Atom — definicja i budowa: protony, neutrony, elektrony

Słowo "atom" pochodzi z greckiego (ἀτόμος) "atomos", niepodzielnego, z (ἀ)-, nie, i τόμος, cięcia. Pierwsza historyczna wzmianka o słowie "atom" pochodzi z prac greckiego filozofa Democritusa, około 400 roku p.n.e.. Teoria atomowa pozostawała jako temat głównie filozoficzny, z niewielką ilością rzeczywistych badań naukowych lub studiów, aż do rozwoju chemii w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku.

W 1777 roku francuski chemik Antoine Lavoisier po raz pierwszy zdefiniował ten termin. Powiedział, że pierwiastek to każda podstawowa substancja, która nie może być podzielona na inne substancje metodami chemicznymi. Każda substancja, która mogła zostać rozbita, była związkiem.

W 1803 roku angielski filozof John Dalton zasugerował, że elementami są malutkie, solidne kule z atomów. Dalton uważał, że wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają tę samą masę. Powiedział, że związki powstają, gdy łączą się atomy więcej niż jednego pierwiastka. Według Daltona, w pewnym związku atomy pierwiastków tego związku łączą się zawsze w ten sam sposób.

W 1827 roku brytyjski naukowiec Robert Brown spojrzał pod mikroskopem na ziarna pyłków w wodzie. Ziarna pyłku wydawały się być żonglerujące. Brown wykorzystał teorię atomową Daltona do opisania wzorów w sposobie ich przemieszczania się. Nazywało się to ruchemBrowna. W 1905 roku Albert Einstein wykorzystał matematykę do udowodnienia, że pozornie przypadkowe ruchy były spowodowane przez reakcje atomów, a czyniąc to ostatecznie udowodnił istnienie atomu. W 1869 roku rosyjski naukowiec Dmitrij Mendelejew opublikował pierwszą wersję tablicy okresowej. Układ okresowy grupuje elementy według ich liczby atomowej (ile mają protonów). Zazwyczaj jest to taka sama liczba jak liczba elektronów). Pierwiastki w tej samej kolumnie, czyli okresie, mają zazwyczaj podobne właściwości. Na przykład, hel, neon, argon, krypton i ksenon są w tej samej kolumnie i mają bardzo podobne właściwości. Wszystkie te pierwiastki są gazami, które nie mają koloru ani zapachu. Ponadto, nie są one w stanie łączyć się z innymi atomami, tworząc związki. Razem są one znane jako gazy szlachetne.

Fizyk J.J. Thomson był pierwszą osobą, która odkryła elektrony. Stało się to podczas pracy z promieniami katodowymi w 1897 roku. Zdał sobie sprawę, że mają one ładunek ujemny, w przeciwieństwie do protonów (dodatni) i neutronów (brak ładunku). Thomson stworzył model puddingu śliwkowego, w którym stwierdził, że atom jest jak pudding śliwkowy: suszone owoce (elektrony) utknęły w masie puddingu (protony). W 1909 roku naukowiec o nazwisku Ernest Rutherford wykorzystał eksperyment Geigera-Marsdena do udowodnienia, że większość atomu znajduje się w bardzo małej przestrzeni zwanej jądrem atomowym. Rutherford zrobił płytkę fotograficzną i pokrył ją złotą folią, a następnie nakręcił na nią cząstki alfa (składające się z dwóch protonów i dwóch sklejonych ze sobą neutronów). Wiele z tych cząstek przeszło przez złotą folię, co udowodniło, że atomy są w większości pustą przestrzenią. Elektrony są tak małe, że stanowią tylko 1% masy atomu.

W 1913 roku Niels Bohr wprowadził model Bohra. Model ten pokazał, że elektrony poruszają się wokół jądra na stałych, okrągłych orbitach. Było to bardziej dokładne niż model Rutherforda. Jednak wciąż nie był on całkowicie poprawny. Ulepszenia w modelu Bohra zostały wprowadzone od czasu jego pierwszego wprowadzenia.

