Atom

Podatomski delci

Glavni članek: Podatomski delec.

Včasih so veljali atomi za nedeljive, zdaj pa vemo, da jih sestavljajo elektroni, protoni in nevtroni.

Elektron je z 6971911000000000000♠911×10⁻³¹ kg daleč najlažji delec, ima negativen naboj in premajhen premer, da bi ga lahko izmerili z zdaj znanimi tehnikami.^[3] Do odkritja mase nevtrina je bil najlažji delec s pozitivno mirovno maso, ki so ga izmerili. V običajnih okoliščinah so elektroni vezani na pozitivno nabito jedro s privlakom, ki je posledica nasprotnega električnega naboja. Če ima atom več ali manj elektronov kot je njegovo atomsko število, postane kot celota negativno ali pozitivno nabit; nabitemu atomu pravimo ion.

Protoni imajo pozitiven naboj in maso, 1836-krat večjo od elektrona (6977167260000000000♠16726×10⁻²⁷ kg). Število protonov v atomu označujemo z njegovim atomskim številom. Protone poznamo od začetka 20. stoletja, ko je Ernest Rutherford odkril, da dušik, obstreljevan z delci alfa izvrže delec, po lastnostih enak jedru vodika. V objavi leta 1920 je jedro vodika opredelil kot podatomski delec in ga poimenoval proton.

Nevtroni so brez električnega naboja in imajo maso 6977167490000000000♠16749×10⁻²⁷ kg ali 1.839-kratno maso elektrona.^[4][5] S tem so najmasivnejši od treh podatomskih delcev, toda vezavna energija jedra lahko njihovo maso zmanjša. Nevtroni in protoni, ki jim skupaj pravimo nukleoni, imajo podobne mere, približno 6986250000000000000♠25×10⁻¹⁵ m (čeprav "površine" teh delcev ni mogoče natančno definirati).^[6] Nevtron je odkril angleški fizik James Chadwick leta 1932.

V standardnem modelu fizike so elektroni pravi osnovni delci brez notranje zgradbe, protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz osnovnih delcev kvarkov. V atomih sta dva tipa kvarkov, ki imata vsak del električnega naboja. Protoni so sestavljeni iz dveh kvarkov Gor (vsak z nabojem +2/3) in enega kvarka Dol (z nabojem -1/3). Nevtroni so sestavljeni iz enega kvarka Gor in dveh kvarkov Dol. To pojasni razliko v masi in naboju obeh delcev.^[7][8]

Kvarke drži skupaj močna jedrska sila oz. močna interakcija, ki jo posredujejo gluoni. Protone in nevtrone pa drži skupaj ostanek močne jedrske sile, ki ima največji vpliv na kratki razdalji znotraj jedra. Gluon spada v družino umeritvenih bozonov, ki so nosilci osnovnih sil.^[7][8]

Jedro

Glavni članek: Atomsko jedro.

Vsi vezani protoni in nevtroni v atomu tvorijo drobno jedro, imenujemo jih s skupnim imenom nukleoni. Premer jedra znaša približno ${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$  femtometra, kjer je ${\displaystyle A}$ skupno število nukleonov.^[9] To je precej manj od premera atoma, ki je v velikostnem razredu 10⁵ fm. Nukleone veže skupaj potencial s kratkim dosegom, ki mu pravimo ostanek močne jedrske sile. Na razdaljah, manjših od 2,5 fm, je ta sila mnogo močnejša od elektrostatske sile, zaradi katere se pozitivno nabiti protoni odbijajo med seboj.^[10]

Atomi istega elementa imajo enako število protonov, ki mu pravimo atomsko število. Znotraj elementa se lahko spreminja število nevtronov, kar razlikuje izotope tega elementa. Vsota števila protonov in nevtronov določa nuklid. Razmerje med številoma nevtronov in protonov določa stabilnost jedra; nekateri izotopi so zaradi nestabilnosti podvrženi radioaktivnemu razpadu.^[11]

