Atomit ovat aineen perusyksiköt ja elementtien määrittelevä rakenne. Termi "atomi" tulee kreikkalaisesta sanasta jakamaton, koska ajateltiin kerran, että atomit olivat maailmankaikkeuden pienimpiä asioita eikä niitä voida jakaa. Tiedämme nyt, että atomit koostuvat kolmesta hiukkasesta: protoneista, neutroneista ja elektronista - jotka koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kuten kvarkeista.
Atomit luotiin Ison räjähdyksen jälkeen 13,7 miljardia vuotta sitten. Kun kuuma, tiheä uusi maailmankaikkeus jäähtyi, olosuhteet tulivat sopivia kvarkkien ja elektronien muodostumiseen. Kvarkit tulivat yhteen muodostaen protoneja ja neutroneja, ja nämä hiukkaset yhdistyivät ytimiksi. CERN: n mukaan tämä kaikki tapahtui muutaman minuutin sisällä maailmankaikkeuden olemassaolosta.
Kesti 380 000 vuotta, jotta maailmankaikkeus jäähtyi tarpeeksi hidastamaan elektroneja, jotta ytimet voisivat vangita ne muodostamaan ensimmäiset atomit. Varhaisimmat atomit olivat pääasiassa vetyä ja heliumia, jotka ovat Jefferson Labin mukaan edelleen maailmankaikkeuden runsaimpia elementtejä. Lopulta painovoima aiheutti kaasupilvien yhdistymisen ja tähteiden muodostumisen, ja raskaammat atomit luotiin (ja ovat edelleen) tähtiin ja lähetetään ympäri maailmankaikkeutta, kun tähti räjähti (supernova).
Atomihiukkaset
Protonit ja neutronit ovat raskaampia kuin elektronit ja ne sijaitsevat ytimessä atomin keskellä. Elektronit ovat erittäin kevyitä ja esiintyvät ytimessä kiertävässä pilvessä. Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan elektronipilven säde on 10 000 kertaa suurempi kuin ydin.
Protoneilla ja neutroneilla on suunnilleen sama massa. Yksi protoni on kuitenkin noin 1835 kertaa massiivisempi kuin elektroni. Atomeilla on aina yhtä suuri määrä protoneja ja elektroneja, ja myös protonien ja neutronien lukumäärä on yleensä sama. Protonin lisääminen atomiin tekee uuden elementin, kun taas neutronin lisääminen tekee atomin isotoopin tai raskaamman version.
Tuma
Ydin löysi vuonna 1911 Uuden-Seelannin fyysikko Ernest Rutherford. Vuonna 1920 Rutherford ehdotti nimeä protoni atomin positiivisesti varautuneille hiukkasille. Hän myös teorioi, että ytimessä oli neutraali hiukkanen, jonka brittiläinen fyysikko ja Rutherfordin opiskelija James Chadwick pystyi vahvistamaan vuonna 1932.
Kemian LibreTextin mukaan käytännössä koko atomin massa sijaitsee ytimessä. Ydin muodostavat protonit ja neutronit ovat suunnilleen saman massan (protoni on hiukan vähemmän) ja niillä on sama kulma momentti tai spin.
Ydintä pitää yhdessä vahva voima, yksi luonnon neljästä perusvoimasta. Tämä protonien ja neutronien välinen voima voittaa heijastavan sähkövoiman, joka muuten työntäisi protonit toisistaan sähkön sääntöjen mukaisesti. Jotkut atomitumat ovat epästabiileja, koska sidosvoima vaihtelee eri atomien välillä ytimen koon perusteella. Nämä atomit hajoavat sitten muiksi alkuaineiksi, kuten hiili-14 hajoavat typpeksi-14.
Protoneja
Protonit ovat positiivisesti varautuneita hiukkasia, joita löytyy atomiytimistä. Rutherford löysi ne kokeiluissa katodisäteputkien kanssa, jotka tehtiin vuosina 1911 - 1919. Protonit ovat noin 99,86% yhtä massiivisia kuin neutronit.
