Co to jest atom? Fakty dotyczące elementów składowych wszechświata

Atomy składają się z jądra złożonego z protonów i neutronów, wokół którego krążą elektrony. (Źródło zdjęcia: Rost-9D za pośrednictwem Getty Images)

Atomy to podstawowe jednostki materii. Według Northwestern University wszystko we wszechświecie oprócz energii składa się z materii, dlatego atomy tworzą wszystko we wszechświecie(otwiera się w nowej karcie). Termin „atom” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego niepodzielny, ponieważ kiedyś uważano, że atomy są najmniejszymi rzeczami we wszechświecie i nie można ich podzielić. Teraz wiemy, że atomy składają się z trzech cząstek zwanych
cząstkami subatomowymi: protonów, neutronów i elektronów — które składają się z jeszcze mniejszych cząstek, takich jak kwarki .

Atomy powstały po Wielkim Wybuchu 13,7 miliarda lat temu. Gdy gorący, gęsty nowy wszechświat ostygł, warunki stały się odpowiednie do powstania kwarków i elektronów. Kwarki połączyły się, tworząc protony i neutrony, a cząstki te połączyły się w jądra. Według CERN- u wszystko to miało miejsce w ciągu pierwszych kilku minut istnienia wszechświata(otwiera się w nowej karcie).

380 000 lat zajęło wszechświatowi ostygnięcie na tyle, aby spowolnić elektrony, tak aby jądra mogły je wychwycić, tworząc pierwsze atomy. Według Jefferson Lab najwcześniejszymi atomami były przede wszystkim wodór i hel , które nadal są najbardziej rozpowszechnionymi pierwiastkami we
wszechświecie(otwiera się w nowej karcie). Grawitacja ostatecznie spowodowała, że ​​obłoki gazu zlewały się i tworzyły gwiazdy, a cięższe atomy były (i nadal są) tworzone w gwiazdach i wysyłane do całego wszechświata, gdy gwiazda eksplodowała (supernowa).

Cząsteczki atomowe

Protony i neutrony są cięższe od elektronów i znajdują się w jądrze w centrum atomu. Elektrony są niezwykle lekkie i znajdują się w chmurze krążącej wokół
jądra. Według Narodowego Laboratorium Los Alamos chmura elektronów ma promień 10 000 razy większy niż jądro(otwiera się w nowej karcie).

Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę. Jednak jeden proton jest około 1835 razy masywniejszy niż elektron. Atomy mają zawsze taką samą liczbę protonów i elektronów, a liczba protonów i neutronów jest zwykle taka sama. Dodanie protonu do atomu tworzy nowy pierwiastek, podczas gdy dodanie neutronu tworzy izotop lub cięższą wersję tego atomu.

Jądro

Jądro zostało odkryte w 1911 roku przez Ernesta Rutherforda, fizyka z Nowej Zelandii, według Amerykańskiego Instytutu Fizyki(otwiera się w nowej karcie). W 1920 Rutherford zaproponował nazwę proton dla dodatnio naładowanych cząstek atomu. Teoretyzował również, że w jądrze znajduje się neutralna cząstka, co James Chadwick, brytyjski fizyk i uczeń Rutherforda, był w stanie potwierdzić w 1932 roku.
Według Chemistry LibreTexts praktycznie cała masa atomu znajduje się w jego jądrze(otwiera się w nowej karcie). Protony i neutrony tworzące jądro mają w
przybliżeniu taką samą masę (proton jest nieco mniejszy) i mają ten sam moment pędu lub spin.

Jądro jest utrzymywane razem przez silną siłę , jedną z czterech podstawowych sił w przyrodzie. Ta siła między protonami i neutronami pokonuje odpychającą siłę elektryczną, która w przeciwnym razie rozpychałaby protony, zgodnie z zasadami elektryczności. Niektóre jądra atomowe są niestabilne, ponieważ siła wiązania zmienia się dla różnych atomów w zależności od wielkości jądra. Atomy te rozpadają się następnie na inne pierwiastki, takie jak węgiel-14 rozpadający się na azot-14. 