Proton, elektron in nevtron spadajo v skupino fermionov. Fermioni ubogajo Paulijevo izključitveno načelo, ki preprečuje nerazločljivim fermionom hkrati zasedati enako kvantno stanje. To pomeni, da mora imeti vsak proton v jedru drugačno kvantno stanje od ostalih protonov, to velja tudi za nevtrone v jedru in elektrone v elektronskem oblaku.^[12]

Jedro z neenakomernim številom protonov in nevtronov lahko z radioaktivnim razpadom preide v nižje energetsko stanje, v katerem se števili protonov in nevtronov bolj ujemata. Posledično so atomi z enakim številom obeh delcev odpornejši proti razpadu, pri čemer pa s povečevanjem atomskega števila medsebojni odboj protonov narašča delež nevtronov, ki omogočajo ohranitev stabilnosti jedra.^[12]

Število protonov in nevtronov v jedru je možno spremeniti, kar pa zaradi močne jedrske sile zahteva zelo veliko energije. Do jedrske fuzije pride, ko se več atomskih delcev združi v težje jedro, to se zgodi denimo pri visokoenergetskem trku jeder. V jedru Sonca se denimo protona združita pri vnosu energije 3 to 10 keV, kar je dovolj, da presežeta medsebojni odboj in se zlijeta v eno jedro.^[13] Obraten proces je jedrska cepitev, ob kateri se jedro razdeli v dve lažji, običajno z radioaktivnim razpadom. Jedro je možno spremeniti tudi z obstreljevanjem z visokoenergetskimi podatomskimi delci ali fotoni, ki izbijajo nukleone. Če se med obstreljevanjem spremeni število protonov, nastane drug kemični element.^[14][15]

Če je masa jedra po fuziji manjša od vsote mas ločenih delcev, se lahko razlika odda v obliki uporabne energije, na primer žarka gama ali kinetične energije delca beta. Ta pojav opisuje Einsteinova enačba ekvivalence masa-energija (${\displaystyle E=mc^{2}}$ ), kjer je ${\displaystyle m}$ izguba mase in ${\displaystyle c}$ hitrost svetlobe. Ta primanjkljaj je del vezavne energije novega jedra.^[16]

Fuzija jeder, s katero nastanejo večja jedra z nižjim atomskim številom od železa in niklja—okrog 60 nukleonov—je običajno eksotermna, torej odda več energije kot je je potrebne za zlivanje.^[17] Zaradi tega je fuzija v zvezdah verižna reakcija. V težjih jedrih se vezavna energija na nukleon v jedru zmanjšuje, kar pomeni, da je fuzija, pri kateri nastanejo jedra z atomskim številom približno 26 ali več in atomsko maso približno 60 ali več, endotermna. Taka jedra ne morejo nastajati v reakcijah, s kakršnimi se vzdržuje hidrostatično ravnovesje zvezde.^[12]

Elektronski oblak

Glavni članek: Orbitala.

Elektrone v atomu privlačijo protoni z elektromagnetno silo. Ta veže elektrone znotraj elektrostatične potencialne jame, ki obkroža drobno jedro. Elektron lahko ubeži le s pritokom energije od zunaj. Bližje jedra kot je elektron, večja je privlačna sila in s tem tudi energija, potrebna za ubeg.

Tako kot drugi delci imajo elektroni hkrati lastnosti delca in valovanja. Elektronski oblak je območje znotraj potencialne jame, kjer vsak elektron tvori nekakšen tridimenzionalen stoječ val—valovno obliko, ki se ne premika v odnosu do jedra. Ta pojav opisuje atomska orbitala, matematična funkcija, ki določa verjetnost, da se bo elektron navidez nahajal na določeni lokaciji, ko ga izmerimo.^[18] Obstaja le določna diskretna (kvantizirana) množica teh orbital okrog jedra, vse ostale možne valovne oblike se hitro spremenijo v stabilnejšo obliko.^[19] Orbitale imajo lahko enega ali več prstanov ali vozlov, med seboj se razlikujejo po velikosti, obliki in orientaciji.^[20]

