Atómy sú základné jednotky hmoty a definujúca štruktúra prvkov. Termín „atóm“ pochádza z gréckeho slova pre nedeliteľné, pretože sa kedysi predpokladalo, že atómy sú najmenšie veci vo vesmíre a nedajú sa rozdeliť. Teraz vieme, že atómy pozostávajú z troch častíc: protónov, neutrónov a elektrónov - ktoré sa skladajú z ešte menších častíc, napríklad kvarkov.
Atómy boli vytvorené po Veľkom tresku pred 13,7 miliardami rokov. Keď sa horúci, hustý nový vesmír ochladil, podmienky pre kvarky a elektróny sa stali vhodnými. Kvarky sa spojili a vytvorili protóny a neutróny a tieto častice sa spojili do jadier. Podľa CERN to všetko prebehlo v priebehu niekoľkých prvých minút existencie vesmíru.
Trvalo 380 000 rokov, kým sa vesmír dostatočne ochladil, aby spomalil elektróny, aby ich jadrá mohli zachytiť a vytvoriť prvé atómy. Podľa Jeffersona Laba boli najstaršími atómami primárne vodík a hélium, ktoré sú stále najhojnejšími prvkami vo vesmíre. Gravitácia nakoniec spôsobila zhlukovanie oblakov plynu a vytvorenie hviezd. Ťažšie atómy sa vytvorili (a stále sú) v hviezdach a posielali sa do vesmíru, keď hviezda explodovala (supernova).
Atómové častice
Protóny a neutróny sú ťažšie ako elektróny a sídlia v jadre v strede atómu. Elektróny sú extrémne ľahké a existujú v mraku obiehajúcom jadro. Podľa Národného laboratória v Los Alamos má elektrónový mrak polomer 10 000 krát väčší ako jadro.
Protóny a neutróny majú približne rovnakú hmotnosť. Jeden protón je však asi 1 835-krát masívnejší ako elektrón. Atómy majú vždy rovnaký počet protónov a elektrónov a počet protónov a neutrónov je zvyčajne rovnaký. Pridanie protónu k atómu vytvorí nový prvok, zatiaľ čo pridaním neutrónu sa vytvorí izotop alebo ťažšia verzia tohto atómu.
Jadro
Jadro objavil v roku 1911 fyzik z Nového Zélandu Ernest Rutherford. V roku 1920 navrhol Rutherford názov protón pre pozitívne nabité častice atómu. Tiež teoretizoval, že v jadre je neutrálna častica, ktorú v roku 1932 potvrdil britský fyzik James Chadwick, študent Rutherfordovej.
Podľa Chemistry LibreTexts je v jadre prakticky celá hmota atómu. Protóny a neutróny, ktoré tvoria jadro, majú približne rovnakú hmotnosť (protón je o niečo menší) a majú rovnakú uhlovú hybnosť alebo rotáciu.
Jadro drží pohromade silná sila, jedna zo štyroch základných síl v prírode. Táto sila medzi protónmi a neutrónmi prekonáva odpudivú elektrickú silu, ktorá by inak vytlačila protóny od seba, podľa pravidiel elektrickej energie. Niektoré atómové jadrá sú nestabilné, pretože väzbová sila sa mení pre rôzne atómy v závislosti od veľkosti jadra. Tieto atómy sa potom rozpadnú na ďalšie prvky, napríklad na uhlík-14, ktorý sa rozpadá na dusík-14.
Protóny
Protóny sú pozitívne nabité častice nachádzajúce sa v atómových jadrách. Rutherford ich objavil pri pokusoch s trubicami s katódovým žiarením, ktoré sa uskutočňovali medzi rokmi 1911 a 1919. Protóny sú asi 99,86% rovnako masívne ako neutróny.
Počet protónov v atóme je pre každý prvok jedinečný. Napríklad atómy uhlíka majú šesť protónov, atómy vodíka majú jeden a atómy kyslíka majú osem. Počet protónov v atóme sa označuje ako atómové číslo tohto prvku. Počet protónov tiež určuje chemické správanie sa prvku. Prvky sú usporiadané v periodickej tabuľke prvkov v poradí zvyšovania atómového čísla.
Každý z protónov tvoria tri kvarky - dva kvarky „up“ (každý s kladným nábojom dvoch tretín) a jeden kvark „dole“ (s tretinovým záporným nábojom) - a sú držané pohromade ďalšími subatomickými časticami nazývanými gluóny, ktoré sú bezmasé.
