Atomi so osnovne enote materije in opredeljujoča struktura elementov. Izraz "atom" izvira iz grške besede za nedeljivo, saj je nekoč veljalo, da so atomi najmanjše stvari v vesolju in jih ni mogoče deliti. Zdaj vemo, da so atomi sestavljeni iz treh delcev: protonov, nevtronov in elektronov - ki so sestavljeni iz še manjših delcev, kot so kvarki.
Atomi so nastali po velikem udaru pred 13,7 milijarde let. Ko se je vroče, gosto novo vesolje ohlajalo, so postali pogoji primerni za nastanek kvarkov in elektronov. Kvarki so združili in tvorili protone in nevtrone, ti delci pa so se združili v jedra. Po mnenju CERN-a se je to zgodilo v prvih minutah obstoja vesolja.
380.000 let je trajalo, da se je vesolje dovolj ohladilo, da so upočasnili elektrone, tako da so jih jedra lahko zajela in oblikovala prve atome. Najstarejši atomi so bili predvsem vodik in helij, ki sta še vedno najbolj obilna elementa v vesolju, poroča Jefferson Lab. Gravitacija je sčasoma povzročila, da se oblaki plina strdijo in tvorijo zvezde, težji atomi pa so bili (in še vedno so) ustvarjeni znotraj zvezd in poslani po vesolju, ko je zvezda eksplodirala (supernova).
Atomski delci
Protoni in nevtroni so težji od elektronov in prebivajo v jedru v središču atoma. Elektroni so izredno lahki in obstajajo v oblaku, ki kroži okoli jedra. Oblak elektronov ima polmer 10.000-krat večji od jedra, poroča Nacionalni laboratorij v Los Alamosu.
Protoni in nevtroni imajo približno enako maso. Vendar je en proton približno 1835-krat bolj masiven kot elektron. Atomi imajo vedno enako število protonov in elektronov, običajno je enako tudi število protonov in nevtronov. Dodajanje protona atomu naredi nov element, medtem ko dodajanje nevtrona naredi izotop ali težjo različico tega atoma.
Jedro
Jedro je leta 1911 odkril Ernest Rutherford, fizik z Nove Zelandije. Rutherford je leta 1920 za pozitivno nabiti delce atoma predlagal ime proton. Prav tako je teoretiziral, da je znotraj jedra nevtralen delček, kar je leta 1932 lahko potrdil James Chadwick, britanski fizik in študent Rutherforda.
Po podatkih kemije LibreTexts skoraj vso jedro atoma prebiva v njegovem jedru. Protoni in nevtroni, ki sestavljajo jedro, so približno enake mase (protona je nekoliko manj) in imajo enak kotni zagon oziroma zavoj.
Jedro drži močna sila, ena od štirih osnovnih sil v naravi. Ta sila med protoni in nevtroni premaga odbojno električno silo, ki bi sicer potisnila protone narazen, po pravilih električne energije. Nekatera atomska jedra so nestabilna, ker se vezna sila spreminja za različne atome glede na velikost jedra. Ti atomi bodo nato razpadli v druge elemente, kot je ogljik-14, ki propada v dušik-14.
Protoni
Protoni so pozitivno nabiti delci, ki jih najdemo znotraj atomskih jeder. Rutherford jih je odkril v poskusih s katodnimi cevmi, ki so jih izvajali med letoma 1911 in 1919. Protoni so približno 99,86% masivni kot nevtroni.
Število protonov v atomu je edinstveno za vsak element. Na primer, ogljikovi atomi imajo šest protonov, vodikovi atomi enega, kisikovi atomi pa osem. Število protonov v atomu se imenuje atomska številka tega elementa. Število protonov določa tudi kemijsko obnašanje elementa. Elementi so razporejeni v periodični tabeli elementov po zaporedju naraščanja atomskega števila.
Tri kvarke sestavljajo vsak proton - dva "up" kvarka (vsak z dvema tretjinama pozitivnega naboja) in en "down" kvark (z eno tretjino negativnega naboja) - in jih združujejo drugi subatomski delci, imenovani gluoni, ki so množične.
Elektroni
Elektroni so v primerjavi s protoni in nevtroni drobni, več kot 1800-krat manjši od protona ali nevtrona. Kot navaja Jefferson Lab, so elektroni približno 0,054% masivni kot nevtroni.
Joseph John (J. J.) Thomson, britanski fizik, je odkril elektron leta 1897, je navedel Inštitut Science History. Prvotno znani kot "teleski", imajo elektroni negativen naboj in jih električno privlačijo pozitivno nabiti protoni. Elektroni obkrožajo atomsko jedro v poteh, imenovanih orbitale, ideja, ki jo je v 20-ih letih prejšnjega stoletja predstavil avstrijski fizik Erwin Schrödinger. Danes je ta model znan kot kvantni model ali model elektronskega oblaka. Notranja orbitala, ki obdaja atom, je sferična, zunanje orbite pa so veliko bolj zapletene.
Elektronska konfiguracija atoma se nanaša na lokacije elektronov v značilnem atomu. S pomočjo elektronske konfiguracije in fizikalnih načel lahko kemiki predvidijo lastnosti atoma, kot so stabilnost, vrelišče in prevodnost, poroča Nacionalni laboratorij v Los Alamosu.