Protony

Protony to dodatnio naładowane cząstki znajdujące się w jądrach atomowych. Rutherford odkrył je w eksperymentach z kineskopami, które przeprowadzono w latach 1911-1919. Protony mają około 99,86% masy neutronów(otwiera się w nowej karcie)według Laboratorium Jeffersona. 
Liczba protonów w atomie jest unikalna dla każdego pierwiastka. 
Na przykład atomy węgla mają sześć protonów, atomy wodoru mają jeden, a atomy tlenu mają osiem. Liczba protonów w atomie jest określana jako liczba atomowa tego pierwiastka. Liczba protonów określa również zachowanie chemiczne pierwiastka. Pierwiastki są ułożone w układzie okresowym pierwiastków w kolejności rosnącej liczby atomowej.

Na każdy proton składają się trzy kwarki — dwa kwarki „górne” (każdy o ładunku dodatnim w dwóch trzecich) i jeden kwark „dolny” (o ładunku ujemnym w jednej trzeciej) — i są one utrzymywane razem przez inne cząstki subatomowe zwane gluonami, które są bezmasowe.

Elektrony

Elektrony są maleńkie w porównaniu z protonami i neutronami, ponad 1800 razy mniejsze niż proton lub neutron. Według Jefferson Lab elektrony mają około 0,054% masy neutronów. 

Według Science History Institute Joseph John (JJ) Thomson, brytyjski fizyk, odkrył elektron w 1897 roku(otwiera się w nowej karcie). Pierwotnie znane jako „cząsteczki”, elektrony mają ładunek ujemny i są przyciągane elektrycznie do dodatnio naładowanych protonów. Elektrony otaczają jądro atomowe ścieżkami zwanymi orbitalami. 
Pomysł ten został wysunięty przez austriackiego fizyka Erwina Schrödingera w latach dwudziestych XX wieku. Dziś ten model jest znany jako model
kwantowy lub model chmury elektronowej. Wewnętrzne orbitale otaczające atom są kuliste, ale orbitale zewnętrzne są znacznie bardziej skomplikowane.
Konfiguracja elektronowa atomu odnosi się do rozmieszczenia elektronów w typowym atomie. 
Korzystając z konfiguracji elektronów i zasad fizyki, chemicy mogą przewidzieć właściwości atomu, takie jak stabilność, temperatura wrzenia i przewodnictwo, zgodnie z Los Alamos National Laboratory(otwiera się w nowej karcie).

Neutrony

Istnienie neutronów zostało wysunięte przez Rutherforda w 1920 roku i odkryte przez Chadwicka w 1932 roku, według Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego(otwiera się w nowej karcie). Neutrony znaleziono podczas eksperymentów, kiedy atomy były wystrzeliwane w cienką warstwę berylu . 
Uwolniły się cząstki subatomowe pozbawione ładunku — neutron.

Neutrony to nienaładowane cząstki znajdujące się we wszystkich jądrach atomowych (z wyjątkiem wodoru). Masa neutronu jest nieco większa niż protonu. Podobnie jak protony, neutrony również składają się z kwarków — jednego „górnego” (o dodatnim ładunku 2/3) i dwóch „dolnych” (każdy o ujemnym ładunku jednej trzeciej). 

Historia atomu 

Teoria atomu pochodzi co najmniej z 440 rpne od Demokryta, greckiego naukowca i filozofa. Według Andrew G. Van Melsena, autora książki „From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom: The History of the Concept Atom” (Duquesne University Press, 1952) Demokryt najprawdopodobniej zbudował swoją teorię atomów na podstawie prac dawnych filozofów. 

Wyjaśnienie atomu przez Demokryta zaczyna się od kamienia. Kamień przecięty na pół daje dwie połówki tego samego kamienia. Gdyby kamień był cięty w sposób ciągły, w pewnym momencie istniałby kawałek kamienia na tyle mały, że nie można go było już ciąć. Termin „atom” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego niepodzielność, co do którego Demokryt stwierdził, że musi to być punkt, w którym byt (jakakolwiek forma materii) nie może być już podzielony, zgodnie z edukacyjną stroną internetową Lumen Learning(otwiera się w nowej karcie). 

