2 Aatomi ehitus ja keemiliste elementide perioodilisussüsteemi tabeli kasutamine

Aatomi sees toimuv on mikromaailm ja kvantmaailm ning selles maailmas kehtivad teistsugused reeglid kui meile tuttavas makromaailmas, mis on läbi ja lõhki uuritud. Aatomi sees ei ole asju, mida katsuda või näha. Aatomi sees on energia, mis avaldub eri võngetena. Me ei näe neid võnkeid, sest meie organism ei ole varustatud vastavate sensoritega. Me saame vaid ette kujutada, mis seal toimub. Või siin toimub, sest mikromaailm on kõikjal meie ümber ja meie sees.

Lainetust sa oled kindlasti kogenud. Nt kui sa oled mere ääres, siis näed merelaineid. Need on nähtavad lained. Enamus tüüpi laineid on meile siiski nähtamatud.

Kui sa võtad jupi nööri ja õõtsutad seda oma käte vahel, märkad, et nööri keskkoht liigub üles ja alla. Üks selline liikumine üles ja alla tähendab üht lainepikkust, mida tähistatakse \(\lambda\)’ga. Kui su nöör on nt pikk, siis sinu käte vaheline kaugus on pool selle nööri lainepikkust ehk , kui sa seda nööri niimoodi õõtsutad, sest käte vahel on ainult kas kühm või nõgu korraga, aga terveks lainepikkuseks on vaja nii kühmu kui nõgu. Kui sa õõtsutad seda nööri suurema sagedusega, võid märgata, et kahe käe vahele tekib lisaks kühmule nõgu, mille ülemineku koht on sõlm. Kui sa suudaksid veelgi sagedamini nööri õõtsutada, tekiks sõlmi veel juurde. Seega, kui sa natuke lisad sagedust, ei muutu miski, kuid kui lisad piisavalt palju sagedust, tekib sõlm juurde. Sellist nähtust nimetatakse kvantiseerimiseks - sõlmed tekivad sageduse kvantide kaupa ainult kindlatel sageduse väärtustel. Vahepealse väärtuse puhul nähtavat muutust ei ole. Muidugi on sellist eksperimenti kätega väga keeruline teha, sest vajalik on hoida pinge stabiilne.

Selleks on olemas masinad, mille simulaatorit saame meie kasutada^[3]. Selles simulatsioonis on vaataja poolt paremal masin, millega saab reguleerida võnkesagedust. See masin on ühendatud vaataja poolt vasakul oleva kõlariga, mille külge on ühendatud nöör. Kõlar võngub vastavalt selle sagedusega, mis on sagedusgeneraatori poolt sätitud. Masina saad sisse lülitada, kui vajutad sagedusgeneraatori sisselülitamise nupule. Näeme, et algsagedus on , mis tähendab viit võnget sekundis. Sellise sagedusega näeme, et nööri keskosa võngub ainult üles ja alla. Lainepikkus on pool nööri pikkust. Sagedusgeneraatoril on nupp, mida keerates saad sagedust muuta viie hertsi kaupa. Kui muudad sageduse kümneks hertsiks, näed, et nööri keskkoht enam ei võngu, vaid sinna on moodustunud sõlm, millest vasakul ja paremal toimub võnkumine. Nüüd, kui nöör teeb kümme võnget sekundis, on laine pikkus nööri pikkusega võrdne. Iga kord, kui suurendad sagedust viie hertsi võrra, tekib üks selline sõlm juurde ning lainepikkus väheneb. Siit saame seose, et mida väiksem lainepikkus, seda suurem sagedus, ja vastupidi. Kui saaksime sageduseks määrata nt seitse hertsi, siis sõlme ei oleks, vaid nöör võnguks nagu viie hertsi korral. Vahepealsete väärtuste puhul lainepikkuses muutust ei toimu. Seega muutub lainepikkus sageduskvantide kaupa ning antud juhul on sageduskvandiks viis hertsi. Iga kord, kui lisame viis hertsi, tekib uus sõlm. Sagedus viis hertsi on fundamentaalne sagedus. Fundamentaalse sageduse kordsed on harmoonikad ja igal sellisel harmoonikal on oma lainepikkus.