Vsaka orbitala ustreza energetskemu nivoju elektrona. Elektron lahko preide na višji nivo tako, da absorbira foton z dovoljšnjo energijo. S spontano emisijo lahko v nasprotni smeri preide tudi na nižji nivo, pri tem pa odda razliko v energiji kot foton. Razlike v energiji, ki odgovarjajo razlikam v energiji kvantnih stanj, so značilne za določen atom; opazujemo jih lahko kot spektralne črte.^[19]

Ionizacijska energija je energija, ki je potrebna za dodajanje ali odvzem elektrona, mnogo manjša je od vezavne energije nukleonov. Za izbitje elektrona v stacionarnem stanju vodikovega atome je potrebno le 13,6 eV energije, mnogo manj kot 2.23 milijona eV za razcep jedra devterij.^[21] Atomi so električno nevtralni, če imajo enako število protonov in elektronov, sicer so pozitivno ali negativno nabiti ioni. Elektroni, ki so najdlje od jedra, lahko prehajajo med sosednjimi atomi ali si jih sosednji atomi delijo. Na ta način se tvorijo kemične vezi in nastajajo molekule ali podobne spojine, kot so ionske ali kovalentne kristalne mreže.^[22]

Lastnosti jedra

Atome najprej razvrščamo po lastnostih jedra, glavna je število protonov ali vrstno število – po definiciji pripadata katerakoli dva atoma z enakim številom protonov istemu kemičnemu elementu. Atomi z enakim številom protonov in različnim številom nevtronov pa so izotopi istega elementa. Za primer, vsi vodikovi atomi imajo natanko en proton, obstajajo pa izotopi brez nevtronov (vodik-1 ali protij, ki je daleč najpogostejši^[23]), enim nevtronom (devterij), dvema nevtronoma (tritij) ali več. Vsi znani elementi tvorijo množico z naraščajočimi vrstnimi števili od enoprotonskega vodika do oganesona s 118 protoni.^[24] Vsi znani izotopi elementov z vrstnimi števili nad 82 so radioaktivni, čeprav je radioaktivnost bizmuta (83) praktično zanemarljiva.^[25][26]

V naravi se na Zemlji pojavlja približno 339 različnih nuklidov,^[27] od katerih 252 (približno 74 %) ni podvrženih spontanemu razpadu, zato jih imenujemo stabilni izotopi. Teoretično je takih le 90, razpada nadaljnjih 162 pa le nikoli nismo zaznali, čeprav je energetsko to možno. Vsi so formalno opredeljeni kot »stabilni«. Še nadaljnjih 34 radioaktivnih nuklidov ima razpolovni čas daljši od 100 milijonov let in so dovolj stabilni, da so prisotni že vse od nastanka Osončja. Skupaj z 252 stabilnimi izotopi jih imenujemo prvobitni nuklidi. Preostalih 53 neobstojnih nuklidov se pojavlja v naravi kot produkt razpada primordialnih nuklidov (na primer radij iz urana) ali kot produkt visokoenergetskih pojavov, kot je obstreljevanje s kozmičnimi žarki (tako nastane denimo ogljik-14).^[28]

80 elementov ima vsaj po en stabilen izotop. Praviloma imajo elementi le peščico stabilnih izotopov, povprečje je 3,2. 26 elementov ima en sam stabilen izotop, največ – 10 – pa jih ima kositer. Elementi tehnecij (43), prometij (61) in vsi nad 83 nimajo stabilnih izotopov.^[29]:1–12

Stabilnost izotopov je odvisna od medsebojnega deleža protonov in nevtronov, pa tudi obstoja določenih »magičnih števil« nevtronov ali protonov, ki predstavljajo zaprte ali izpolnjene kvantne ovojnice. Te ovojnice ustrezajo energetskim nivojem v modelu jedrnih ovojnic; napolnjene ovojnice, kot je polna ovojnica 50 protonov kositra, daje nenavadno stabilnost nuklidu. Od 252 znanih stabilnih nuklidov imajo le štirje liho število protonov in hkrati liho štedvilo nevtronov: vodik-2 (devterij), litij-6, bor-10 in dušik-14. Dodatni štirje lihi-lihi radioaktivni nuklidi, ki se pojavljajo v naravi, imajo razpolovni čas več kot milijardo let: to so kalij-40, vanadij-50, lantan-138 in tantal-180m. Večina lihih-lihih jeder je zelo nestabilnih in podvrženih razpadu beta, kar pripisujemo dejstvu, da so produkti razpada sodi-sodi in zato močneje povezani .^[30]

Masa

Glavni članek: Masno število.