Jego wyjaśnienie obejmowało idee, że atomy istnieją niezależnie od siebie, że istnieje nieskończona ilość atomów, że atomy mogą się poruszać, że mogą łączyć się ze sobą, tworząc materię, ale nie łączą się, tworząc nowy atom, oraz że nie można podzielić, według  Universe Today (otwiera się w nowej karcie). Ponieważ jednak większość ówczesnych filozofów — zwłaszcza bardzo wpływowy Arystoteles — wierzyła, że ​​cała materia została stworzona z ziemi, powietrza, ognia i wody, teoria atomowa Demokryta została odrzucona.

John Dalton, brytyjski chemik, oparł się na pomysłach Demokryta w 1803 roku, kiedy przedstawił własną teorię atomową, według wydziału chemii na  Purdue University (otwiera się w nowej karcie). Teoria Daltona zawierała kilka pomysłów Demokryta, takich jak atomy są niepodzielne i niezniszczalne oraz że różne atomy tworzą razem całą materię. Dodatki Daltona do teorii obejmowały następujące idee: że wszystkie atomy pewnego pierwiastka są identyczne, że atomy jednego pierwiastka będą miały inną masę i właściwości niż atomy innego pierwiastka, że ​​atomy nie mogą być stworzone ani zniszczone oraz że materia jest tworzona przez atomy łączące się w proste liczby całkowite.

Thomson, brytyjski fizyk, który odkrył elektron w 1897 roku, udowodnił, że atomy można podzielić, według Fundacji Dziedzictwa Chemicznego(otwiera się w nowej karcie). Był w stanie ustalić istnienie elektronów, badając właściwości wyładowania elektrycznego w lampach katodowych. Zgodnie z artykułem Thomsona z 1897 r., promienie były odchylane w rurze, co dowodziło, że w rurze próżniowej było coś, co było naładowane ujemnie. 

W 1899 roku Thomson opublikował opis swojej wersji atomu, powszechnie znanej jako „model puddingu śliwkowego”. Fragment tego artykułu znajduje się na  Chem Team (otwiera się w nowej karcie)strona. Model atomu Thomsona obejmował dużą liczbę elektronów zawieszonych w czymś, co wytwarzało ładunek dodatni, nadając atomowi ogólny ładunek neutralny. Jego model przypominał pudding śliwkowy, popularny brytyjski deser z rodzynkami zawieszonymi w okrągłej kuli przypominającej ciasto.

Kolejnym naukowcem, który dalej modyfikował i rozwijał model atomowy, był Rutherford, który studiował pod kierunkiem Thomsona, według wydziału chemii na Purdue University. W 1911 Rutherford opublikował swoją wersję atomu, która obejmowała dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. Model ten powstał, gdy Rutherford i jego asystenci wystrzelili cząstki alfa w cienkie arkusze złota. Cząstka alfa(otwiera się w nowej karcie)składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, wszystkich utrzymywanych razem przez tę samą silną siłę jądrową, która wiąże jądro, zgodnie z Jefferson Lab. 

Naukowcy zauważyli, że niewielki procent cząstek alfa został rozproszony pod bardzo dużymi kątami w stosunku do pierwotnego kierunku ruchu, podczas gdy większość przeszła przez nie prawie bez zakłóceń. Rutherford był w stanie przybliżyć rozmiar jądra atomu złota, stwierdzając, że jest ono co najmniej 10 000 razy mniejsze niż rozmiar całego atomu, przy czym większość atomu to pusta przestrzeń. Model atomu Rutherforda jest nadal podstawowym modelem używanym dzisiaj. 

Kilku innych naukowców rozwinęło model atomowy, w tym Niels Bohr(otwiera się w nowej karcie)(zbudowany na modelu Rutherforda w celu uwzględnienia właściwości elektronów opartych na widmie wodoru), Erwin Schrödinger (opracował kwantowy model atomu), Werner Heisenberg (stwierdził, że nie można jednocześnie znać położenia i prędkości elektronu) i Murray Gell-Mann i George Zweig (niezależnie opracowali teorię, że protony i neutrony składają się z kwarków).