W 1925 roku chemik Frederick Soddy stwierdził, że niektóre elementy w układzie okresowym mają więcej niż jeden rodzaj atomu. Na przykład, każdy atom z 2 protonami powinien być atomem helu. Zazwyczaj jądro helu zawiera również dwa neutrony. Jednak niektóre atomy helu mają tylko jeden neutron. Oznacza to, że rzeczywiście są one helem, ponieważ pierwiastek jest określony przez liczbę protonów, ale nie są one również helem normalnym. Soddy nazwał taki atom, z inną liczbą neutronów, izotopem. Aby uzyskać nazwę izotopu sprawdzamy, ile protonów i neutronów ma on w swoim jądrze i dodajemy to do nazwy pierwiastka. Tak więc atom helu z dwoma protonami i jednym neutronem nazywany jest helem-3, a atom węgla z sześcioma protonami i sześcioma neutronami nazywany jest węglem-12. Kiedy jednak opracowywał swoją teorię, Soddy nie mógł być pewien, że neutrony rzeczywiście istnieją. Aby udowodnić, że są one prawdziwe, fizyk James Chadwick wraz z zespołem innych osób stworzył spektrometr masowy. Spektrometr masowy faktycznie mierzy masę i wagę poszczególnych atomów. W ten sposób Chadwick udowodnił, że aby odpowiedzieć za cały ciężar atomu, neutrony muszą istnieć.

W 1937 roku niemiecki chemik Otto Hahn stał się pierwszą osobą, która stworzyła rozszczepienie jądrowe w laboratorium. Odkrył to przypadkowo, gdy strzelał neutronami do atomu uranu, mając nadzieję na stworzenie nowego izotopu. Zauważył jednak, że zamiast nowego izotopu uran po prostu zamienił się w atom baru, atom mniejszy od uranu. Podobno Hahn "złamał" atom uranu. To była pierwsza na świecie zarejestrowana reakcja rozszczepienia jądra atomowego. To odkrycie w końcu doprowadziło do powstania bomby atomowej.

Dalej, w XX wieku, fizycy zagłębili się w tajemnice atomu. Za pomocą akceleratorów cząstek odkryli, że protony i neutrony są w rzeczywistości wykonane z innych cząstek, zwanych kwarkami.

Najdokładniejszy dotychczas model pochodzi z równania Schrödingera. Schrödinger uświadomił sobie, że elektrony istnieją w chmurze wokół jądra, zwanej chmurą elektronów. W chmurze elektronów nie można dokładnie wiedzieć, gdzie znajdują się elektrony. Równanie Schrödingera służy do określenia, gdzie prawdopodobnie znajdują się elektrony. Obszar ten nazywany jest orbitą elektronu.

Części

Złożony atom składa się z trzech głównych cząstek: protonu, neutronu i elektronu. Izotop Wodoru-1 nie ma neutronów, tylko jeden proton i jeden elektron. Dodatni jon wodoru nie ma żadnych elektronów, tylko jeden proton i jeden neutron. Te dwa przykłady są jedynymi znanymi wyjątkami od reguły, że wszystkie inne atomy mają co najmniej jeden proton, jeden neutron i jeden elektron każdy.

Elektrony są zdecydowanie najmniejszymi z trzech atomowych cząstek, ich masa i rozmiary są zbyt małe, aby można było je zmierzyć za pomocą technologii prądowej. Mają one ładunek ujemny. Protony i neutrony mają podobne rozmiary i masę do siebie, protony są dodatnio naładowane, a neutrony nie mają ładunku. Większość atomów ma ładunek neutralny; ponieważ liczba protonów (dodatni) i elektronów (ujemny) jest taka sama, ładunki te równoważą się do zera. Jednak w jonach (o różnej liczbie elektronów) nie zawsze tak jest i mogą one mieć dodatni lub ujemny ładunek. Protony i neutrony są wykonane z kwarków, dwóch typów: kwarków górnych i kwarków dolnych. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarku dolnego, a neutron składa się z dwóch kwarków dolnych i jednego kwarku górnego.