Veliko večino mase atoma prispevajo protoni in nevtroni jedra. Skupno število teh delcev (nukleonov) v atomu je masno število. Masno število je pozitivno celo število brez enote. Z njim opisujemo nukleone, na primer »ogljik-12« za izotop ogljika, ki ima šest protonov in šest nevtronov.

Dejansko mirovno maso atoma pogosto izražamo z enotami atomske mase (dalton, Da). Ta enota je definirana kot dvanajstina mase prostega nevtralnega atoma ogljik-12, ki znaša približno 6975166000000000000♠166×10⁻²⁷ kg.^[31] Najlažji nuklid, vodik-1, ima atomsko maso 7000100782500000000♠1,007825 Da.^[32] Atom ima atomsko maso približno enako (razlika manj kot 1 %) mastnemu številu krat atomsko masno število. Za primer, masa dušika-14 je približno 14 Da, le ogljik-12 ima po definiciji maso točno 12 Da.^[33] Najtežji stabilni atom je svinec-208^[25] z maso 7002207976652100000♠207,9766521 Da.^[34]

Celo najtežji atomi so mnogo prelahki, da bi jih bilo praktično opisovati neposredno, zato v kemiji namesto tega uporabljajo mole. Mol atomov elementa ima določeno število atomov (približno 7023602200000000000♠6,022×10²³). Definicija mola povezuje enoto atomske mase (u) in kilogram: en mol elementa z atomsko maso 1 u ima maso približno 1 gram (0,001 kg). Po definiciji enote atomske mase ima atom ogljika-12 atomsko maso natanko 12 Da, torej mol atomov ogljika-12 tehta natanko 0,012 kg.^[31]

Prvi so o zgradbi snovi razmišljali že stari Grki. Raznovrstne snovi, ki jih srečujemo v vsakdanjem življenju, so sestavljene iz posamičnih atomov, ki jih je vsega nekaj deset različnih vrst. Obstoj takšnih delcev so prvi predlagali v 6. stoletju pr. n. št. grški filozofi (Demokrit, Levkip in Epikur), vendar je predlog utonil v pozabo, dokler ga ni v 18. stoletju oživil Bošković, zares pa je zaživel, ko je John Dalton predlagal njegovo uporabo v kemiji.

Bošković je svojo teorijo zasnoval na Newtonovi mehaniki in jo leta 1758 objavil pod naslovom Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium. V njegovi teoriji so atomi točke brez notranje zgradbe, ki med seboj delujejo z odbojnimi in privlačnimi silami, odvisno od razdalje. Dalton je s teorijo o atomih pojasnil, zakaj se plini vedno spajajo v celoštevilčnih deležih. Šele Amedeo Avogadro pa je v 19. stoletju začel pravilno razlikovati med atomi in molekulami.

Prvi model atoma je postavil Joseph John Thomson, ki je odkril, da atomi niso nedeljivi, marveč so sestavljeni iz manjših delcev (elektronov). Dandanes lahko atome tudi eksperimentalno opazujemo. Elektroni se ne gibljejo po tirnicah,ampak si jih predstavljamo kot elektronski oblak,ki zapolnjuje prostor okoli jedra.

• Andrew G. van Melsen (2004) [1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Prevod: Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.

Poglejte si besedo atom ali Atom v Wikislovarju, prostem slovarju.

Wikimedijina zbirka ponuja več predstavnostnega gradiva o temi: Atom.

• Sharp, Tim (8. avgust 2017). »What is an Atom?«. Live Science. Pridobljeno 13. aprila 2018.
• »Hitchhikers Guide to the Universe, Atoms and Atomic Structure«. h2g2. BBC. 3. januar 2006. Pridobljeno 13. aprila 2018.