Atomai yra pagrindiniai materijos vienetai ir apibūdinanti elementų struktūra. Terminas „atomas“ kilęs iš graikų kalbos žodžio nedalomas, nes kažkada buvo manoma, kad atomai yra mažiausi dalykai visatoje ir jų negalima padalyti. Dabar mes žinome, kad atomai yra sudaryti iš trijų dalelių: protonų, neutronų ir elektronų - kurias sudaro dar mažesnės dalelės, tokios kaip kvarkai.
Atomai buvo sukurti po didžiojo sprogimo prieš 13,7 milijardo metų. Kai karšta, tanki nauja visata atvėso, sąlygos tapo tinkamos kvarkams ir elektronams formuotis. Kvarkai susikūrė protonus ir neutronus, o šios dalelės sujungtos į branduolius. Anot CERN, visa tai įvyko per pirmąsias visatos egzistavimo minutes.
Prireikė 380 000 metų, kad Visata pakankamai atvėstų, kad sulėtėtų elektronai, kad branduoliai galėtų juos užfiksuoti, kad sudarytų pirmuosius atomus. „Jefferson Lab“ duomenimis, ankstyviausi atomai pirmiausia buvo vandenilis ir helis, kurie vis dar yra gausiausi elementai visatoje. Galiausiai dėl gravitacijos dujų debesys susiliejo ir sudarė žvaigždes, o sunkesni atomai buvo (ir vis dar yra) sukurti žvaigždėse ir siunčiami visoje visatoje, kai žvaigždė sprogo (supernova).
Atominės dalelės
Protonai ir neutronai yra sunkesni už elektronus ir yra branduolyje atomo centre. Elektronai yra ypač lengvi ir egzistuoja debesyje, skriejančiame aplink branduolį. Anot Los Alamos nacionalinės laboratorijos, elektronų debesies spindulys yra 10 000 kartų didesnis nei branduolio.
Protonų ir neutronų masė yra maždaug vienoda. Tačiau vienas protonas yra maždaug 1835 kartus masyvesnis už elektroną. Atomai visada turi vienodą skaičių protonų ir elektronų, o protonų ir neutronų skaičius taip pat paprastai yra toks pat. Pridėjus protoną prie atomo, gaunamas naujas elementas, o pridėjus neutroną, susidaro to atomo izotopas arba sunkesnė versija.
Branduolys
Branduolį 1911 m. Atrado Ernestas Rutherfordas, fizikas iš Naujosios Zelandijos. 1920 m. Rutherfordas pasiūlė pavadinimą protonu teigiamai įkrautoms atomo dalelėms. Jis taip pat teoretikavo, kad branduolyje yra neutrali dalelė, kurią 1932 m. Sugebėjo patvirtinti britų fizikas ir Rutherfordo studentas Jamesas Chadwickas.
Remiantis „Chemistry LibreTexts“, beveik visa atomo masė yra jo branduolyje. Branduolį sudarantys protonai ir neutronai yra maždaug vienodos masės (protonų yra šiek tiek mažiau) ir turi tą patį kampinį momentą, arba sukinį.
Branduolį palaiko stipri jėga, viena iš keturių pagrindinių jėgų gamtoje. Ši jėga tarp protonų ir neutronų įveikia atstumiančiąją elektrinę jėgą, kuri priešingu atveju pastumtų protonus atskirai, pagal elektros energijos taisykles. Kai kurie atominiai branduoliai yra nestabilūs, nes skirtingų atomų surišimo jėga skiriasi priklausomai nuo branduolio dydžio. Tuomet šie atomai suskaidys į kitus elementus, pavyzdžiui, anglį-14, suskaidydami į azotą-14.
Protonai
Protonai yra teigiamai įkrautos dalelės, randamos atominiuose branduoliuose. Rutherfordas juos atrado per eksperimentus su katodinių spindulių vamzdeliais, kurie buvo atlikti nuo 1911 iki 1919 metų. Protonai yra apie 99,86% masyvesni už neutronus.
