Atom — osnovna enota snovi: sestava, lastnosti in pomen v kemiji

Beseda "atom" izhaja iz grške (ἀτόμος) "atomos", nedeljiv, iz (ἀ)-, ne, in τόμος, rez. Prva zgodovinska omemba besede atom izvira iz del grškega filozofa Demokrita okoli leta 400 pred našim štetjem. Atomska teorija je do razvoja kemije v petdesetih letih 16. stoletja ostala večinoma filozofska tema, ki je ni bilo veliko znanstvenih raziskav ali študij.

Leta 1777 je francoski kemik Antoine Lavoisier prvič opredelil pojem element. Dejal je, da je element vsaka osnovna snov, ki je s kemijskimi metodami ni mogoče razgraditi v druge snovi. Vsaka snov, ki se lahko razgradi, je bila spojina.

Angleški filozof John Dalton je leta 1803 predlagal, da so elementi majhne, trdne kroglice, sestavljene iz atomov. Dalton je menil, da imajo vsi atomi istega elementa enako maso. Trdil je, da spojine nastanejo, ko se združijo atomi več kot enega elementa. Po Daltonovem mnenju se v določeni spojini atomi elementov te spojine vedno združujejo na enak način.

Leta 1827 je britanski znanstvenik Robert Brown pod mikroskopom opazoval pelodna zrna v vodi. Zdelo se je, da se pelodna zrna tresejo. Brown je uporabil Daltonovo atomsko teorijo, da bi opisal vzorce v njihovem gibanju. To se je imenovalo Brownovo gibanje. Leta 1905 je Albert Einstein s pomočjo matematike dokazal, da so na videz naključna gibanja posledica reakcij atomov, s čimer je dokončno dokazal obstoj atoma. Leta 1869 je ruski znanstvenik Dmitrij Mendelejev objavil prvo različico periodnega sistema. V periodnem sistemu so elementi razvrščeni po atomskem številu (koliko protonov imajo. To je običajno enako številu elektronov). Elementi v istem stolpcu ali periodi imajo običajno podobne lastnosti. Na primer helij, neon, argon, kripton in ksenon so v istem stolpcu in imajo zelo podobne lastnosti. Vsi ti elementi so plini brez barve in vonja. Prav tako se ne morejo združevati z drugimi atomi v spojine. Skupaj jih imenujemo žlahtni plini.

Fizik J. J. Thomson je prvi odkril elektrone. To se je zgodilo leta 1897, ko je delal s katodnimi žarki. Ugotovil je, da imajo negativni naboj, za razliko od protonov (pozitivni) in nevtronov (brez naboja). Thomson je ustvaril model slivovega pudinga, po katerem je atom podoben slivovemu pudingu: posušeno sadje (elektroni) je ujeto v maso pudinga (protoni). Leta 1909 je znanstvenik Ernest Rutherford z Geiger-Marsdenovim poskusom dokazal, da je večina atoma v zelo majhnem prostoru, imenovanem atomsko jedro. Rutherford je vzel fotografsko ploščo in jo prekril z zlato folijo, nato pa vanjo izstrelil delce alfa (sestavljene iz dveh protonov in dveh nevtronov, zlepljenih skupaj). Veliko delcev je šlo skozi zlato folijo, kar je dokazalo, da so atomi večinoma prazen prostor. Elektroni so tako majhni, da predstavljajo le 1 % mase atoma.

Leta 1913 je Niels Bohr predstavil Bohrov model. Ta model je pokazal, da elektroni potujejo okoli jedra po fiksnih krožnih orbitah. Ta model je bil natančnejši od Rutherfordovega modela. Vendar še vedno ni bil povsem pravilen. Od prve predstavitve Bohrovega modela so bile narejene izboljšave tega modela.

Leta 1925 je kemik Frederick Soddy ugotovil, da imajo nekateri elementi v periodnem sistemu več kot eno vrsto atoma. Na primer, vsak atom z dvema protonoma bi moral biti helijev atom. Jedro helija običajno vsebuje tudi dva nevtrona. Vendar imajo nekateri helijevi atomi le en nevtron. To pomeni, da so res helij, saj je element opredeljen s številom protonov, vendar tudi niso običajni helij. Soddy je takšen atom z drugačnim številom nevtronov imenoval izotop. Da bi dobili ime izotopa, pogledamo, koliko protonov in nevtronov ima v svojem jedru, in to dodamo imenu elementa. Tako se helijev atom z dvema protonoma in enim nevtronom imenuje helij-3, ogljikov atom s šestimi protoni in šestimi nevtroni pa ogljik-12. Vendar pa Soddy pri razvijanju svoje teorije ni mogel biti prepričan, da nevtroni dejansko obstajajo. Da bi dokazal, da so resnični, je fizik James Chadwick z ekipo drugih izdelal masni spektrometer. Masni spektrometer dejansko meri maso in težo posameznih atomov. S tem je Chadwick dokazal, da morajo nevtroni obstajati, če želimo pojasniti celotno maso atoma.

