Atomy to podstawowe jednostki materii i definiująca struktura pierwiastków. Termin „atom” pochodzi od greckiego słowa niepodzielny, ponieważ kiedyś uważano, że atomy są najmniejszymi rzeczami we wszechświecie i nie można ich podzielić. Wiemy teraz, że atomy składają się z trzech cząstek: protonów, neutronów i elektronów - które składają się z jeszcze mniejszych cząstek, takich jak kwarki.
Atomy powstały po Wielkim Wybuchu 13,7 miliarda lat temu. Gdy gorący, gęsty nowy wszechświat ostygł, warunki stały się odpowiednie dla tworzenia się kwarków i elektronów. Kwarki połączyły się, tworząc protony i neutrony, a cząsteczki te połączyły się w jądra. Wszystko to miało miejsce w ciągu pierwszych kilku minut istnienia wszechświata, zgodnie z CERN.
Wszechświat potrzebował 380 000 lat, aby ostygnąć wystarczająco, aby spowolnić elektrony, aby jądra mogły je wychwycić, tworząc pierwsze atomy. Według Jeffersona Lab najwcześniejszymi atomami były przede wszystkim wodór i hel, które są nadal najliczniej występującymi pierwiastkami we wszechświecie. Grawitacja ostatecznie spowodowała, że chmury gazu zlewały się i tworzyły gwiazdy, a cięższe atomy były (i nadal są) tworzone w gwiazdach i wysyłane przez wszechświat, gdy gwiazda eksplodowała (supernowa).
Cząsteczki atomowe
Protony i neutrony są cięższe od elektronów i znajdują się w jądrze w centrum atomu. Elektrony są niezwykle lekkie i istnieją w chmurze krążącej wokół jądra. Chmura elektronów ma promień 10 000 razy większy niż jądro, zgodnie z Los Alamos National Laboratory.
Protony i neutrony mają w przybliżeniu tę samą masę. Jednak jeden proton jest około 1835 razy masywniejszy niż elektron. Atomy zawsze mają taką samą liczbę protonów i elektronów, a liczba protonów i neutronów jest zwykle taka sama. Dodanie protonu do atomu tworzy nowy element, a dodanie neutronu tworzy izotop lub cięższą wersję tego atomu.
Jądro
Jądro zostało odkryte w 1911 r. Przez Ernesta Rutherforda, fizyka z Nowej Zelandii. W 1920 roku Rutherford zaproponował nazwę protonu dla dodatnio naładowanych cząstek atomu. Teoretyzował także, że w jądrze znajduje się neutralna cząstka, którą James Chadwick, brytyjski fizyk i uczeń Rutherforda, był w stanie potwierdzić w 1932 r.
Zgodnie z Chemistry LibreTexts praktycznie cała masa atomu znajduje się w jego jądrze. Protony i neutrony tworzące jądro mają w przybliżeniu tę samą masę (proton jest nieco mniejszy) i mają ten sam moment pędu lub spin.
Jądro jest utrzymywane razem przez silną siłę, jedną z czterech podstawowych sił w przyrodzie. Siła ta między protonami i neutronami pokonuje odpychającą siłę elektryczną, która w przeciwnym razie rozdzieliłaby protony na części, zgodnie z zasadami elektryczności. Niektóre jądra atomowe są niestabilne, ponieważ siła wiązania jest różna dla różnych atomów w zależności od wielkości jądra. Atomy te rozpadną się następnie na inne pierwiastki, takie jak rozpad węgla-14 na azot-14.
Protony
Protony to dodatnio naładowane cząstki znajdujące się w jądrach atomowych. Rutherford odkrył je w eksperymentach z lampami katodowymi, które przeprowadzono w latach 1911–1919. Protony są około 99,86% tak masywne jak neutrony.
Liczba protonów w atomie jest unikalna dla każdego pierwiastka. Na przykład atomy węgla mają sześć protonów, atomy wodoru mają jeden, a atomy tlenu mają osiem. Liczba protonów w atomie jest określana jako liczba atomowa tego pierwiastka. Liczba protonów determinuje również zachowanie chemiczne pierwiastka. Elementy są ułożone w układzie okresowym pierwiastków w kolejności rosnącej liczby atomowej.
Z każdego protonu składają się trzy kwarki - dwa kwarki „w górę” (każdy z ładunkiem dodatnim dwóch trzecich) i jeden kwark „dolny” (z jedną trzecią ładunku ujemnego) - i są one utrzymywane razem przez inne cząsteczki subatomowe zwane gluonami, które są bezmasowe.
Elektrony
Elektrony są małe w porównaniu z protonami i neutronami, ponad 1800 razy mniejsze niż proton lub neutron. Według Jefferson Lab elektrony mają masę około 0,054% tak masywną jak neutrony.
Joseph John (J.J.) Thomson, brytyjski fizyk, odkrył elektron w 1897 roku, zgodnie z Science History Institute. Pierwotnie znane jako „ciałka” elektrony mają ładunek ujemny i są przyciągane elektrycznie do dodatnio naładowanych protonów. Elektrony otaczają jądro atomowe na szlakach zwanych orbitaliami, co zostało zaproponowane przez Erwina Schrödingera, austriackiego fizyka, w latach dwudziestych. Dziś model ten jest znany jako model kwantowy lub model chmury elektronowej. Wewnętrzne orbitale otaczające atom są kuliste, ale zewnętrzne orbitale są znacznie bardziej skomplikowane.
Konfiguracja elektronowa atomu odnosi się do lokalizacji elektronów w typowym atomie. Korzystając z konfiguracji elektronów i zasad fizyki, chemicy mogą przewidzieć właściwości atomu, takie jak stabilność, temperatura wrzenia i przewodnictwo, zgodnie z Los Alamos National Laboratory.