Protonų skaičius atome yra unikalus kiekvienam elementui. Pavyzdžiui, anglies atomai turi šešis protonus, vandenilio atomai turi vieną, o deguonies atomai turi aštuonis. Protonų skaičius atome nurodomas kaip to elemento atominis skaičius. Protonų skaičius taip pat lemia cheminį elemento elgesį. Elementai yra išdėstyti periodinėje elementų lentelėje pagal didėjantį atominį skaičių.
Trys kvarkai sudaro kiekvieną protoną - du kvarkai „aukštyn“ (kiekvienas turi du trečdalius teigiamo krūvio) ir vienas „žemyn“ kvarkas (su trečdaliu neigiamo krūvio) - ir juos laiko kitos subatominės dalelės, vadinamos gluoniais, kurios yra beveidės.
Elektronai
Elektronai yra maža, palyginti su protonais ir neutronais, daugiau nei 1800 kartų mažesni už protoną arba neutroną. Pasak „Jefferson Lab“, elektronai yra maždaug 0,054% masyvesni už neutronus.
Mokslo istorijos instituto duomenimis, britas fizikas Josephas Johnas (J. J.) Thomsonas elektroną atrado 1897 m. Iš pradžių žinomi kaip „kūneliai“, elektronai turi neigiamą krūvį ir yra elektriškai traukiami teigiamai įkrautų protonų. Elektronai supa atominį branduolį keliais, vadinamais orbitalais. Tai idėja, kurią 1920 m. Iškėlė austrų fizikas Ervinas Schrödingeris. Šiandien šis modelis yra žinomas kaip kvantinis arba elektronų debesų modelis. Vidiniai orbitos, supančios atomą, yra sferinės, bet išorinės orbitos yra daug sudėtingesnės.
Atomo elektronų konfigūracija nurodo elektronų vietas tipiniame atome. Remdamiesi Los Alamoso nacionaline laboratorija, chemikai, remdamiesi elektronų konfigūracija ir fizikos principais, gali numatyti atomo savybes, tokias kaip stabilumas, virimo temperatūra ir laidumas.
Neutronai
Remiantis Amerikos fizikų draugija, neutrono egzistavimą 1920 m. Teoretikavo Rutherfordas, o 1932 m. Atrado Chadwickas. Eksperimentų metu buvo rasta neutronų, kai atomai buvo šaudomi į ploną berilio lakštą. Buvo išleistos subatominės dalelės be įkrovos - neutronas.
Neutronai yra neįkrautos dalelės, randamos visuose atominiuose branduoliuose (išskyrus vandenilį). Neutrono masė yra šiek tiek didesnė nei protono. Kaip ir protonai, neutronai taip pat yra sudaryti iš kvarkų - vieno kvarko „aukštyn“ (su teigiamu 2/3 krūviu) ir dviejų „žemyn“ kvarkų (kiekvienas su neigiamu trečdaliu įkrovos).
Atomo istorija
Atomo teorija atsirado bent jau 440 B.C. Graikijos mokslininkui ir filosofui Democritus. Demokratas greičiausiai sukūrė savo atomų teoriją remdamasis buvusių filosofų darbais, teigia Andrew G. Van Melsenas, knygos „Nuo atomos iki atomo: koncepcijos atomas istorija“ (Duquesne University Press, 1952) autorius.
Demokrito atomo paaiškinimas prasideda akmeniu. Perpjautas akmuo suteikia dvi to paties akmens puses. Jei akmuo būtų nuolat pjaustomas, tam tikru momentu atsirastų pakankamai mažas akmens gabalas, kad jo nebegalėtų pjaustyti. Terminas „atomas“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžio nedalomas, kuris, pasak Demokrito, turi būti taškas, kuriame būtybė (bet kokia materijos forma) nebegali būti padalinta.