Nucleus

Jądro jest w środku atomu. Składa się z protonów i neutronów. Zazwyczaj w naturze dwie rzeczy o tym samym ładunku odpychają się lub wystrzeliwują od siebie. Tak więc przez długi czas było dla naukowców tajemnicą, jak dodatnio naładowane protony w jądrze trzymały się razem. Rozwiązali ją poprzez znalezienie cząsteczki zwanej gluonem. Jej nazwa pochodzi od słowa klej, ponieważ gluony działają jak klej atomowy, sklejając protony za pomocą silnej siły atomowej. To właśnie ta siła trzyma razem kwarki, które tworzą protony i neutrony.

Liczba neutronów w stosunku do protonów określa, czy jądro jest stabilne, czy przechodzi rozpad radioaktywny. Gdy jest zbyt wiele neutronów lub protonów, atom próbuje zrównać te liczby, pozbywając się dodatkowych cząstek. Czyni to poprzez emitowanie promieniowania w postaci rozpadu alfa, beta lub gamma. Jądra mogą się zmieniać także w inny sposób. Rozszczepienie jądra jest wtedy, gdy jądro rozszczepia się na dwa mniejsze jądra, uwalniając dużo zmagazynowanej energii. To uwalnianie energii sprawia, że rozszczepienie jądra atomowego jest przydatne do produkcji bomb i energii elektrycznej, w postaci energii jądrowej. Innym sposobem na zmianę jądra jest fuzja jądrowa, kiedy dwa jądra łączą się ze sobą lub łączą się, aby stworzyć cięższe jądro. Proces ten wymaga ogromnych ilości energii, aby pokonać odpychanie elektrostatyczne pomiędzy protonami, ponieważ mają one ten sam ładunek. Tak wysokie energie są najczęściej spotykane w gwiazdach takich jak nasze Słońce, które łączy wodór z paliwem.

Elektrony

Elektronów na orbicie, lub podróżować dookoła, jądro. Są one nazywane chmurą elektronów atomu. Są one przyciągane do jądra z powodu siły elektromagnetycznej. Elektrony mają ładunek ujemny, a jądro zawsze ma ładunek dodatni, więc przyciągają się do siebie. Wokół jądra, niektóre elektrony są dalej na zewnątrz niż inne, w różnych warstwach. Są to tzw. powłoki elektronowe. W większo¶ci atomów pierwsza powłoka ma dwa elektrony, a po tym wszystkim ma osiem. Wyjątki są rzadkie, ale zdarzają się i są trudne do przewidzenia. Im dalej od j±dra znajduje się elektron, tym słabsze jest na nim ci±gnięcie j±dra. Dlatego większe atomy, z większą ilością elektronów, łatwiej reagują z innymi atomami. Elektromagnetyzm jądra nie jest wystarczająco silny, aby utrzymać swoje elektrony i atomy tracą elektrony na skutek silnego przyciągania mniejszych atomów.

Niektóre elementy, a także wiele izotopów, mają tzw. niestabilne jądro. Oznacza to, że jądro jest albo zbyt duże, by się trzymać razem, albo ma zbyt wiele protonów lub neutronów. Kiedy to nastąpi, jądro musi pozbyć się nadmiaru masy lub cząstek. Robi to poprzez promieniowanie. Atom, który to robi, można nazwać radioaktywnym. Niestabilne atomy są nadal radioaktywne, dopóki nie stracą wystarczającej ilości mas/cząsteczek, aby stały się stabilne. Wszystkie atomy powyżej liczby atomowej 82 (82 protony, ołów) są radioaktywne.

Istnieją trzy główne rodzaje rozpadu radioaktywnego: alfa, beta i gamma.