Leta 1937 je nemški kemik Otto Hahn kot prvi v laboratoriju izvedel jedrsko cepitev. To je odkril po naključju, ko je streljal nevtrone v atom urana v upanju, da bo ustvaril nov izotop. Vendar je opazil, da se je uran namesto v nov izotop preprosto spremenil v atom barija, ki je manjši od urana. Očitno je Hahn "zlomil" atom urana. To je bila prva zabeležena jedrska cepitvena reakcija na svetu. To odkritje je sčasoma pripeljalo do izdelave atomske bombe.

V 20. stoletju so se fiziki poglabljali v skrivnosti atoma. S pospeševalniki delcev so odkrili, da so protoni in nevtroni pravzaprav sestavljeni iz drugih delcev, imenovanih kvarki.

Najnatančnejši model doslej izhaja iz Schrödingerjeve enačbe. Schrödinger je ugotovil, da elektroni obstajajo v oblaku okoli jedra, imenovanem elektronski oblak. V elektronskem oblaku je nemogoče natančno vedeti, kje so elektroni. Schrödingerjeva enačba se uporablja za ugotavljanje, kje se bo elektron verjetno nahajal. To območje se imenuje elektronova orbital.

Deli

Kompleksni atom je sestavljen iz treh glavnih delcev: protona, nevtrona in elektrona. Izotop vodika Vodik-1 nima nevtronov, le en proton in en elektron. Pozitivni vodikov ion nima elektronov, le en proton in en nevtron. Ta dva primera sta edini znani izjemi od pravila, da imajo vsi drugi atomi vsaj po en proton, en nevtron in en elektron.

Elektroni so daleč najmanjši od treh atomskih delcev, njihova masa in velikost sta premajhni, da bi jih lahko izmerili s sedanjo tehnologijo. Imajo negativni naboj. Protoni in nevtroni so si po velikosti in masi podobni, protoni so pozitivno nabiti, nevtroni pa so brez naboja. Večina atomov ima nevtralni naboj; ker je število protonov (pozitivnih) in elektronov (negativnih) enako, se naboji izravnajo na nič. Pri ionih (različno število elektronov) pa ni vedno tako in imajo lahko pozitiven ali negativen naboj. Protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov, in sicer dveh vrst: kvarkov navzgor in kvarkov navzdol. Proton je sestavljen iz dveh kvarkov gor in enega kvarka dol, nevtron pa iz dveh kvarkov dol in enega kvarka gor.

Jedro

Jedro je v sredini atoma. Sestavljeno je iz protonov in nevtronov. V naravi se stvari z enakim nabojem običajno odbijajo ali odrivajo druga od druge. Zato je bilo za znanstvenike dolgo skrivnost, kako pozitivno nabiti protoni v jedru ostanejo skupaj. To so rešili z odkritjem delca, imenovanega gluon. Njegovo ime izhaja iz besede lepilo, saj gluoni delujejo kot atomsko lepilo in z močno jedrsko silo držijo protone skupaj. Ta sila drži skupaj tudi kvarke, ki sestavljajo protone in nevtrone.

Število nevtronov v razmerju do protonov določa, ali je jedro stabilno ali radioaktivno razpada. Kadar je nevtronov ali protonov preveč, atom poskuša izenačiti njihovo število tako, da se znebi dodatnih delcev. To stori z oddajanjem sevanja v obliki razpada alfa, beta ali gama. Jedra se lahko spreminjajo tudi na druge načine. Pri jedrski cepitvi se jedro razcepi na dve manjši jedri, pri čemer se sprosti veliko nakopičene energije. Zaradi tega sproščanja energije je jedrska cepitev uporabna za izdelavo bomb in električne energije v obliki jedrske energije. Drugi način spreminjanja jeder je jedrska fuzija, ko se dve jedri združita ali zlijeta v težje jedro. Ta proces zahteva izjemno veliko energije, da se premaga elektrostatični odboj med protonoma, ki imata enak naboj. Tako visoke energije so najpogostejše v zvezdah, kot je naše Sonce, ki za gorivo zlivajo vodik.