See on nagu helide puhul. On helisid, mida meil on järjest hea kuulata, ja on helisid, mida meil järjest kuulata ei ole hea. Kasutagem nt Harmonicariumi, et seda testida^[4]. Märkigem Fundamental Motheris fundamentaalseks sageduseks . Osas Fundamental Tones peab xi väärtus olema 1, mis tähendab, et on esimese noodi sagedus. Kui nüüd vajutada klaveri simulaatori esimese noodi klahvile, siis ei ole mitte midagi kosta. See tuleneb sellest, et inimene nii väikese sagedusega heli ei kuule. Mina nt kuulen alates . harmoonikast, mille sagedus on \(5 \times \qty{5}{\Hz} = \qty{25}{\Hz}\). Seega sätin nüüd alamheli sageduseks . Näen osas H Stack, et iga järgmine toon on fundamentaalse tooni sageduse täisarvu kordne. Kui vajutan järjest klaveri simulaatori klahvidele, saan neid helisid kuulata. Muidugi saab ka nii sättida, et iga järgmine klahv annaks võrreldes eelnevaga palju väiksema erinevuse heli sageduses. Harmonicarium seda ei võimalda. Selmet saame kasutada Online Tone Generatorit, et mängida ühekorraga mitut heli^[5]. Nii võid sa kuulata ühekorraga helisid sagedustel ja või sagedustel ja , millest esimene kooskõla tundub meeldivam, kuna helide sagedus on üksteisest sobiliku erinevusega. Muusikainstrumentidel üldiselt ei ole heliskaala pidev, vaid üksikute toonide vahel on konkreetne vahe. Nii on ka subatomaarses ehk kvantmaailmas, milles eri kvantosakesed võnguvad eri sagedustel kvantide kaupa. Sellest tuleneb ka nimetus kvantmaailm.

Aatomi sisemust on saadud uurida alles vastavate masinate loomise järel, sest optiliste instrumentide abil me aatomi sisse ei näe. Me saame näha üksnes selliseid sihitisi, mis on minimaalselt nii suured, kui suur on nähtava valguse lainepikkus. Kõige lühem laine meile nähtava valguse puhul on ehk ^{[6(lk 10–236)]}. Me näeme sihitisi, mis on vähemalt nii suured. Kõige suurem aatom on frantsiumi aatom ja selle suurus on , Å ehk ^{[6(lk 9–50, 1–27)]}. Seega on aatomid vähemalt tuhat korda väiksemad kui kõige väiksem meile nähtava valguse lainepikkus. Järelikult tuleb aatomite sisu uurida kaudselt ja vastavate masinate abil. Sellest paremaks arusaamiseks on tehtud Javalabi simulatsioon^[7]. Liiguta selles wavelength’i nupp paremale otsa, et kuvataks kõige väiksem nähtava valguse lainepikkus! Seejärel nihuta Zoomi nupp vasakule lõppu, et näha seda lainetust mitme lainepikkuse mudelina. Pildi allosas on näha kulda, kuid mitte selle aatomeid eraldi. Et neid eraldi näha, liiguta Zoomi nuppu paremale ja võrdle samaaegselt lainepikkusega!

Seega tuleb kasutada teistsuguseid vahendeid aatomite ja nende sisemuse jälgimiseks. Mikromaailmas ehk subatomaarses maailmas ei saa me rääkiga millestki konkreetsest, vaid ainult kirjeldada nähtusi, sest sellisel tasandil ei eksisteeri mateeriat. Seega, me ei tohiks öelda, mis miski on, vaid milline see miski on või kuidas see käitub.

Joseph John Thomson uuris katoodkiiri: kiiri, mis kiirguvad, kui tekitatakse suur elektriliste võimekuste erinevus kahe metallkontakti vahele, mida nimetatakse elektroodideks^{[8(lk 2)]} (joonis 2.1). Mis on üldse metall, seda selgitan hiljem, sest selle jaoks on vaja teada, millest aatom koosneb. Vesi voolab, kui vesi paigutub eri kõrgustele. Samamoodi toimib elektriühendus: vaja on elektriliste võimekuste erinevust. Niisiis, tekitati hästi suur elektriliste võimekuste erinevus ehk kõrgepinge nende elektroodide vahele. Seda osati teha, aga seletada mitte. Samal põhjusel ma ei selgita siin, kuidas seda tehti, sest see pole antud kontekstis oluline, vaid on eraldi teema, millest saab rohkem rääkida siis, kui aatomi sisu on teada. Katoodiks nimetati negatiivselt laetud elektroodi. Mis on üldse negatiivne või positiivne laeng - see otsustati meelevaldselt. Niisiis said katoodist väljuda üksnes negatiivselt laetud osakesed. Ta proovis erinevatest metallidest tehtud elektroode ja kõikidest sai ta väljutada negatiivselt laetud osakesi. Sellest ta järeldas, et need osakesed peavad olema kõikides aatomites.