Nevtroni
Obstoj nevtronov je teoretiziral Rutherford leta 1920, odkril pa ga je Chadwick leta 1932, poroča Ameriško fizično društvo. Med poskusi, ko so atome streljali na tanko pločevino berilija, so bili najdeni nevtroni. Sprostili so se subatomski delci brez naboja - nevtroni.
Nevtroni so nepolnjeni delci, ki jih najdemo v vseh atomskih jedrih (razen vodika). Masa nevtrona je nekoliko večja kot masa protona. Tako kot protoni so tudi nevtroni sestavljeni iz kvarkov - en "gor" kvark (s pozitivnim nabojem 2/3) in dva kvarka "navzdol" (vsak z negativno tretjino naboja).
Zgodovina atoma
Teorija atoma sega vsaj v leto 440 B.C. do Demokrita, grškega znanstvenika in filozofa. Po mnenju Andrewa G. Van Melsena, avtorja "Od Atomosa do Atoma: Zgodovina koncepta Atoma" (Duquesne University Press, 1952), je Demokrit najverjetneje gradil svojo teorijo atomov.
Democritusova razlaga atoma se začne s kamnom. Kamn, prerezan na pol, daje dve polovici istega kamna. Če bi kamen neprestano rezali, bi v nekem trenutku kos kamna bil dovolj majhen, da ga ne bi bilo več mogoče rezati. Izraz "atom" izvira iz grške besede za nedeljivo, za katero je Demokrit zaključil, da mora biti neko bitje (kakršna koli oblika materije) več nerazdeljeno.
Njegova razlaga je vključevala ideje, da atomi obstajajo ločeno drug od drugega, da obstaja neskončna količina atomov, da se atomi lahko premikajo, da se lahko kombinirajo skupaj, da ustvarijo materijo, vendar se ne združijo in postanejo nov atom, in da Po Universe Today ni mogoče razdeliti. Ker pa je večina takratnih filozofov - zlasti zelo vpliven Aristotel - verjela, da je vsa materija ustvarjena iz zemlje, zraka, ognja in vode, je Demokritova atomska teorija odpravila.
John Dalton, britanski kemik, je leta 1803, ko je predstavil svojo atomsko teorijo, utemeljil Democritove ideje, ko je predstavil svojo lastno atomsko teorijo. Daltonova teorija je vključevala več idej Demokrita, na primer, da so atomi nedeljivi in neuničljivi in da se različni atomi tvorijo skupaj, da ustvarijo vso snov. Daltonovi dodatki k teoriji so vključevali naslednje ideje: Da so vsi atomi določenega elementa enaki, da bodo atomi enega elementa drugačne teže in lastnosti kot atomi drugega elementa, da atomov ni mogoče ustvariti ali uničiti in to snov tvori atomi, ki se združujejo v preprostih celih številih.
Thomson, britanski fizik, ki je leta 1897 odkril elektrone, je dokazal, da je atome mogoče deliti, poroča kemijska fundacija za dediščino. Z obiskom lastnosti električnega razelektritve v katodnih ceveh je lahko ugotovil obstoj elektronov. Po Thomsonovem dokumentu iz leta 1897 so se žarki odbijali znotraj cevi, kar je dokazalo, da je znotraj vakuumske cevi nekaj negativnega naboja. Leta 1899 je Thomson objavil opis svoje različice atoma, splošno znane kot "model slivovega pudinga". Odlomek tega prispevka najdete na spletnem mestu Chem Team. Thomson-ov model atoma je vključeval veliko število elektronov, suspendiranih v nečem, kar je ustvarilo pozitiven naboj, ki daje atomu cel nevtralen naboj. Njegov model je bil podoben slivovemu pudingu, priljubljeni britanski sladici, na kateri so bile rozine suspendirane v okrogli kroglici, podobni torti.
Naslednji znanstvenik, ki je še dodatno spremenil in napredoval atomski model, je bil Rutherford, ki se je šolal pri Thomsonu, poročajo na oddelku za kemijo na univerzi Purdue. Leta 1911 je Rutherford objavil svojo različico atoma, ki je vsebovala pozitivno nabito jedro, obkroženo z elektroni. Ta model je nastal, ko so Rutherford in njegovi pomočniki izstrelili alfa delce na tanke liste zlata. Del alfa je sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov, ki ju držita ista močna jedrska sila, ki veže jedro, poroča Jefferson-ov laboratorij.
Znanstveniki so opazili, da se je majhen odstotek alfa delcev razpršil pod zelo velikimi koti glede na prvotno smer gibanja, medtem ko je večina prešla desno skozi komaj moteče. Rutherford je znal približati velikost jedra zlatega atoma in ugotovil je, da je vsaj 10.000 krat manjši od velikosti celotnega atoma, pri čemer je velik del atoma prazen. Rutherfordov model atoma je še vedno osnovni model, ki se uporablja danes.
Več drugih znanstvenikov je podprlo atomski model, med njimi Niels Bohr (zgrajen po Rutherfordovem modelu, ki vključuje lastnosti elektronov, ki temeljijo na vodikovem spektru), Erwin Schrödinger (razvil kvantni model atoma), Werner Heisenberg (izjavil, da ne moremo poznati obeh položaj in hitrost elektrona hkrati) ter Murray Gell-Mann in George Zweig (neodvisno sta razvila teorijo, da so protoni in nevtroni sestavljeni iz kvarkov).
