographe a la résolution sous-nanométrique en 3-D et chimiquement peut identifier atomes individuels en utilisant la spectrométrie de masse à temps de vol.
Spectra des états excités peut être utilisé pour analyser la composition atomique de lointaines étoiles . Lumière spécifiques longueurs d'onde contenues dans la lumière observée des étoiles peuvent être séparés et liés aux transitions quantifiées dans les atomes de gaz libre. Ces couleurs peuvent être reproduites à l'aide d'une lampe à décharge contenant le même élément. Helium a été découvert de cette manière dans le spectre du Soleil 23 ans avant il a été trouvé sur la Terre.
Origine et état ??????actuel
Les atomes forment environ 4% de la densité totale de masse de l'observable univers , avec une densité moyenne d'environ 0,25 atomes / m 3 . Dans une galaxie comme la Voie Lactée , les atomes ont une concentration beaucoup plus élevée, la densité de matière dans le milieu interstellaire (ISM) allant de 10 5 à 10 9 atomes / m 3 . Le Soleil est considéré comme l'intérieur de la bulle locale, une région de gaz fortement ionisé, donc la densité dans le voisinage solaire est seulement environ 10 3 atomes / m 3 . Les étoiles se forment à partir de nuages ??????denses dans l'ISM, et les processus évolutifs des étoiles se traduisent par l'enrichissement constant de l'ISM avec des éléments plus massives que l'hydrogène et l'hélium. Jusqu'à 95% des atomes de la Voie Lactée sont concentrés dans les étoiles et la masse totale d'atomes forme environ 10% de la masse de la galaxie. (Le reste de la masse est une inconnue de la matière noire .)
Nucléosynthèse
Protons et d'électrons stables apparu une seconde après le Big Bang . Pendant les trois minutes qui suivent, Big Bang nucléosynthèse produit la plupart des hélium , lithium , et des atomes de deutérium dans l'univers, et peut-être une partie de la béryllium et le bore . Les premiers atomes (complets avec électrons liés) ont été créés en théorie 380000 années après le Big Bang-une époque appelé recombinaison, lorsque l'univers en expansion suffisamment refroidi pour permettre aux électrons de se joint à noyaux. Depuis lors, les noyaux atomiques ont été combinées en étoiles à travers le processus de fusion nucléaire pour produire des éléments jusqu'à fer.
Isotopes tels que le lithium-6 sont générés dans l'espace grâce cosmique spallation ray. Cela se produit lorsque un proton à haute énergie frappe un noyau atomique, provoquant un grand nombre de nucléons à être éjecté. Éléments plus lourds que le fer ont été produites en supernovae à travers le processus r et dans des étoiles AGB à travers le processus s, les deux qui impliquent la capture de neutrons par des noyaux atomiques. Des éléments tels que le plomb formées en grande partie par la désintégration radioactive des éléments plus lourds.
Terre
La plupart des atomes qui composent la Terre et ses habitants étaient présents dans leur forme actuelle dans la nébuleuse qui effondré sur un nuage moléculaire pour former le système solaire. Les autres sont le résultat de la désintégration radioactive, et leur proportion relative peut être utilisée pour déterminer la âge de la Terre à travers la datation radiométrique. La plupart de l' hélium dans la croûte de la terre (environ 99% de l'hélium à partir de puits de gaz, comme représenté par sa faible abondance de l'hélium-3) est un produit de la désintégration alpha.
Il ya quelques atomes de traces sur la Terre qui ne sont pas présents au début (c.-à-pas "primordial"), ni les résultats de la désintégration radioactive. carbone-14 est continu généré par les rayons cosmiques dans l'atmosphère. Certains atomes sur Terre ont été générés artificiellement, délibérément ou sous-produits de réacteurs ou des explosions nucléaires. Parmi les éléments transuraniens-les avec un numéro atomique supérieur à 92 seulement plutonium et du neptunium présents naturellement sur ??????la Terre. Transuraniens ont des durées de vie plus courtes que radioactives l'âge actuel de la Terre et les quantités ainsi identifiables de ces éléments ont depuis longtemps cariées, à l'exception des traces de plutonium-244 éventuellement déposés par la poussière cosmique. Dépôts naturels de plutonium et du neptunium sont produites par capture de neutrons dans le minerai d'uranium.
La Terre contient environ 1,33 × 10 50 atomes. Dans l'atmosphère de la planète, un petit nombre d'atomes indépendants existent pour les gaz nobles tels que l'argon et le néon . Les 99% restants de l'atmosphère est liée à la forme de molécules, y compris le dioxyde de carbone et diatomique oxygène et l'azote . A la surface de la Terre, les atomes se combinent pour former divers composés, y compris l'eau , le sel, les silicates et les oxydes. Atomes peuvent également se combiner pour créer des matériaux qui ne sont pas constitués de molécules discrètes, y compris les cristaux liquides ou solides et des métaux . Cette matière atomique forme arrangements réseau qui manquent le type particulier de petite échelle afin de interrompu associé avec la matière moléculaire.
Formes rares et théoriques
Bien que les isotopes ayant les numéros atomiques plus élevés que le plomb (82) sont connus pour être radioactif, une " îlot de stabilité "a été proposé pour certains éléments ayant les numéros atomiques ci-dessus 103. Ces éléments super-lourds peuvent avoir un noyau qui est relativement stable par rapport à la désintégration radioactive. Le candidat le plus probable pour un atome superlourd stable, unbihexium, dispose de 126 protons et neutrons 184.
Chaque particule de matière a une correspondante particule d'antimatière avec la charge électrique opposée. Ainsi, la positron est une antielectron chargé positivement et l'antiproton est un équivalent chargé négativement d'un proton. Pour des raisons inconnues, des particules d'antimatière sont rares dans l'univers, donc, pas d'atomes d'antimatière ont été découverts. antihydrogène, l'homologue d'antimatière de l'hydrogène, a été produit au laboratoire CERN à Genève en 1996.
Autre atomes exotiques ont été créés par le remplacement de l'un des protons, de neutrons ou d'électrons avec d'autres particules qui ont la même charge. Par exemple, un électron peut être remplacé par un plus massive muon, formant un atome muonique. Ces types d'atomes peuvent être utilisés pour tester les prédictions fondamentales de la physique.
