+

3 ATOMIN MALLI

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Thomsonin rusinakakkumallissa positiivisesti varautuneen hyytelömäisen aineen sisällä on negatiivisia elektroneja kuin rusinat kakussa.

Rutherford pommitti ohutta kultakalvoa alfa-hiukkasilla, jolloin pieni osa alfa-hiukkasista kimposi takaisin tulosuuntaansa. Näiden havaintojen perusteella syntyi Rutherfordin atomimalli, jossa lähes koko atomin massa on keskittynyt pieneen ytimeen ja sen ympärillä oleva elektroniverho määrää atomin koon.

3.1 Varhaiset atomimallit (2/3)

Klassisen fysiikan mukaan ympyräradalla kiertävä elektroni on kiihtyvässä liikkeessä ja säteilee energiaa, joten sen pitäisi lopulta syöksyä ytimeen.

Miksi näin ei käy?

Ratkaisun avain löytyi vetyatomin emissiospektristä:

Vetyatomin emissiospektristä havaittiin, että spektriviivojen aallonpituudet saadaan yhtälöstä

,

missä

RH on rydbergin vakio vedylle = 1,0974 · 107

n = 1, 2, 3,…

m = n+1, n+2,…

22Hm

1

n

1R

λ

1

m

1

3.1 Varhaiset atomimallit (3/3)

1. Elektroni kiertää ympyrärataa positiivisen ytimen ympärillä.

2. Elektroni pysyy radallaan sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ansiosta.

3. Elektronin rata voidaan määrittää klassisen mekaniikan mukaisesti dynamiikan peruslain avulla.

4. Tietyt elektronin radat ovat pysyviä, jolloin atomi on stationäärisessä tilassa eikä säteile energiaa.

5. Kun atomi siirtyy stationäärisestä tilasta toiseen, se absorboi tai emittoi energiakvantin ja elektroni siirtyy radalta toiselle.

Bohrin vetyatomimalli selitti havaitut vetyatomin spektriviivat ja Rutherfordin tekemät havainnot:

Vetyatomin energiatilat

Vetyatomin pysyvien eli stationääristen tilojen energiat

En = .

Vetyatomi on perustilassa, kun n = 1. Muut tilat ovat viritystiloja.

2H

n

hcR

3.2 Energiatasokaavio, virittyminen ja purkautuminen (1/3)

Virittyminen

Atomi virittyy, kun atomi absorboi fotonin, jonka energia on kahden energiatilan energioiden erotus. Tällöin elektroni siirtyy alemmasta energiatilasta korkeampaan.

Viritystilan purkautuminen

Atomin viritystila purkautuu, kun elektroni palaa korkeammasta energiatilasta alempaan. Tällöin atomi emittoi fotonin, jonka energia on kyseisten energiatilojen energioiden erotus.

Siirtymää vastaava energia

Vetyatomin kahden tilan energioiden erotus on

E = Em – En = ,

missä

n on alempi energiatila, n = 1, 2,...

m on ylempi energiatila, m = n+1, n+2,…

2H

2H

n

hcR

m

hcR

3.2 Energiatasokaavio, virittyminen ja purkautuminen (2/3)

Kvanttimekaaninen atomimalli

Kvanttimekaanisessa atomimallissa elektronin tilaa kuvataan neljällä kvanttiluvulla:

• Pääkvanttiluku n = 1, 2, 3,…

• Sivukvanttiluku l = 0, 1, 2, …, n-1

• Magneettinen kvanttiluku ml = 0, ±1, ±2,…, ±l

• Spinkvanttiluku ms = +½, -½

Kvanttiluvut n, l ja ml määrittelevät atomin elektroniorbitaalin. Elektroniorbitaalin avulla voidaan ennustaa alue, jossa elektroni todennäköisimmin on. Yhdellä orbitaalilla voi olla kaksi elektronia, joilla on eri spinkvanttiluku.

Paulin kieltosääntö

Kaikilla saman atomin elektroneilla on erilainen neljän kvanttiluvun yhdistelmä. Toisin sanoen saman atomin elektronit ovat aina eri tiloissa.

3.2 Energiatasokaavio, virittyminen ja purkautuminen (3/3)

Atomin kuorimalli

Energiatilojen sijasta käytetään usein mallia, jossa puhutaan atomin elektronikuorista:

Atomin pääkuori määräytyy pääkvanttiluvun mukaan. Pääkvanttiluvun tunnuksina käytetään yleensä kvanttiluvun arvoja 1, 2, 3, 4,…, mutta joskus myös isoja kirjaimia K, L, M, N, O, P.

Atomin alakuoret määräytyvät pääkvanttiluvun ja sivukvanttiluvun l mukaan. Sivukvanttiluvun tunnuksina käytetään yleensä pieniä kirjaimia s, p, d, f ja g.

Atomin alakuoret ovat 1s, 2s, 2,p, 3s, 3p, 3d, 4s,…

Energiatasokaavio

Samalla alakuorella voi olla kaksi elektronia, joilla on eri spinkvanttiluku. Samalla alakuorella olevilla elektroneilla on sama energiatila. Energiatasokaaviossa energiatilat ilmaistaan alakuorien tunnuksilla.

3.3 Kvanttimekaanisia ilmiöitä (1/2)

Energian kvantittuminen näkyy kaikessa, mitä fysiikassa nykyisin tehdään.

Luminenssi-ilmiössä viritystilan purkautuessa atomit lähettävät näkyvää valoa.

• kiiltomadot, itämeren pikkumaneetit

Fluoresenssi-ilmiössä fotonin synnyttämä viritystila purkautuu välittömästi virittymisen jälkeen.

• television kuvaputki ja loistelamppu

Fosforesenssi-ilmiössä fotonin synnyttämä viritystila purkautuu viiveellä.

• itsevalaisevat eli fosforoivat aineetFosforesenssi

3.3 Kvanttimekaanisia ilmiöitä (2/2)

Laserissa valo syntyy stimuloidun emission kautta. Laserissa olevan kaasun atomien viritystilojen purkautuessa syntyneet fotonit purkavat lisää viritystiloja ja syntyy säteilyä, joka on samassa vaiheessa ja jolla on sama aallonpituus.

• cd- ja DVD-soittimet, tulostimet, viivakoodinlukijat

• silmäleikkaukset, etäisyysmittaukset

LED:n valo syntyy p- ja n-tyypin puolijohteiden rajapinnassa. Sähkövirran vaikutuksesta elektronit ”putoavat” aukkoihin ja energiaa vapautuu säteilynä.

• erilaiset lamput, liikennevalot

Spektrianalyysiä käytetään aineiden tunnistamiseen (esim. s. 63 ja 64).