Az atomok az anyag alapegységei és az elemek meghatározó struktúrája. Az "atom" kifejezés a görög szóból származik a megoszthatatlan számára, mert egyszer azt hitték, hogy az atomok a legkisebb dolgok az univerzumban, és nem oszthatók fel. Most már tudjuk, hogy az atomok három részecskéből állnak: protonok, neutronok és elektronok - amelyek még kisebb részecskékből, például kvarkokból állnak.
Az atomok a nagy robbanás után jöttek létre 13,7 milliárd évvel ezelőtt. Ahogy a forró, sűrű új világegyetem lehűlt, a körülmények megfelelővé váltak kvarkok és elektronok kialakulásához. A kvarkok protonokat és neutronokat alkotnak, és ezek a részecskék magokat alkotnak. A CERN szerint mindez az univerzum létének első néhány percében történt.
380 000 évbe telt, amíg az univerzum eléggé lehűlt ahhoz, hogy lelassítsa az elektronokat, hogy a magok elfogják őket az első atomok kialakításához. A Jefferson Lab szerint a legkorábbi atomok elsősorban hidrogén és hélium voltak, amelyek továbbra is a legszélesebb körű elemek az univerzumban. A gravitáció végül azt okozta, hogy a gázfelhők összeolvadnak és csillagokat képeznek, és a nehezebb atomokat a csillagokban létrehozták (és még mindig vannak), és az egész világegyetemben elküldték, amikor a csillag felrobbant (szupernóva).
Atomos részecskék
A protonok és a neutronok nehezebbek, mint az elektronok, és az atom közepén helyezkednek el a magban. Az elektronok rendkívül könnyűek és a mag körül keringő felhőben léteznek. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium szerint az elektronfelhő sugara 10 000-szer nagyobb, mint a mag.
A protonok és a neutronok tömege megközelítőleg azonos. Azonban egy proton körülbelül 1835-szer tömegebb, mint egy elektron. Az atomok mindig azonos számú protont és elektronot tartalmaznak, és a protonok és a neutronok száma szintén általában azonos. Ha protont adunk hozzá egy atomhoz, új elemet állítunk elő, míg egy neutron hozzáadása az atom izotópját vagy nehezebb változatát hozza létre.
Sejtmag
A magot 1911-ben fedezte fel Ernest Rutherford, az új-zélandi fizikus. 1920-ban Rutherford javasolta a proton nevét az atom pozitív töltésű részecskéire. Azt is elmélete tette, hogy a magban semleges részecske található, amelyet James Chadwick, a brit fizikus és a Rutherford's hallgató 1932-ben meg tudta erősíteni.
A Chemistry LibreTexts szerint egy atom gyakorlatilag az összes tömege a magjában helyezkedik el. A magot alkotó protonok és neutronok megközelítőleg azonos tömegű (a proton kissé kevesebb), és azonos szöglettel vagy spinnel rendelkeznek.
A magot az erős erő tartja össze, amely a természetben a négy alapvető erő közül egy. Ez a protonok és neutronok közötti erő legyőzi a visszatükröződő elektromos erőt, amely egyébként a protonokat széthúzza, az áramszabályok szerint. Néhány atommag instabil, mivel a kötési erő a különböző atomokon a mag méretétől függően változik. Ezek az atomok ezután más elemekre bomlanak, például a szén-14 nitrogén-14 -vé bomlik.
Protonok
A protonok pozitív töltésű részecskék, amelyek az atommagokban találhatók. Rutherford felfedezte őket katódsugárcsövekkel végzett kísérletekben, amelyeket 1911 és 1919 között végeztek. A protonok körülbelül 99,86% -ban tömegesek, mint a neutronok.
Az atomban levő protonok száma minden elemnél egyedi. Például a szénatomokon hat proton van, a hidrogénatomokon egy és az oxigénatomon nyolc. Az atom protonjainak számát az elem atomszámának nevezzük. A protonok száma meghatározza az elem kémiai viselkedését is. Az elemeket az elemek periodikus táblázata az atomszám növekedésének sorrendjében rendezi el.
Három kvarc alkot minden protont - két "fel" kvarkot (mindegyik kétharmados pozitív töltéssel) és egy "le" kvarkot (egyharmados negatív töltéssel) -, és ezeket más szubatómiai részecskék tartják össze, amelyeket gluonoknak hívnak, amelyek tömegesek.
Az elektronok
Az elektronok aprók a protonokhoz és a neutronokhoz képest, több mint 1800-szor kisebbek, mint protonok vagy neutronok. Jefferson Lab szerint az elektronok körülbelül 0,054% -ban tömegesek, mint a neutronok.
Joseph John (J. J.) Thomson, egy brit fizikus 1897-ben fedezte fel az elektronot, a Tudományos Történeti Intézet szerint. Az elektronokat, amelyeket eredetileg "testtestként" ismertek, negatív töltésűek vannak, és elektromosan vonzzák őket a pozitív töltésű protonokhoz. Az elektronok körülveszik az atommagot az orbitáloknak nevezett útvonalakon, ezt az elképzelést Erwin Schrödinger, osztrák fizikus az 1920-as években állította elő. Manapság ezt a modellt kvantummodellnek vagy elektron felhőmodellnek nevezzük. Az atomot körülvevő belső pályák gömb alakúak, de a külső körüli pályák sokkal bonyolultabbak.
Az atom elektronkonfigurációja az elektronok elhelyezkedésére vonatkozik egy tipikus atomban. Az elektronkonfiguráció és a fizika alapelveinek felhasználásával a vegyészek megjósolhatják az atom tulajdonságait, például stabilitását, forráspontját és vezetőképességét a Los Alamos Nemzeti Laboratórium szerint.
