Шта је Атом? | Ливе Сциенце


Атоми су основне јединице материје и дефинирајућа структура елемената. Израз "атом" потиче од грчке речи за недељиву, јер се некада сматрало да су атоми најмање ствари у универзуму и да их се не може поделити. Сада знамо да се атоми састоје од три честице: протона, неутрона и електрона – које су састављене од још мањих честица, као што су кваркови.

Атоми су створени након Велики прасак Пре 13,7 милијарди година. Како се врући, густи нови универзум хладили, услови су постали погодни за формирање кваркова и електрона. Кваркови су се удружили да би формирали протоне и неутроне, а ове честице комбиноване у језгре. Све се ово одиграло у првих неколико минута постојања универзума ЦЕРН.

Било је потребно 380.000 година да се универзум довољно охлади да би успорио електроне тако да су језгра могла да их ухвате да формирају прве атоме. Најранији атоми су били првенствено водоник и хелијум, који су и даље најзаступљенији елементи у свемиру Јефферсон Лаб. Гравитација је на крају узроковала да се облаци гаса сакупљају и формирају звезде, а тежи атоми су (и још увек постоје) створени унутар звезда и послати у свемир када је звезда експлодирала (супернова).

Атомске честице

Протони и неутрони су тежи од електрона и налазе се у језгру у центру атома. Електрони су екстремно лагани и постоје у облаку који орбитира око језгра. Облак електрона има радијус 10.000 пута већи од језгра, наводи се Лос Аламос Натионал Лаборатори.

Протони и неутрони имају приближно исту масу. Међутим, један протон је око 1.835 пута масивнији од електрона. Атоми увек имају једнак број протона и електрона, а обично је и број протона и неутрона. Додавање протона атому чини нови елемент, док додавање неутрона чини изотоп или тежу верзију тог атома.

Језгро

Једро је 1911. године открио Ернест Рутхерфорд, физичар са Новог Зеланда. 1920. Рутхерфорд је предложио име протона за позитивно наелектрисане честице атома. Такође је теоретизирао да у језгру постоји неутрална честица, што је Јамес Цхадвицк, британски физичар и студент Рутхерфорда, могао да потврди 1932. године.

Скоро сва маса атома налази се у његовом језгру, према Цхемистри ЛибреТектс. Протони и неутрони који чине језгро су приближно исте масе (протона је нешто мање) и имају исти угаони замах, односно центрифугу.

Језгро држи заједно јака сила, једна од четири основне силе у природи. Ова сила између протона и неутрона надвладава одбојну електричну силу која би иначе гурнула протоне у складу са правилима електричне енергије. Нека атомска језгра су нестабилна јер сила везивања варира за различите атоме у зависности од величине језгре. Ти ће се атоми распадати у друге елементе, као што је угљен-14 који пропада у азот-14.

Ево једноставног цртежа структуре атома.

(Кредитна слика: Схуттерстоцк)

Протони

Протони су позитивно наелектрисане честице које се налазе у атомским језграма. Рутхерфорд их је открио у експериментима са катодним цеви које су спроведене између 1911. и 1919. Протони су око 99,86% масивни као и неутрони.

Број протона у атому јединствен је за сваки елемент. На пример, угљеник атоми имају шест протона, водоник атоми имају један и кисеоник атома има осам. Број протона у атому назива се атомски број тог елемента. Број протона такође одређује хемијско понашање елемента. Елементи су распоређени у Периодична табела елемената у циљу повећања атомског броја.

Три кварка чине сваки протон – два „горе“ кварка (сваки са две трећине позитивног набоја) и један „доњи“ кварк (са трећином негативног набоја) – и држе их заједно са другим субатомским честицама званим глуони, који су без маси.

Електрони

Електрони су сићушни у поређењу с протонима и неутронима, преко 1.800 пута мањим од протона или неутрона. Према, електрони су око 0.054% масивни као и неутрони Јефферсон Лаб.

Џозеф Џон (Ј. Ј.) Тхомсон, британски физичар, открио је електрон 1897. године Институт за историју науке. Првобитно познати као "трупли", електрони имају негативан набој и електрично их привлаче позитивно наелектрисани протони. Електрони окружују атомско језгро на путовима званим орбитале, што је идеја коју је изнио Ервин Сцхродингер, аустријски физичар, 1920-их. Данас је овај модел познат као квантни модел или модел електронског облака. Унутрашње орбитале око атома су сферичне, али спољне су много сложеније.

Конфигурација електрона атома односи се на локације електрона у типичном атому. Користећи конфигурацију електрона и принципе физике, хемичари могу предвидјети својства атома, као што су стабилност, тачка кључања и проводљивост, у складу са Лос Аламос Натионал Лаборатори.

