Atom je najmanjša enota delcev obstoječih kot navadno snovi, ki so sposobni, da se poseže v kemični kombinaciji. Skozi stoletja je bilo omejeno znanje o atomu le predmet ugibanj in predpostavk, tako da konkretnih podatkov ni bilo mogoče dobiti šele mnogo let kasneje. V 18. in 19. stoletju je angleški znanstvenik John Dalton predlagal obstoj atomov kot izjemno majhne enote, iz katere bi bila sestavljena vsa snov, in jim določil maso ter jih predstavil kot trdne in nedeljive krogle.
Kaj je atom
Kazalo
Je najmanjša enota snovi, iz katere so sestavljene trdne snovi, tekočine in plini. Atomi so združeni, da so lahko iste vrste ali različni, da tvorijo molekule, ki pa tvorijo snov, iz katere so sestavljena obstoječa telesa. Znanstveniki pa so ugotovili, da le 5% snovi v vesolju sestavljajo atomi, saj temno snov (ki zaseda več kot 20% vesolja) sestavljajo neznani delci in temna energija (ki zaseda 70%).
Njegovo ime izhaja iz latinskega atomus, kar pomeni "nedeljiv", in tisti, ki so mu dali to terminologijo, so bili grški filozofi Demokrit (460-370 pr. N. Št.) In Epikur (341-270 pr. N. Št.).
Ti filozofi, ki so, ne da bi eksperimentirali, v iskanju odgovora na vprašanje, iz česa smo sestavljeni, in razlagi resničnosti ugotovili, da je nemogoče neskončno deliti snov, da bi moral obstajati "vrh", kar pomeni, da dosegla bi najnižjo mejo tega, iz česar so vse stvari sestavljene. Temu so rekli "top" atom, ker tega najmanjšega delca ni bilo več mogoče deliti in bi bilo iz tega sestavljeno vesolje. Dodati je treba, da se ta koncept ohranja še danes, ko govorimo o tem, kaj je atom.
Sestavljeno je iz jedra, kjer je vsaj en proton in enako število nevtronov (čigar zveza se imenuje "nukleon"), v omenjenem jedru pa je vsaj 99,94% njegove mase. Preostalih 0,06% sestavljajo elektroni, ki krožijo okoli jedra. Če je število elektronov in protonov enako, je atom električno nevtralen; če ima več elektronov kot protonov, bo njegov naboj negativen in se določi kot anion; in če število protonov preseže elektrone, bo njihov naboj pozitiven in se imenuje kation.
Njegova velikost je tako majhna (približno deset milijard metrov), da če bi bil predmet velikokrat razdeljen, ne bi bilo več nobenega materiala, iz katerega je sestavljen, vendar bi atomi elementov ostali tak, v kombinaciji so ga tvorili, ti pa so praktično nevidni. Vendar pa nimajo vse vrste atomov enake oblike in velikosti, saj je to odvisno od več dejavnikov.
Elementi atoma
Atomi imajo druge komponente, ki jih sestavljajo tako imenovani subatomski delci, ki ne morejo obstajati neodvisno, razen v posebnih in nadzorovanih pogojih. Ti delci so: elektroni, ki imajo negativni naboj; protoni, ki so pozitivno nabiti; in nevtroni, katerih naboj je enak, zaradi česar so električno nevtralni. V jedru (središču) atoma najdemo protone in nevtrone, ki tvorijo tako imenovano nukleon, elektroni pa krožijo okoli jedra.
Protoni
Ta delec je v jedru atoma in tvori del nukleonov, njegov naboj pa je pozitiven. Prispevajo približno 50% mase atoma in njihova masa ustreza 1836-kratni masi elektrona. Imajo pa nekoliko manj mase kot nevtroni. Proton ni elementarni delec, saj je sestavljen iz treh kvarkov (kar je vrsta fermiona, enega od dveh obstoječih osnovnih delcev).
Število protonov v atomu je odločilno pri določanju vrste elementa. Na primer, ogljikov atom ima šest protonov, medtem ko ima vodikov atom samo en proton.
Elektroni
So negativni delci, ki krožijo okoli jedra atoma. Njegova masa je tako majhna, da velja za enkratno uporabo. Običajno je število elektronov v atomu enako številu protonov, tako da se oba naboja medsebojno prekinjata.