Figure 2.1: Elektroni avastamine^{[8(lk 2)]}

Katoodkiired emiteeriti kahe magnetpooluse vahelt läbi. Nagu ka elektrilaengud, võivad magnetlaengud olla positiivsed ja negatiivsed kokkuleppeliselt. Jooniselt on näha, et katoodkiired kaldusid positiivse magnetpooluse vahele. Varasemast oli teada, et samanimelised laengud tõukuvad, erinimelised laengud tõmbuvad. Kuna kiired kaldusid positiivse laengu poole, siis pidi nende kiirte koostis olema negatiivne. Kuidas sellest üldse aru saadi? Joonisel on näha, et kiired suubuvad ekraanile, mis oli sellisest materjalist, et oli võimalik näha suubuvate kiirte helendust. Kiire elemente hakati nimetama elektroniks. See avastus tehti 1897. a. Sellega oli teada üks subatomaarne element.

Aatom ise on laengult neutraalne ja seda saab kindlaks teha suvalise ainega, mis ei meelita ligi ei positiivset ega negatiivset laengut. Kuna alates 1897. a teati, et aatomi sees on negatiivselt laetud osakesi, siis pidi järelikult aatomis olema positiivset laengut, et seda negatiivset laengut tasakaalustada.

Ernest Rutherford teadis, et mõni keemiline element, nt radoon kiirgab positiivselt laetud osakesi^{[8(lk 2–3)]}. Ta nimetas sellised osakesed alfa-osakesteks^{[8(lk 706)]}. Nende laengu ja massi järgi tegi ta kindlaks, et tegemist on kaks elektroni kaotanud heeliumi aatomiga. Kui muidu tähistame heeliumi He, siis heeliumi aatom ilma kahe elektronita on - positiivselt laetud heelium. Teistmoodi tähistatakse alfa-osakesi lihtsalt kui \(\alpha\). 1908 palus ta oma õpilastel Hans Geigeril ja Ernest Marsdenil suunata alfa-osakesi läbi õhukese plaatinafooliumi fluorestseeruvale ekraanile. Umbes 1 osake 20 000’st kaldus väga suure nurga all kõrvale (joonised 2.2 ja 2.3).

Figure 2.2: Osa Hans Geigeri ja Ernest Marsdeni kasutatud eksperimentaalsest paigutusest 1908^{[8(lk 3)]}.

Figure 2.3: Enamik osakesi läbib peaaegu otse läbi plaatinafooliumi, samas kui väga vähesed – need, mis põrkuvad otse tuuma vastu – kalduvad oluliselt kõrvale^{[8(lk 3)]}. Joonisel pole proportsionaalsust.

Seda eksperimenti saab simuleerida Phetis^[9]. Sa saad pommitada aatomi kaasaegset mudelit valides Rutherford Atom või eksperimendieelset mudelit valides Plum Pudding Atom. Eksperimendi läbiviijate ettekujutus oli, et alfaosakesed läbivad aatomi vastupanuta, sest heeliumi tuumad, millega pommitati, on väga palju massiivsemad kui ühtlaselt üle aatomi jaotunud laengu osa punktis, kust osake läbi lendab. Seda ettekujutust saad simuleerida Plum Pudding Atomiga vajutades Alpha Particles. Näed, et alfaosakesed lendavad aatomist lihtsalt läbi. Tegelikult osa alfaosakesi pöördus kõrvale ja seda näed Rutherford Atomis, kui vajutad Alpha Particles. Avastus oli eksperimenteerijate jaoks, justnagu veeretataks piljardikuuli vastu lauatennise palli, mille tulemusel piljardikuul oluliselt oma suunda muudaks. Muidugi ei saa see nii olla. Järelikult pidi sellisel juhul, kui alfaosake suunda muutis, toimuma kokkupõrge vähemalt sama võimsa positiivse laenguga. Nii juhtus ainult väheste alfaosakestega. Sellest järeldati, et aatomis on positiivne laeng koondunud pisikesse tuuma. Väärib märkimist, et alfaosakesed ei puudutanud tuuma, nagu on näha ka simulatsioonist, vaid pöördusid kõrvale tuuma välja mõjul. Kuna enamik alfaosakesi lendas siiski läbi aatomi, pidi enamus aatomit olema tühi.

Seega 1908 oli teada, et aatom on enamasti tühi väikese kontsentreeritud positiivselt laetud tuumaga, mille ümber on negatiivselt laetud elektronid. Aga milline on elektroni laeng? Robert Millikan viis 1913 läbi eksperimendi õlitilkadega (joonis 2.4 leheküljel )^[10].

Figure 2.4: Robert Millikani õlitilkade eksperimendi skemaatiline diagramm. Õli pihustatakse peene uduna laetud gaasi sisaldavasse kambrisse ning õlitilga asukohta jälgitakse mikroskoobi abil. Laetud osakesed (ioonid) tekivad gaasis, eksponeerides seda röntgenikiirgusele. Laetud tilga langemist tasakaalustab elektriväli^{[8(lk 2)]}.

Figure 2.5: Elektromagnetlainete skaala^[11]