Protonien lukumäärä atomissa on ainutlaatuinen jokaiselle elementille. Esimerkiksi hiiliatomeilla on kuusi protonia, vetyatomeilla on yksi ja happiatomeilla on kahdeksan. Protonien lukumäärään atomissa viitataan kyseisen elementin atominumeroksi. Protonien lukumäärä määrää myös elementin kemiallisen käyttäytymisen. Elementit on järjestetty elementtien jaksoittaiseen taulukkoon atomiluvun kasvavan järjestyksen mukaan.
Kolme kvarkkia muodostavat kunkin protonin - kaksi "ylöspäin" kvarkkia (jokaisella on kaksi kolmasosaa positiivista varausta) ja yksi "alas" kvarkkia (yhden kolmasosan negatiivisella varauksella) - ja niitä pitävät yhdessä muut subatomiset hiukkaset, nimeltään gluonit, jotka ovat massattomia.
Elektronit
Elektronit ovat pieniä verrattuna protoneihin ja neutroneihin, yli 1800 kertaa pienemmät kuin joko protoni tai neutroni. Jefferson Labin mukaan elektronit ovat noin 0,054% yhtä massiivisia kuin neutronit.
Brittiläinen fyysikko Joseph John (J.J.) Thomson löysi elektronin vuonna 1897 tiedehistorian instituutin mukaan. Alun perin nimellä "runkokerrat", elektronilla on negatiivinen varaus ja ne houkuttelevat sähköisesti positiivisesti varautuneisiin protoneihin. Elektronit ympäröivät atomin ytimen raiteilla, joita kutsutaan orbitaaleiksi - idean, jonka itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger esitti 1920-luvulla. Tätä mallia kutsutaan nykyään kvantimalliksi tai elektronipilvomalliksi. Atomia ympäröivät sisäorbitaalit ovat pallomaisia, mutta ulommat kiertoradat ovat paljon monimutkaisempia.
Atomin elektronikonfiguraatio viittaa elektronien sijaintiin tyypillisessä atomissa. Käyttämällä elektronikonfiguraatiota ja fysiikan periaatteita, kemistit voivat ennustaa atomin ominaisuuksia, kuten stabiilisuutta, kiehumispistettä ja johtavuutta Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan.
Neutronit
Amerikan fyysisen seuran mukaan Rutherford teorioi neutronin olemassaolon vuonna 1920 ja Chadwick löysi sen vuonna 1932. Neutronit löydettiin kokeiden aikana, kun atomit ammuttiin ohuelle berylliumlevylle. Subatomiset hiukkaset, joissa ei ollut varausta, vapautuivat - neutroni.
Neutronit ovat lataamattomia hiukkasia, joita löytyy kaikista atomeista (paitsi vety). Neutronin massa on hiukan suurempi kuin protonin. Kuten protonit, myös neutroneja valmistetaan kvarkeista - yksi "ylös" kvarkista (positiivisella 2/3 varauksella) ja kahdelta "alas" kvarkista (jokaisella negatiivinen kolmasosa varaus).
Atomin historia
Atomiteoria on peräisin ainakin jo 440 B.C. kreikkalaiselle tiedemiehelle ja filosofille Democritukselle. "Atomosista atomiin: käsite atomin historiasta" (Duquesne University Press, 1952) kirjoittajan Andrew G. Van Melsenin mukaan Demokritus rakensi todennäköisesti atomiteoriansa aiempien filosofien työlle.
Democrituksen selitys atomista alkaa kivillä. Puoliksi leikattu kivi antaa kaksi puolikkaata samaa kiveä. Jos kiveä leikattaisiin jatkuvasti, jossain vaiheessa olisi kivestä pala, joka olisi niin pieni, että sitä ei voitaisi enää leikata. Termi "atomi" tulee kreikkalaisesta sanasta jakamaton, jonka Democritus päätteli, että sen on oltava kohta, jossa olentoa (minkä tahansa tyyppistä ainetta) ei voida enää jakaa.