• Rozpad Alfa jest wtedy, gdy atom wystrzeliwuje cząstkę posiadającą dwa protony i dwa neutrony. Jest to w zasadzie jądro helu. Wynikiem tego jest pierwiastek o liczbie atomowej dwa mniej niż poprzednio. Tak więc na przykład, gdyby atom berylu (liczba atomowa 4) przeszedł rozpad alfa, to stałby się helem (liczba atomowa 2). Rozpad alfa zdarza się, gdy atom jest zbyt duży i musi pozbyć się pewnej masy.
• Rozpad beta polega na tym, że neutron zmienia się w proton lub proton w neutron. W pierwszym przypadku atom wystrzeliwuje elektron. W drugim przypadku jest to pozyton (jak elektron, ale z ładunkiem dodatnim). Efektem końcowym jest pierwiastek o jednej wyższej lub jednej niższej liczbie atomowej niż poprzednio. Rozpad beta ma miejsce, gdy atom ma albo za dużo protonów, albo za dużo neutronów.
• Rozpad gamma jest wtedy, gdy atom wystrzeliwuje promień gamma lub falę. Dzieje się tak, gdy następuje zmiana w energii jądra. Zazwyczaj dzieje się to po tym, jak jądro przeszło już rozpad alfa lub beta. Nie ma zmiany w masie, liczbie atomowej lub atomie, tylko w zgromadzonej energii wewnątrz jądra.

Każdy radioaktywny pierwiastek lub izotop ma tzw. okres półtrwania. Tak długo trwa rozpad połowy dowolnej próbki atomów tego typu, aż staną się one innym stabilnym izotopem lub pierwiastkiem. Duże atomy lub izotopy o dużej różnicy między liczbą protonów i neutronów będą więc miały długi okres półtrwania, ponieważ muszą stracić więcej neutronów, aby stać się stabilne.

Marie Curie odkryła pierwszą formę promieniowania. Znalazła ten pierwiastek i nazwała go radem. Była też pierwszą kobietą, która otrzymała Nagrodę Nobla.

Frederick Soddy przeprowadził eksperyment, aby zaobserwować, co dzieje się z rozpadem radu. Umieścił próbkę w żarówce i czekał na jej rozpad. Nagle w żarówce pojawił się hel (zawierający 2 protony i 2 neutrony), a z tego eksperymentu odkrył, że ten rodzaj promieniowania ma ładunek dodatni.

James Chadwick odkrył neutron, obserwując produkty rozpadu różnych rodzajów izotopów radioaktywnych. Chadwick zauważył, że liczba atomowa pierwiastków była niższa niż całkowita masa atomowa atomu. Doszedł on do wniosku, że elektrony nie mogą być przyczyną dodatkowej masy, ponieważ ledwo mają masę.

Enrico Fermi, użył neutronów do wystrzelenia ich na uran. Odkrył, że uran rozkłada się znacznie szybciej niż zwykle i wytwarza dużo cząstek alfa i beta. Uważał też, że uran zmienił się w nowy pierwiastek, który nazwał esperium.

Otto Hanh i Fritz Strassmann powtórzyli eksperyment Fermiego, aby sprawdzić, czy rzeczywiście powstał nowy element - hesperium. Odkryli dwie nowe rzeczy, których Fermi nie zauważył. Przy użyciu dużej ilości neutronów jądro atomu rozszczepiłoby się, produkując dużo energii cieplnej. Odkryto już także produkty rozszczepienia uranu: tor, pallad, rad, rad i ołów.

Fermi zauważył następnie, że rozszczepienie jednego atomu uranu odstrzeliło więcej neutronów, które następnie rozdzieliły inne atomy, tworząc reakcje łańcuchowe. Zdał sobie sprawę, że proces ten nazywany jest rozszczepieniem jądra atomowego i może wytwarzać ogromne ilości energii cieplnej.

Właśnie to odkrycie Fermi'ego doprowadziło do skonstruowania pierwszej bomby atomowej o kryptonimie "Trinity".