Neutrony
Według Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego istnienie neutronu zostało teoretycznie opracowane przez Rutherforda w 1920 roku i odkryte przez Chadwicka w 1932 roku. Neutrony znaleziono podczas eksperymentów, gdy atomy zostały wystrzelone w cienki arkusz berylu. Uwolniono cząsteczki subatomowe bez ładunku - neutron.
Neutrony to nienaładowane cząstki znajdujące się we wszystkich jądrach atomowych (z wyjątkiem wodoru). Masa neutronu jest nieco większa niż masa protonu. Podobnie jak protony, neutrony są również zbudowane z kwarków - jeden kwark „w górę” (z dodatnim ładunkiem 2/3) i dwa kwarki „w dół” (każdy z ujemnym ładunkiem jednej trzeciej).
Historia atomu
Teoria atomu pochodzi przynajmniej z 440 r.p.n.e. Demokrytowi, greckiemu naukowcowi i filozofowi. Zdaniem Andrew G. Van Melsena, autora „From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom” (Duquesne University Press, 1952), Demokryt najprawdopodobniej zbudował swoją teorię atomów na pracy przeszłych filozofów.
Wyjaśnienie atomu przez Demokryta zaczyna się od kamienia. Kamień przecięty na pół daje dwie połówki tego samego kamienia. Jeśli kamień miałby być ciągle cięty, w pewnym momencie istniałby kawałek kamienia na tyle mały, że nie można go już dłużej ciąć. Termin „atom” pochodzi od greckiego słowa niepodzielne, które, jak stwierdził Demokryt, musi być punktem, w którym istota (jakakolwiek forma materii) nie może być dalej dzielona.
Jego wyjaśnienie obejmowało ideę, że atomy istnieją niezależnie od siebie, że istnieje nieskończona ilość atomów, że atomy są w stanie się poruszać, że mogą łączyć się ze sobą, tworząc materię, ale nie łączą się, aby stać się nowym atomem, i że według Dzisiejszego Wszechświata nie można go podzielić. Ponieważ jednak większość ówczesnych filozofów - szczególnie bardzo wpływowy Arystoteles - wierzyła, że cała materia została stworzona z ziemi, powietrza, ognia i wody, atomową teorię Demokryta odłożono na bok.
John Dalton, brytyjski chemik, rozwinął idee Demokryta w 1803 roku, kiedy przedstawił swoją własną teorię atomową, zgodnie z wydziałem chemii na Purdue University. Teoria Daltona obejmowała kilka pomysłów Demokryta, takich jak atomy są niepodzielne i niezniszczalne, a różne atomy tworzą się razem, tworząc całą materię. Dodatki Daltona do teorii obejmowały następujące idee: że wszystkie atomy pewnego pierwiastka były identyczne, że atomy jednego pierwiastka będą miały inną wagę i właściwości niż atomy innego pierwiastka, że atomów nie można tworzyć ani niszczyć, a materia jest formowana przez atomy łączące się w proste liczby całkowite.
Thomson, brytyjski fizyk, który odkrył elektron w 1897 r., Udowodnił, że atomy można podzielić, zgodnie z Chemical Heritage Foundation. Był w stanie określić istnienie elektronów, badając właściwości wyładowania elektrycznego w lampach katodowych. Według artykułu Thomsona z 1897 r. Promienie zostały odchylone w rurze, co udowodniło, że w lampie próżniowej było coś ujemnie naładowanego. W 1899 r. Thomson opublikował opis swojej wersji atomu, zwanej potocznie „modelem puddingu śliwkowego”. Fragment tego artykułu znajduje się na stronie Chem Team. Model atomu Thomsona obejmował dużą liczbę elektronów zawieszonych w czymś, co wytwarzało ładunek dodatni, nadając atomowi ogólny ładunek neutralny. Jego model przypominał budyń śliwkowy, popularny brytyjski deser z rodzynkami zawieszonymi w okrągłej kuli przypominającej placek.
Kolejnym naukowcem, który dokonał dalszej modyfikacji i ulepszenia modelu atomowego, był Rutherford, który studiował u Thomsona, zgodnie z wydziałem chemii na Purdue University. W 1911 r. Rutherford opublikował swoją wersję atomu, która zawierała dodatnio naładowane jądro orbitowane przez elektrony. Ten model powstał, gdy Rutherford i jego asystenci strzelali cząstkami alfa w cienkie arkusze złota. Według Jefferson Lab cząsteczka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, wszystkie utrzymywane razem przez tę samą silną siłę jądrową, która wiąże jądro.
Naukowcy zauważyli, że niewielki procent cząstek alfa był rozproszony pod bardzo dużymi kątami do pierwotnego kierunku ruchu, podczas gdy większość przechodziła przez prawie niezakłócone. Rutherford był w stanie zbliżyć się do wielkości jądra atomu złota, stwierdzając, że jest on co najmniej 10.000 razy mniejszy niż rozmiar całego atomu, przy czym duża część atomu jest pusta. Model atomu Rutherforda jest nadal podstawowym modelem, który jest obecnie używany.
Kilku innych naukowców poparło model atomowy, w tym Niels Bohr (zbudowany na modelu Rutherforda, aby uwzględnić właściwości elektronów oparte na widmie wodoru), Erwin Schrödinger (opracował model kwantowy atomu), Werner Heisenberg (stwierdził, że nie można poznać obu położenie i prędkość elektronu jednocześnie) oraz Murray Gell-Mann i George Zweig (niezależnie opracowali teorię, że protony i neutrony składają się z kwarków).
