Atomi ir matērijas pamatvienības un elementu struktūra. Termins “atoms” cēlies no grieķu vārda nedalāms, jo kādreiz domāja, ka atomi ir mazākās lietas Visumā un tos nevar sadalīt. Tagad mēs zinām, ka atomus veido trīs daļiņas: protoni, neitroni un elektroni - kas sastāv no vēl mazākām daļiņām, piemēram, kvarkiem.
Atomi tika izveidoti pēc Lielā sprādziena pirms 13,7 miljardiem gadu. Atdziestot karstajam, blīvajam jaunajam visumam, apstākļi kļuva piemēroti kvarku un elektronu veidošanai. Kvarki sanāca kopā, veidojot protonus un neitronus, un šīs daļiņas apvienojās kodolos. Saskaņā ar CERN tas viss notika dažās pirmajās Visuma pastāvēšanas minūtēs.
Pagāja 380 000 gadu, kamēr Visums pietiekami atdzisa, lai palēninātu elektronus, lai kodoli varētu tos uztvert, veidojot pirmos atomus. Agrākie atomi galvenokārt bija ūdeņradis un hēlijs, kas joprojām ir visbagātākie elementi Visumā, liecina Džefersona laboratorija. Gravitācija galu galā izraisīja gāzes mākoņu salipšanu un zvaigznīšu veidošanos, un smagākie atomi tika (un joprojām ir) izveidoti zvaigznēs un tiek nosūtīti visā Visumā, kad zvaigzne eksplodēja (supernova).
Atomu daļiņas
Protoni un neitroni ir smagāki par elektroniem un atrodas kodolā atoma centrā. Elektroni ir ārkārtīgi viegli un mākonī, kas riņķo ap kodolu. Saskaņā ar Los Alamos Nacionālās laboratorijas datiem elektronu mākoņa rādiuss ir 10 000 reizes lielāks nekā kodols.
Protoniem un neitroniem ir aptuveni vienāda masa. Tomēr viens protons ir apmēram 1835 reizes masīvāks nekā elektrons. Atomiem vienmēr ir vienāds protonu un elektronu skaits, un arī protonu un neitronu skaits parasti ir vienāds. Pievienojot protonu atomam, tiek iegūts jauns elements, savukārt neitrona pievienošana rada šī atoma izotopu vai smagāku versiju.
Kodols
Kodolu 1911. gadā atklāja Ernests Rutherfords, fiziķis no Jaunzēlandes. 1920. gadā Rutherfords ierosināja nosaukuma protonu pozitīvi uzlādētām atoma daļiņām. Viņš arī teorēja, ka kodolā ir neitrālas daļiņas, ko 1932. gadā spēja apstiprināt Džeimss Čadviks, britu fiziķis un Rutherforda students.
Saskaņā ar Chemistry LibreTexts, gandrīz visa atoma masa atrodas tā kodolā. Protoniem un neitroniem, kas veido kodolu, ir aptuveni vienāda masa (protonu ir nedaudz mazāk), un tiem ir vienāds leņķiskais impulss jeb spin.
Kodolu kopā tur spēcīgais spēks, kas ir viens no četriem dabā sastopamajiem pamata spēkiem. Šis spēks starp protoniem un neitroniem pārvar atgrūdošo elektrisko spēku, kas citādi izspiestu protonus, saskaņā ar elektrības noteikumiem. Daži atomu kodoli ir nestabili, jo saistīšanās spēks dažādiem atomiem mainās atkarībā no kodola lieluma. Pēc tam šie atomi sadalīsies citos elementos, piemēram, ogleklis-14, sadaloties slāpeklī-14.
Protoni
Protoni ir pozitīvi lādētas daļiņas, kas atrodamas atomu kodolos. Rutherfords tos atklāja eksperimentos ar katodstaru lampām, kas tika veikti no 1911. līdz 1919. gadam. Protoni ir aptuveni 99,86% tik masīvi kā neitroni.