Неутронс

Постојање неутрона теоретизовао је Рутхерфорд 1920. године, а открио Цхадвицк 1932. године, према Америчко физичко друштво. Неутрони су пронађени током експеримената када су атоми стрељани на танком листу берилијум. Ослобођене су субатомске честице без набоја – неутрон.

Неутрони су неиспрањене честице које се налазе у свим атомским језграма (осим водоника). Маса неутрона је нешто већа од масе протона. Као и протони, неутрони су такође направљени од кваркова – један "горе" кварк (са позитивним наелектрисањем од 2/3) и два кварка "доле" (сваки са негативном трећином набоја).

Историја атома

Теорија о атому датира бар још од 440 Б.Ц. до Демокрита, грчког научника и филозофа. Демокрит је највероватније своју теорију о атомима градио на делу прошлих филозофа, према Андреу Г. Ван Мелсену, аутору књиге "Од Атомаса до Атома: Историја концепта Атома" (Дукуесне Университи Пресс, 1952).

Демоцритусово објашњење атома почиње каменом. Камен пререзан на пола даје две половине истог камена. Ако би се камен непрекидно секао, у неком тренутку би постојао комад камена довољно мали да се више није могао резати. Израз "атом" долази од грчке речи за недељиву, за коју је Демокрит закључио да мора бити тачка у којој се биће (било који облик материје) више не може поделити.

Његово објашњење је укључивало идеје да атоми постоје одвојено један од другог, да постоји бесконачна количина атома, да су атоми у стању да се крећу, да могу да се комбинују како би створили материју, али се не спајају да би постали нови атом и да они према томе се не може поделити Универзум данас. Међутим, с обзиром да је већина филозофа у то време – посебно веома утицајни Аристотел – веровала да је сва материја створена из земље, ваздуха, ватре и воде, Демокритова атомска теорија била стављена на страну.

Џон Далтон, британски хемичар, утемељен на Демоцритусовим идејама 1803. године, када је изнио сопствену атомску теорију, према одсек за хемију на Универзитету Пурдуе. Далтонова теорија укључила је неколико идеја Демокрита, попут атома који су недељиви и неуништива и да се различити атоми формирају заједно да би створили сву материју. Далтонови додаци теорији обухватали су следеће идеје: Да су сви атоми одређеног елемента идентични, да ће атоми једног елемента имати другачију тежину и својства од атома другог елемента, да се атоми не могу створити или уништити и да материју формира атоми који се комбинују у једноставним целим бројевима.

Тхомсон, британски физичар који је открио електрон 1897. године, доказао је да се атоми могу поделити, у складу са Фондација хемијске баштине. Могао је да утврди постојање електрона проучавањем својстава електричног пражњења у катодним цеви. Према Тхомсоновом раду из 1897. године, зраци су били одбијени унутар цеви, што је доказало да у вакуумској цеви постоји нешто што је негативно наелектрисано. 1899. Тхомсон је објавио опис своје верзије атома, обично познате као "модел пудинга од шљиве". Извод овог рада налази се на Цхем Теам сајт. Тхомсон-ов модел атома укључивао је велики број електрона суспендованих у нечему што је произвело позитиван набој дајући атому укупни неутрални набој. Његов модел подсећа на пудинг од шљиве, популарни британски десерт који је имао грожђице суспендоване у округлој кугли налик торти.

Следећи научник који је даље модификовао и унапређивао атомски модел био је Рутхерфорд, који је студирао под Тхомсоном, према одсек за хемију на Универзитету Пурдуе. Рутхерфорд је 1911. објавио своју верзију атома, која је обухватала позитивно набијено језгро које окружују електрони. Овај модел је настао када су Рутхерфорд и његови помоћници испалили алфа-честице на танке листове злата. Ан алфа честица Сачињена је од два протона и два неутрона, а све заједно држи иста снажна нуклеарна сила која веже језгро, према Јефферсон-овој лабораторији.

Научници су приметили да се мали проценат алфа честица распршио под веома великим угловима у односу на првобитни правац кретања, док је већина прошла право кроз тешко поремећене. Рутхерфорд је био у стању да приближи величину језгре атома злата, откривши да је најмање 10.000 пута мања од величине целог атома, а велики део атома је празан. Рутхерфорд-ов модел атома и даље је основни модел који се користи данас.

Неколико других научника подржало је атомски модел, укључујући Ниелс Бохр (изграђен на Рутхерфордовом моделу који укључује својства електрона заснованих на водоничном спектру), Ервин Сцхродингер (развио је квантни модел атома), Вернер Хеисенберг (изјавио да се не може истовремено знати и положај и брзина електрона), и Мурраи Гелл-Манн и Георге Звеиг (независно су развили теорију да се протони и неутрони састоје од кваркова).

Додатна средства:

Овај чланак је ажурирао 10. септембра 2019, сарадник Сциенце Сциенце-а Траци Педерсен.