Hänen selitykseensä sisältyivät ideat, että atomit ovat erillään toisistaan, että atomien joukossa on ääretön määrä, että atomit pystyvät liikkumaan, että ne voivat yhdistyä toisiinsa luodakseen ainetta, mutta eivät sulaudu uudeksi atomiksi, ja että ne ei voida jakaa Universe Today -tapahtuman mukaan. Koska useimmat tuolloin filosofit - etenkin erittäin vaikutusvaltainen Aristoteles - uskoivat, että kaikki aine oli luotu maasta, ilmasta, tulesta ja vedestä, Democrituksen atomiteoria jätettiin syrjään.
John Dalton, brittiläinen kemisti, rakensi Democrituksen ideoihin vuonna 1803, kun hän julkaisi oman atomiteorian Purduen yliopiston kemian laitoksen mukaan. Daltonin teoria sisälsi useita Democrituksen ideoita, kuten atomit ovat jakamattomia ja tuhoutumattomia ja että eri atomit muodostuvat yhdessä kaiken aineen luomiseksi. Daltonin lisäyksiin teoriaan sisältyi seuraavat ideat: Kaikilla tietyn elementin atomilla oli identtisyys, että yhden elementin atomilla on erilaiset painot ja ominaisuudet kuin toisen elementin atomilla, että atomeja ei voida luoda tai tuhota ja että aine muodostuu atomit yhdistyvät yksinkertaisina kokonaislukuina.
Thomson, brittiläinen fyysikko, joka löysi elektronin vuonna 1897, osoitti, että atomit voidaan jakaa kemianperinnön säätiön mukaan. Hän pystyi määrittämään elektronien olemassaolon tutkimalla katodisädeputkien sähköpurkauksen ominaisuuksia. Thomsonin vuoden 1897 paperin mukaan säteet taipuivat putken sisällä, mikä osoitti, että tyhjiöputkessa oli jotain, joka oli negatiivisesti varautunut. Vuonna 1899 Thomson julkaisi kuvauksen atomiversiostaan, joka tunnetaan yleisesti nimellä "luumu vanukas malli". Ote tästä paperista löytyy Chem-tiimin sivustolta. Thomsonin atomimalli sisälsi suuren määrän elektroneja, jotka oli suspendoitu johonkin, joka tuotti positiivisen varauksen, joka antoi atomille yleisen neutraalin varauksen. Hänen malli muistutti luumu vanukas, suosittu brittiläinen jälkiruoka, jossa rusinat oli suspendoitu pyöreään kakkumaiseen palloon.
Seuraava tutkija, joka modifioi ja edisti atomimallia edelleen, oli Rutherford, joka opiskeli Thomsonissa Purduen yliopiston kemian laitoksen mukaan. Vuonna 1911 Rutherford julkaisi versionsa atomista, joka sisälsi positiivisesti varautuneen ytimen, jota elektronit kiertävät. Tämä malli syntyi, kun Rutherford ja hänen avustajansa ampuivat alfahiukkasia ohuille kultalevyille. Jefferson Labin mukaan alfapartikkeli koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, joita kaikki pitävät yhdessä sama voimakas ydinvoima, joka sitoo ytimen.
Tutkijat huomasivat, että pieni osa alfahiukkasista oli hajallaan erittäin suurissa kulmissa alkuperäiseen liikesuuntaan, kun taas suurin osa kulki tuskin häiriintyneenä. Rutherford pystyi arvioimaan kultaatomin ytimen koon, katsoen sen olevan ainakin 10 000 kertaa pienempi kuin koko atomin koko, sillä suuri osa atomista on tyhjää tilaa. Rutherfordin atomimalli on edelleen perusmalli, jota käytetään nykyään.
Useat muut tutkijat pitivät atomimallia, mukaan lukien Niels Bohr (Rutherfordin mallin mukaan rakennettu sisältämään elektronien ominaisuudet vedyn spektriin perustuen), Erwin Schrödinger (kehittänyt atomin kvantimallin), Werner Heisenberg (totesi, että molempia ei voida tietää. elektronin sijainti ja nopeus samanaikaisesti), ja Murray Gell-Mann ja George Zweig (kehittivät itsenäisesti teorian, että protonit ja neutronit koostuivat kvarkeista).