Jo paaiškinime buvo pateiktos idėjos, kad atomai egzistuoja atskirai vienas nuo kito, kad yra begalinis atomų skaičius, kad atomai gali judėti, kad jie gali sujungti kartu, kad sukurtų materiją, bet nesijungia, kad taptų nauju atomu, ir kad jie remiantis Universe Today, negalima suskirstyti. Tačiau, kadangi dauguma to meto filosofų - ypač labai įtakingas Aristotelis - manė, kad visa materija yra sukurta iš žemės, oro, ugnies ir vandens, Demokrito atominė teorija buvo atidėta.
Pasak Purdue universiteto chemijos katedros, britų chemikas Johnas Daltonas, remdamasis Demokrito idėjomis, 1803 m. Išleido savo atominę teoriją. Į Daltono teoriją buvo įtrauktos kelios „Democritus“ idėjos, pavyzdžiui, kad atomai yra nedalomi ir nesunaikinami ir kad skirtingi atomai kartu sudarytų visą materiją. Daltonas papildė teoriją tokiomis mintimis: Kad visi tam tikro elemento atomai būtų identiški, kad vieno elemento atomai turėtų skirtingą svorį ir savybes nei kito elemento atomai, kad atomai negali būti sukurti ar sunaikinti ir kad tą medžiagą formuoja atomai sujungiami paprastais sveikaisiais skaičiais.
Cheminio paveldo fondo duomenimis, Thomsonas, britų fizikas, kuris 1897 m. Atrado elektroną, įrodė, kad atomai gali būti suskaidyti. Jis sugebėjo nustatyti elektronų egzistavimą tyrinėdamas katodinių spindulių vamzdžių elektrinės iškrovos savybes. Remiantis Thomsono 1897 m. Popieriumi, spinduliai buvo nukreipti vamzdyje, o tai įrodė, kad vakuuminiame vamzdyje yra kažkas, kas neigiamai įkrauta. 1899 m. Thomsonas paskelbė savo atomo versijos, paprastai žinomos kaip „slyvų pudingo modelis“, aprašą. Šio straipsnio ištrauka yra „Chem Team“ svetainėje. Thomsono atomo modelyje buvo daugybė elektronų, suspenduotų kažkur, kurie sukuria teigiamą krūvį, suteikiantį atomui bendrą neutralų krūvį. Jo modelis priminė slyvų pudingą, populiarų britišką desertą, kuriame razinos buvo pakabintos apvaliame, į tortą panašiame rutulyje.
Kitas mokslininkas, kuris toliau modifikavo ir patobulino atominį modelį, buvo Rutherfordas, kuris studijavo Thomsone, pasak Purdue universiteto chemijos katedros. 1911 m. Rutherfordas paskelbė savo atomo versiją, kurioje buvo teigiamai įkrautas branduolys, kurį skrieja elektronai. Šis modelis atsirado, kai Rutherfordas ir jo padėjėjai šaudė alfa daleles ant plonų aukso lakštų. „Jefferson Lab“ duomenimis, alfa dalelę sudaro du protonai ir du neutronai, kuriuos visus laiko ta pati stipri branduolinė jėga, jungianti branduolį.
Mokslininkai pastebėjo, kad nedidelis procentas alfa dalelių buvo išsibarstęs labai dideliais kampais į pradinę judėjimo kryptį, o didžioji dauguma praėjo tiesiai pro sunkiai judantį. Rutherfordas sugebėjo apytiksliai nustatyti aukso atomo branduolio dydį ir nustatė, kad jis yra mažiausiai 10 000 kartų mažesnis už viso atomo dydį, nes didžioji atomo dalis yra tuščia. Rutherfordo atomo modelis vis dar yra pagrindinis modelis, kuris naudojamas šiandien.
Keletas kitų mokslininkų skatino atominį modelį, įskaitant Nielsą Bohrą (remiantis Rutherfordo modeliu, kad būtų įtrauktos elektronų savybės, pagrįstos vandenilio spektru), Erwiną Schrödingerį (sukūrė atominį kvantinį modelį), Wernerį Heisenbergą (teigė, kad negalima žinoti abiejų elektronų padėtis ir greitis vienu metu), o Murray Gell-Mann ir George Zweig (savarankiškai sukūrė teoriją, kad protonus ir neutronus sudarė kvarkai).