A neutronok
A neutron létezését Rutherford 1920-ban elmélete tette, és Chadwick fedezte fel 1932-ben, az American Physical Society szerint. A kísérletek során neutronokat találtak, amikor az atomokat vékony berilliumlemezre lőtték. A töltés nélküli szubatomi részecskék felszabadultak - a neutron.
A neutronok olyan töltötlen részecskék, amelyek az összes atommagban megtalálhatók (a hidrogén kivételével). A neutron tömege valamivel nagyobb, mint a protoné. A protonokhoz hasonlóan a neutronok is kvarkokból készülnek - egy "fel" kvarkból (pozitív 2/3 töltéssel) és két "le" kvarkból (mindegyik negatív harmada töltéssel).
Az atom története
Az atom elmélete legalább 440 B.C. Demokratikusnak, egy görög tudósnak és filozófusnak. Andrew G. Van Melsen, az "Atomostól az atomig: az atom fogalmának története" (Duquesne University Press, 1952) szerzője szerint Andrew G. Van Melsen, valószínűleg az atomok elméletét a múlt filozófusai munkájára építette.
Democritus magyarázata az atomról kővel kezdődik. A felére vágott kő ugyanazon kő két felét adja. Ha a köveket folyamatosan vágnák, akkor egy ponton lenne egy olyan kődarab, amely elég kicsi ahhoz, hogy már nem lehessen elvágni. Az "atom" kifejezés az osztatlan görög szóból származik, amelyet a Democritus arra a következtetésre jutott, hogy egy lény (bármilyen anyagforma) többé nem osztható fel.
Magyarázata magában foglalta azokat az elképzeléseket, amelyek szerint az atomok léteznek egymástól elkülönülten, hogy vannak végtelen mennyiségű atomok, hogy az atomok képesek mozogni, hogy összekapcsolódhatnak az anyag létrehozásához, de nem egyesülnek új atommá, és hogy nem osztható fel, a mai Világegyetem szerint. Mivel azonban az akkoriban a legtöbb filozófus - különösen a legbefolyásosabb Arisztotelész - úgy gondolta, hogy minden anyag földből, levegőből, tűzből és vízből jön létre, a Democritus atomelméletét félretették.
John Dalton, egy brit vegyész 1803-ban a Democritus ötleteire épült, amikor a Purdue Egyetem kémiai tanszéke szerint saját atomelméletét állította elő. Dalton elmélete számos, a Democritus-tól származó ötletet tartalmazott, például az atomok oszthatatlanok és elpusztíthatatlanok, és hogy a különféle atomok együtt alkotnak minden anyagot. Dalton az elmélethez fűzött kiegészítései a következő ötleteket tartalmazták: Hogy egy adott elem minden atomja azonos legyen, hogy az egyik elem atomjai eltérő súlyú és tulajdonságúak legyenek, mint egy másik elem atomjai, hogy az atomokat nem lehet létrehozni vagy elpusztítani, és az anyagot atomok egész egész számban kombinálva.
Thomson, a brit fizikus, aki 1897-ben fedezte fel az elektront, bebizonyította, hogy az atomok megoszthatók a Kémiai Örökség Alapítvány szerint. Az elektronok létezését a katódsugárcsövek elektromos kisülésének tulajdonságainak tanulmányozásával tudta meghatározni. Thomson 1897-es tanulmánya szerint a sugarak elhajlottak a csőben, ami igazolta, hogy a vákuumcsőben van valami, ami negatív töltéssel rendelkezik. 1899-ben Thomson közzétette az atom verziójának leírását, közismert nevén "szilva pudingmodell". Ennek a cikknek a kivonata található a Chem Team webhelyén. A Thomson atommodellje nagyszámú elektronot tartalmazott, amelyek szuszpendáltak valami olyanban, amely pozitív töltést eredményezett, és az atomnak általános semleges töltése volt. Modellje a szilva pudingra emlékeztetett, egy népszerű brit desszertre, amelynek mazsola kerek tortaszerű golyóban volt szuszpendálva.
Az atommodell továbbfejlesztésének és továbbfejlesztésének következõ tudósát Rutherford írta, aki Thomson alatt tanult a Purdue Egyetem kémiai tanszéke szerint. 1911-ben Rutherford közzétette az atom változatát, amely tartalmazott egy pozitív töltésű magot, amelyet elektronok keringtek. Ez a modell akkor merült fel, amikor Rutherford és asszisztensei vékony aranylapokra lőttek alfa-részecskéket. A Jefferson Lab szerint egy alfa részecske két protonból és két neutronból áll, amelyek mindegyike ugyanolyan erős nukleáris erő által tartja össze, amely megköti a magot.
A tudósok észrevették, hogy az alfa-részecskék kis százaléka nagyon nagy szögben szétszóródott az eredeti mozgási irányhoz képest, míg a többség alig zavart. Rutherford képes volt megközelíteni az aranyatom magjának méretét, megállapítva, hogy legalább 10 000-szer kisebb, mint az egész atom mérete, mivel az atom nagy része üres hely. Rutherford atommodellje továbbra is az alapvető modell, amelyet manapság használnak.
Számos másik tudós továbbmozdította az atommodelleket, köztük Niels Bohr (Rutherford modelljére építve, hogy tartalmazza az elektronok tulajdonságait a hidrogén spektrumán), Erwin Schrödinger (kidolgozta az atom kvantummodelljét), Werner Heisenberg (kijelentette, hogy nem ismeri mindkettőt az elektron helyzetét és sebességét egyidejűleg), valamint Murray Gell-Mann és George Zweig (függetlenül fejlesztették ki azt az elméletet, hogy a protonok és a neutronok kvarkokból állnak).