Elektroni različnih atomov so povezani s Coulombovo silo (elektrostatično) in ko jih delimo in izmenjujemo od enega do drugega atoma, povzroča kemične vezi. Obstajajo elektroni, ki so lahko prosti, ne da bi bili pritrjeni na kateri koli atom; in tisti, ki so povezani z enim, imajo lahko orbite različnih velikosti (večji je polmer krožnice, večja je energija, ki jo vsebuje).
Elektron je elementarni delec, saj je vrsta fermiona (leptoni) in ga ne sestavlja noben drug element.
Nevtroni
Je subatomski nevtralni delček atoma, torej ima enako količino pozitivnega in negativnega naboja. Njegova masa je nekoliko večja od mase protonov, s katerimi tvori jedro atoma.
Tako kot protoni so tudi nevtroni sestavljeni iz treh kvarkov: dva padajoča ali padajoča z nabojem -1/3 in ena naraščajoča ali navzgor z nabojem +2/3, kar povzroči skupni naboj nič, kar mu daje nevtralnost. Nevtron sam po sebi ne more obstajati zunaj jedra, saj je njegovo povprečno življenje zunaj jedra približno 15 minut.
Količina nevtronov v atomu ne določa njegove narave, razen če gre za izotop.
Izotopi
So vrsta atomov, katerih jedrska sestava ni pravična; to pomeni, da ima enako število protonov, vendar različno število nevtronov. V tem primeru bodo atomi, ki sestavljajo isti element, različni, ločeni po številu nevtronov, ki jih vsebujejo.
Obstajata dve vrsti izotopov:
- Naravna, ki jo najdemo v naravi, na primer atom vodika, ki ima tri (protium, devterij in tritij); ali atom ogljika, ki ima tudi tri (ogljik-12, ogljik-13 in ogljik-14; vsak z različnimi uporabnostmi).
- Umetne, ki se proizvajajo v nadzorovanih okoljih, v katerih se bombardirajo subatomski delci, ki so nestabilni in radioaktivni.
Obstajajo stabilni izotopi, vendar je ta stabilnost relativna, saj čeprav so radioaktivni na enak način, je njihovo obdobje razpada dolgo v primerjavi z obstojem planeta.
Kako so definirani elementi atoma
Atom bomo razlikovali ali opredeljevali z več dejavniki, in sicer:
- Količina protonov: sprememba tega števila lahko povzroči drugačen element, saj določa, kateremu kemičnemu elementu pripada.
- Število nevtronov: določa izotop elementa.
Sila, s katero protoni privabljajo elektrone, je elektromagnetna; medtem ko tisti, ki privlači protone in nevtrone, je jedrski, katerega intenziteta je večja od prve, ki med seboj odbija pozitivno nabita protona.
Če je število protonov v atomu veliko, bo elektromagnetna sila, ki jih odbija, postala močnejša od jedrske, obstaja verjetnost, da bodo nukleoni pregnani iz jedra, kar bo povzročilo jedrski razpad ali kar je znano tudi kot radioaktivnost; da bi kasneje prišlo do jedrske transmutacije, ki je pretvorba enega elementa v drugega (alkimija).
Kaj je atomski model
To je shema, ki pomaga določiti, kaj je atom, njegova sestava, njegova porazdelitev in značilnosti, ki jih predstavlja. Od rojstva tega izraza so razvili različne atomske modele, ki so nam omogočili boljše razumevanje strukturiranja snovi.
Najbolj reprezentativni atomski modeli so:
Bohrov atomski model
Danski fizik Niels Bohr (1885–1962) je po študiju s svojim profesorjem, kemikom in tudi fizikom Ernestom Rutherfordom, navdihnil njegov model, da je izpostavil svojega, pri čemer je za vodilo vzel atom vodika.
Bohrov atomski model je sestavljen iz neke vrste planetarnega sistema, v katerem je jedro v središču, elektroni pa se gibljejo okoli njega kot planeti, v stabilnih in krožnih orbitah, kjer večji shrani več energije. Vključuje absorpcijo in emisijo plinov, Max Planckovo kvantizacijsko teorijo in fotoelektrični učinek
Albert Einstein
Elektroni lahko preskakujejo z ene orbite na drugo: če preidejo iz ene nižje energije v drugo z višjo energijo, bodo povečali kvant energije za vsako doseženo orbito; Nasprotno se zgodi, ko gre iz višje v nižjo energijo, kjer se ne samo zmanjša, ampak jo tudi izgubi v obliki sevanja, kot je svetloba (foton).
Vendar je imel Bohrov atomski model pomanjkljivosti, saj ni bil uporaben za druge vrste atomov.