Protonu skaits atomā ir unikāls katram elementam. Piemēram, oglekļa atomiem ir seši protoni, ūdeņraža atomiem ir viens un skābekļa atomiem ir astoņi. Protonu skaitu atomā sauc par šī elementa atomu skaitu. Protonu skaits nosaka arī elementa ķīmisko izturēšanos. Elementi tiek sakārtoti elementu periodiskajā tabulā atomu skaita palielināšanas secībā.
Trīs kvarki veido katru protonu - divus "uz augšu" kvarkus (katrs ar divu trešdaļu pozitīvu lādiņu) un vienu "uz leju" kvarku (ar vienas trešdaļas negatīvu lādiņu) - un tos tur kopā ar citām subatomiskām daļiņām, ko sauc par gluoniem, kuras ir bezspēcīgas.
Elektroni
Elektroni ir niecīgi salīdzinājumā ar protoniem un neitroniem, vairāk nekā 1800 reizes mazāki par protonu vai neitronu. Saskaņā ar Džefersona laboratorijas datiem elektroni ir aptuveni 0,054% tikpat masīvi kā neitroni.
Džozefs Džons (Dž. Dž.) Tomsons, britu fiziķis, elektronu atklāja 1897. gadā, liecina Zinātnes vēstures institūta dati. Sākotnēji tos sauca par “asinsķermenīšiem”, elektroniem ir negatīva lādiņa, un tos elektriski piesaista pozitīvi lādētie protoni. Elektroni ieskauj atomu kodolu ceļos, kurus sauc par orbitāli - ideju, ko 1920. gados izvirzīja Austrijas fiziķis Ervins Šrēdingers. Mūsdienās šo modeli sauc par kvantu modeli vai elektronu mākoņa modeli. Iekšējās orbitāles, kas ieskauj atomu, ir sfēriskas, bet ārējās orbitāles ir daudz sarežģītākas.
Atoma elektronu konfigurācija attiecas uz elektronu atrašanās vietām tipiskā atomā. Izmantojot elektronu konfigurāciju un fizikas principus, ķīmiķi var paredzēt atoma īpašības, piemēram, stabilitāti, viršanas temperatūru un vadītspēju, saskaņā ar Los Alamos Nacionālo laboratoriju.
Neitroni
Neitronu esamību teorēja Rutherfords 1920. gadā un atklāja Čadviks 1932. gadā, saskaņā ar Amerikas fizisko biedrības datiem. Eksperimentu laikā tika atrasti neitroni, kad atomi tika nošauti uz plānas berilija loksnes. Tika izlaistas subatomiskās daļiņas bez lādiņa - neitrons.
Neitroni ir neuzlādētas daļiņas, kas atrodamas visos atomu kodolos (izņemot ūdeņradi). Neitronu masa ir nedaudz lielāka par protonu. Tāpat kā protoni, arī neitroni ir izgatavoti no kvarkiem - viena "augšu" kvarka (ar pozitīvu 2/3 lādiņu) un diviem "uz leju" kvarka (katrs ar negatīvu vienas trešdaļas lādiņu).
Atoma vēsture
Atoma teorija aizsākusies vismaz 440 B.C. Grieķijas zinātniekam un filozofam Democritus. Demokrāts, visticamāk, balstījās uz savu atomu teoriju, balstoties uz pagātnes filozofu darbu, saskaņā ar Endrjū G. Van Melsenu, grāmatas “No Atomos līdz Atom: Atoma koncepcijas vēsture” (Duquesne University Press, 1952) autoram.
Democritus skaidrojums par atomu sākas ar akmeni. Uz pusēm sagriezts akmens dod divas viena un tā paša akmens puses. Ja akmens tiktu nepārtraukti sagriezts, tad kādā brīdī būtu akmens gabals, kas ir pietiekami mazs, lai to vairs nevarētu sagriezt. Termins "atoms" cēlies no grieķu vārda nedalāms, un pēc demokrāta secinājuma tam jābūt punktam, kurā būtni (jebkura veida matēriju) vairs nevar sadalīt.