Elektroni

Elektroni krožijo ali potujejo okoli jedra. Imenujemo jih elektronski oblak atoma. K jedru jih privlači elektromagnetnasila. Elektroni imajo negativni naboj, jedro pa ima vedno pozitivni naboj, zato se medsebojno privlačijo. Okoli jedra so nekateri elektroni bolj oddaljeni od drugih, v različnih plasteh. Te plasti imenujemo elektronske lupine. V večini atomov ima prva lupina dva elektrona, vse naslednje pa jih imajo osem. Izjeme so redke, vendar se dogajajo in jih je težko predvideti. Bolj ko je elektron oddaljen od jedra, šibkejši je vpliv jedra nanj. Zato večji atomi z več elektroni lažje reagirajo z drugimi atomi. Elektromagnetizem jedra ni dovolj močan, da bi zadržal njihove elektrone, zato atomi izgubljajo elektrone zaradi močne privlačnosti manjših atomov.

Nekateri elementi in številni izotopi imajo tako imenovano nestabilno jedro. To pomeni, da je jedro bodisi preveliko, da bi se obdržalo skupaj, bodisi ima preveč protonov ali nevtronov. Kadar se to zgodi, se mora jedro znebiti odvečne mase ali delcev. To stori s sevanjem. Atom, ki to počne, lahko imenujemo radioaktivni. Nestabilni atomi so radioaktivni, dokler ne izgubijo dovolj mase/delcev, da postanejo stabilni. Vsi atomi nad atomskim številom 82 (82 protonov, svinec) so radioaktivni.

Poznamo tri glavne vrste radioaktivnega razpada: alfa, beta in gama.

• Pri razpadu alfa atom izstreli delec z dvema protonoma in dvema nevtronoma. To je v bistvu helijevo jedro. Rezultat je element z atomskim številom, ki je za dva manjše od prejšnjega. Tako bi na primer atom berilija (atomsko število 4) ob alfa razpadu postal helij (atomsko število 2). Do razpada alfa pride, kadar je atom prevelik in se mora znebiti nekaj mase.
• Beta razpad je, ko se nevtron spremeni v proton ali proton v nevtron. V prvem primeru atom izstreli elektron. V drugem primeru je to pozitron (kot elektron, vendar s pozitivnim nabojem). Končni rezultat je element z enim atomskim številom več ali manj kot prej. Razpad beta se zgodi, kadar ima atom preveč protonov ali preveč nevtronov.
• Razpad gama se zgodi, ko atom izstreli žarek gama ali valovanje. To se zgodi, ko se spremeni energija jedra. Običajno se to zgodi po tem, ko je jedro že prešlo skozi razpad alfa ali beta. Pri tem se masa ali atomsko število atoma ne spremeni, spremeni se le energija, shranjena v jedru.

Vsak radioaktivni element ali izotop ima tako imenovano razpolovno dobo. To je čas, ki je potreben, da polovica vzorca atomov te vrste razpade, dokler ne postane drug stabilen izotop ali element. Veliki atomi ali izotopi z veliko razliko med številom protonov in nevtronov imajo zato dolgo razpolovno dobo, saj morajo izgubiti več nevtronov, da postanejo stabilni.

Marie Curie je odkrila prvo obliko sevanja. Našla je element in ga poimenovala radij. Bila je tudi prva ženska prejemnica Nobelove nagrade.

Frederick Soddy je izvedel poskus, s katerim je opazoval, kaj se zgodi pri razpadu radija. Vzorec je postavil v žarnico in počakal, da je razpadel. Nenadoma se je v žarnici pojavil helij (ki je vseboval 2 protona in 2 nevtrona) in s tem poskusom je odkril, da ima ta vrsta sevanja pozitiven naboj.

James Chadwick je odkril nevtron z opazovanjem razpadnih produktov različnih vrst radioaktivnih izotopov. Chadwick je opazil, da je atomsko število elementov manjše od skupne atomske mase atoma. Sklepal je, da elektroni ne morejo biti vzrok za dodatno maso, saj skoraj nimajo mase.

Enrico Fermi je nevtrone uporabil za streljanje na uran. Odkril je, da uran razpada veliko hitreje kot običajno in da pri tem nastaja veliko delcev alfa in beta. Menil je tudi, da se je uran spremenil v nov element, ki ga je poimenoval hesperij.

Otto Hanh in Fritz Strassmann sta ponovila Fermijev poskus, da bi preverila, ali je novi element hesperij dejansko nastal. Odkrila sta dve novi stvari, ki ju Fermi ni opazil. Z uporabo velike količine nevtronov bi se jedro atoma razcepilo, pri čemer bi nastalo veliko toplotne energije. Prav tako so že odkrili produkte cepitve urana: torij, paladij, radij, radon in svinec.

Fermi je opazil, da se pri cepitvi enega atoma urana izstreli več nevtronov, ki nato cepijo druge atome in tako povzročajo verižne reakcije. Ugotovil je, da se ta proces imenuje jedrska cepitev in da lahko ustvari ogromne količine toplotne energije.

Prav to Fermijevo odkritje je pripeljalo do razvoja prve jedrske bombe s kodnim imenom "Trinity".