Daltonov atomski model
John Dalton (1766-1844), matematik in kemik, je bil pionir objave atomskega modela z znanstveno podlago, v katerem je izjavil, da so atomi podobni biljardnim kroglam, torej sferični.
Daltonov atomski model v svojem pristopu (ki ga je imenoval "atomska teorija") ugotavlja, da atomov ni mogoče deliti. Ugotavlja tudi, da so atomi istega elementa enake lastnosti, vključno z njihovo težo in maso; da čeprav jih je mogoče kombinirati, ostajajo nedeljivi s preprostimi odnosi; in da jih je mogoče kombinirati v različnih razmerjih z drugimi vrstami atomov, da tvorijo različne spojine (združitev dveh ali več vrst atomov).
Ta atomski model Daltona je bil nedosleden, ker ni pojasnil prisotnosti subatomskih delcev, saj prisotnost elektrona in protona ni bila znana. Prav tako ni mogel razložiti pojavov radioaktivnosti ali toka elektronov (katodnih žarkov); poleg tega ne upošteva izotopov (atomov istega elementa z različno maso).
Rutherfordov atomski model
Ta model je vzgojil fizik in kemik Ernest Rutherford (1871-1937). Ta model je analogija s sončnim sistemom. Rutherfordov atomski model ugotavlja, da je največji odstotek mase atoma in njegovega pozitivnega dela v njegovem jedru (središču); negativni del ali elektroni pa se vrtijo okoli njega v eliptičnih ali krožnih orbitah, med njimi pa vakuum. Tako je postal prvi model, ki je atom ločil na jedro in lupino.
Fizik je izvedel poskuse, v katerih je izračunal kot razprševanja delcev, ko so udarili v zlato folijo, in opazil, da so se nekateri odbijali pod neskladnimi koti, pri čemer je zaključil, da mora biti njihovo jedro majhno, a velike gostote. Zahvaljujoč Rutherfordu, ki je bil učenec JJ Thomsona, se je pojavila tudi prva predstava o prisotnosti nevtronov. Drug dosežek je bil sprožitev vprašanj o tem, kako lahko pozitivni naboji v jedru ostanejo skupaj v tako majhnem obsegu, kar je kasneje pripeljalo do odkritja ene temeljnih interakcij: močne jedrske sile.
Rutherfordov atomski model je bil nedosleden, saj je bil v nasprotju z Maxwellovimi zakoni o elektromagnetizmu; niti ni razložil pojavov energijskega sevanja pri prehodu elektrona iz visokega v nizkoenergijsko stanje.
Thomsonov atomski model
Razkril ga je znanstvenik in dobitnik Nobelove nagrade za fiziko iz leta 1906 Joseph John Thomson (1856-1940). Thomsonov atomski model opisuje atom kot pozitivno nabito sferično maso, v katero so vstavljeni elektroni, kot rozin puding. Število elektronov v tem modelu je zadoščalo za nevtralizacijo pozitivnega naboja, porazdelitev pozitivne mase in elektronov pa je bila naključna.
Eksperimentiral je s katodnimi žarki: v vakuumski cevi je prenašal trenutne žarke z dvema ploščama in ustvaril električno polje, ki ju je odklonilo. Tako je ugotovil, da je elektrika sestavljena iz drugega delca; odkrivanje obstoja elektronov.
Vendar je bil Thomsonov atomski model kratek in nikoli ni bil akademsko sprejet. Njegov opis notranje strukture atoma je bil napačen, pa tudi porazdelitev nabojev, ni upošteval obstoja nevtronov in ni bil znan za protone. Prav tako ne pojasni pravilnosti Periodnega sistema elementov.
Kljub temu so njegove študije služile kot osnova za kasnejša odkritja, saj je bilo iz tega modela znano o obstoju subatomskih delcev.
Atomska masa
Predstavljena s črko A, se skupna masa protonov in nevtronov, ki jih vsebuje atom, imenuje atomska masa, ne da bi upoštevali elektrone, saj je njihova masa tako majhna, da jo lahko zavržemo.
Izotopi so variacije atomov istega elementa z enakim številom protonov, vendar različnim številom nevtronov, zato bo njihova atomska masa različna, tudi če so si zelo podobni.
Atomska številka
Predstavlja ga črka Z in se nanaša na število protonov, ki jih vsebuje atom, kar je enako število elektronov v njem. Mendeljejev periodni sistem elementov iz leta 1869 je razvrščen od najmanjšega do največjega glede na atomsko število.
