Już starożytni filozofowie uważali, że materia składa się z niewielkich, niepodzielnych cząstek - atomów. Poglądy te głoszone przez Demokryta, zostały później wyparte przez teorię Arystotelesa mówiącą, że cztery podstawowe elementy: ziemia, powietrze, woda i ogień są bazą dla wszelkich innych substancji. Dopiero w XVI wieku naukowcy ponownie zainteresowali się hipotezą atomu. J. Dalton (1808) opracował własną teorię atomową, której zasady przedstawiały się następująco:
- Pierwiastki składają się z niewielkich cząstek materii zwanych atomami.
- Atomy to najmniejsze cząstki materii, dalej już niepodzielne.
- Atomy tych samych pierwiastków są jednakowe i mają te same właściwości.
Teoria Daltona, pomimo że była niezupełnie słuszna, wywarła wielki wpływ na rozwój chemii, dając bardziej wnikliwy obraz atomistycznego pojmowania materii. Wiek XIX zaowocował burzliwym rozwojem nowych metod naukowych i odkryciem wielu tajemnic atomu. J.J. Thomson badając wyładowania elektryczne w wysokiej próżni odkrył istnienie elektronu - cząstki naładowanej ujemnie, mniejszej od atomu. A.H Becquerel, Maria Skłodowska Curie oraz jej mąż Piotr Curie stwierdzili, że niektóre pierwiastki mogą emitować promieniowanie. Określenie charakteru promieni a, b, g pozwoliło na przeprowadzenie wielu interesujących eksperymentów. E.Rutheford i jego współpracownicy obserwowali rozproszenie cząsteczek a podczas przenikania przez cienką folię złotą. Większość cząstek przechodziła przez folię, część jednak odchylała się od pierwotnego kierunku o bardzo duży kąt. Na tej podstawie Rutheford opracował i opublikował w 1911 roku koncepcję planetarnego modelu atomu. Według tej teorii atom stanowi system składający się z jądra o ładunku dodatnim, które zawiera prawie całą masę atomu, oraz z elektronów o ładunku ujemnym, poruszających się wokół jądra po torach zamkniętych.
Duński fizyk N.Bohr wykazał, że w świetle praw fizyki klasycznej poruszające się elektrony musiałyby wydzielać energię, krążyć coraz bliżej jądra atomu a w końcu spaść na nie i zatrzymać się. Aby uniknąć tych niezgodności Bohr wprowadził kwantowo-mechaniczny model atomu. W modelu tym:
- Elektron może zajmować w atomie tylko pewne określone stany, o określonej energii
- W stanie tym elektron nie pobiera ani nie traci energii. Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje, że elektron pobiera porcję energii (kwant) i przechodzi w stan o wyższej energii. Powracając do stanu o niższej energii, emituje kwant energii w postaci fali elektromagnetycznej.
- Elektrony poruszają się wokół jądra po torach kołowych w stanach, w których moment pędu elektronu jest równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka h.
Niestety model Bohra zgadzał się z wynikami eksperymentalnymi tylko dla atomu wodoru, wykazywał natomiast wiele braków w przypadku atomów pierwiastków cięższych.
Do częściowego wyeliminowania nieścisłości teorii Bohra przyczynił się fizyk niemiecki A.Sommerfeld. Założył on, że elektrony poruszają się nie tylko na orbitach kołowych, lecz także po orbitach eliptycznych, w których ognisku znajduje się jądro atomu. Orbity eliptyczne ulegają skręceniu, co w efekcie daje pętlę. Teoria Bohra-Soomerfelda również nie stanowi doskonałego przybliżenia budowy atomu. Obecnie w chemii kwantowej stosuje się bardziej zaawansowane metody i modele.
CZĄSTKI ELEMENTARNE I ICH WŁAŚCIWOŚCI
W świetle mechaniki kwantowej wszystkie cząstki o nieznacznej masie, poruszające się z dużą prędkością, posiadają nie tylko cechy korpuskularne, ale i falowe. Cząstka jest to ciało materialne, które można określić w przestrzeni. Charakteryzuje ją ściśle określona powierzchnia dzieląca ją od pozostałych cząstek. Fala jest to ruch rozprzestrzeniający się w dowolnym środowisku materialnym. Charakterystyczne są dla niej zjawiska interferencji i dyfrakcji. Dualistyczny charakter cząstek elementarnych został potwierdzony przez szereg eksperymentów. Należy uświadomić sobie, że zachowanie cząstek elementarnych różni się od zachowania ciał jakie obserwujemy w świecie makroskopowym. Aby wyjaśnić zachowanie mikrocząstek musiała powstać mechanika kwantowa, bardzo trudna i szeroka teoria, bazująca na skomplikowanych obliczeniach matematycznych.
Jedną z elementarnych cząstek materii jest elektron. Jego masa wynosi 0,00055 u, a jego ładunek -1 jest to elementarny ujemny ładunek elektryczny i ma wartość 1,6 * 10-19C.
Jądro atomu, w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomowa składa się z dwóch rodzajów cząstek elementarnych - protonów i neutronów.