Viņa skaidrojumā tika iekļautas idejas, ka atomi eksistē atsevišķi viens no otra, ka ir bezgalīgs atomu daudzums, ka atomi spēj kustēties, ka tos var apvienot kopā, lai radītu matēriju, bet nesapludina, lai kļūtu par jaunu atomu, un ka tie nevar sadalīt, saskaņā ar Universe Today. Tomēr, tā kā vairums filozofu tajā laikā - īpaši ļoti ietekmīgais Aristotelis - uzskatīja, ka visa matērija ir radīta no zemes, gaisa, uguns un ūdens, Democritus atomu teorija tika atlikta malā.
Džons Daltons, britu ķīmiķis, balstījās uz Democritus idejām 1803. gadā, kad viņš izvirzīja pats savu atomu teoriju, liecina Purdue universitātes ķīmijas katedra. Daltona teorija ietvēra vairākas Demokritusa idejas, piemēram, atomi ir nedalāmi un neiznīcināmi un ka dažādi atomi veidojas kopā, lai izveidotu visu matēriju. Daltona teorijas papildinājumi ietvēra šādas idejas: ka visi noteikta elementa atomi ir identiski, ka viena elementa atomiem būs atšķirīgs svars un īpašības nekā cita elementa atomiem, ka atomus nevar izveidot vai iznīcināt un ka matēriju veido atomi, apvienojot tos vienkāršos veselos skaitļos.
Britu fiziķis Thomsons, kurš 1897. gadā atklāja elektronu, pierādīja, ka atomus var sadalīt, liecina Ķīmiskā mantojuma fonds. Viņš spēja noteikt elektronu esamību, pētot elektriskās izlādes īpašības katodstaru lampās. Saskaņā ar Thomsona 1897. gada dokumentu stari tika novirzīti caurulē, kas pierādīja, ka vakuuma mēģenē ir kaut kas negatīvi uzlādēts. 1899. gadā Thomsons publicēja savas atoma versijas aprakstu, kas pazīstams kā “plūmju pudiņa modelis”. Izraksts no šī darba atrodams “Chem Team” vietnē. Thomsona atoma modelī tika iekļauts liels skaits elektronu, kas suspendēti kaut kas, kas radīja pozitīvu lādiņu, piešķirot atomam kopējo neitrālo lādiņu. Viņa modelis atgādināja plūmju pudiņu, populāru britu desertu, kurā rozīnes bija suspendētas apaļā, kūkai līdzīgā bumbiņā.
Nākamais zinātnieks, kurš vēl vairāk modificēja un virzīja atomu modeli, bija Rutherfords, kurš studēja Thomsonā, saskaņā ar Purdue universitātes ķīmijas nodaļu. 1911. gadā Rutherfords publicēja savu atoma versiju, kurā bija iekļauts pozitīvi lādēts kodols, kuru orbītā bija elektroni. Šis modelis radās, kad Rutherfords un viņa palīgi izšāva alfa daļiņas uz plānām zelta loksnēm. Alfa daļiņu veido divi protoni un divi neitroni, kurus visus tur viens un tas pats spēcīgais kodolspēks, kas saista kodolu, saskaņā ar Džefersona laboratoriju.
Zinātnieki pamanīja, ka neliels procents alfa daļiņu tika izkliedētas ļoti lielos leņķos pret sākotnējo kustības virzienu, kamēr lielākā daļa caur tām gāja cauri gandrīz netraucēti. Rutherfords spēja aptuveni noteikt zelta atoma kodola lielumu, uzskatot, ka tas ir vismaz 10 000 reizes mazāks nekā visa atoma lielums, un liela daļa atomu ir tukša. Rutherforda atoma modelis joprojām ir pamatmodelis, kas mūsdienās tiek izmantots.
Vairāki citi zinātnieki sekmēja atomu modeli, tai skaitā Niels Bohrs (būvēts pēc Rutherforda modeļa, lai iekļautu elektronu īpašības, kas balstītas uz ūdeņraža spektru), Ervins Šrēdingers (izstrādāja atoma kvantu modeli), Verners Heizenbergs (paziņoja, ka nevar zināt abus elektronu novietojums un ātrums vienlaicīgi), un Murray Gell-Mann un George Zweig (neatkarīgi izstrādāja teoriju, ka protoni un neitroni sastāv no kvarkiem).