Elektróny
Elektróny sú v porovnaní s protónmi a neutrónmi malé, viac ako 1 800 krát menšie ako protón alebo neutrón. Podľa Jeffersona Laba sú elektróny asi 0,054% rovnako masívne ako neutróny.
Joseph John (J.J.) Thomson, britský fyzik, objavil elektrón v roku 1897 podľa Science History Institute. Elektróny, pôvodne známe ako „telieska“, majú záporný náboj a sú elektricky priťahované k kladne nabitým protónom. Elektróny obklopujú atómové jadro v dráhach nazývaných orbitaly, ideu, ktorú predložil rakúsky fyzik Erwin Schrödinger v 20. rokoch 20. storočia. Dnes je tento model známy ako kvantový model alebo model elektrónového oblaku. Vnútorné orbitaly obklopujúce atóm sú sférické, ale vonkajšie orbitaly sú oveľa komplikovanejšie.
Elektrónová konfigurácia atómu sa týka umiestnenia elektrónov v typickom atóme. Podľa konfigurácie elektrónov a fyzikálnych princípov môžu chemici podľa Národného laboratória Los Alamos predpovedať vlastnosti atómu, ako napríklad stabilitu, teplotu varu a vodivosť.
Neutróny
Neutrónová existencia bola teoretizovaná Rutherfordom v roku 1920 a objavená Chadwickom v roku 1932 podľa Americkej fyzickej spoločnosti. Neutróny sa našli počas experimentov, keď boli atómy zastrelené na tenkú vrstvu berýlia. Uvoľnili sa subatomické častice bez náboja - neutrón.
Neutróny sú nenabité častice nachádzajúce sa vo všetkých atómových jadrách (okrem vodíka). Hmota neutrónov je o niečo väčšia ako hmotnosť protónov. Podobne ako protóny, aj neutróny sú vyrobené z kvarkov - jeden kvark „hore“ (s kladným nábojom 2/3) a dva kvarky „dole“ (každý s negatívnym tretinovým nábojom).
História atómu
Teória atómu siaha najmenej do 440 B. C. demokratovi, gréckemu vedcovi a filozofovi. Demokritus s najväčšou pravdepodobnosťou vybudoval svoju teóriu atómov na základe práce minulých filozofov, podľa Andrewa G. Van Melsena, autora knihy „Od Atomos do Atom: História konceptu Atom“ (Duquesne University Press, 1952).
Demokratove vysvetlenie atómu začína kameňom. Kameň rozrezaný na polovicu dáva dve polovice toho istého kameňa. Keby mal byť kameň súvisle rezaný, v určitom okamihu by existoval kúsok kameňa dostatočne malý na to, aby sa už nemohol rezať. Pojem „atóm“ pochádza z gréckeho slova pre nedeliteľné, ktoré, podľa ktorého Democritus dospel k záveru, musí byť bod, v ktorom už nie je možné bytosť (akúkoľvek formu hmoty) deliť.
Jeho vysvetlenie zahŕňalo myšlienky, že atómy existujú oddelene jeden od druhého, že existuje nekonečné množstvo atómov, že atómy sa dokážu pohybovať, že sa dokážu spojiť, aby vytvorili hmotu, ale nezlučujú sa, aby sa stali novým atómom, a že podľa Universe Today sa nedajú rozdeliť. Pretože však väčšina filozofov v tom čase - najmä veľmi vplyvný Aristoteles - verila, že všetka hmota bola vytvorená zo zeme, vzduchu, ohňa a vody, Demokratova atómová teória bola odložená.
John Dalton, britský chemik, vychádzal z demokratických nápadov v roku 1803, keď predložil svoju vlastnú atómovú teóriu, podľa oddelenia chémie na Purdue University. Daltonova teória zahŕňala niekoľko myšlienok Demokrita, napríklad atómy sú nedeliteľné a nezničiteľné a že rôzne atómy sa tvoria spolu, aby vytvorili všetku hmotu. Daltonove prírastky do teórie zahŕňali nasledujúce myšlienky: že všetky atómy určitého prvku boli identické, že atómy jedného prvku budú mať odlišné hmotnosti a vlastnosti ako atómy iného prvku, že atómy nemôžu byť vytvorené alebo zničené a že hmota je tvorená atómy kombinujúce v jednoduchých celých číslach.
Thomson, britský fyzik, ktorý objavil elektrón v roku 1897, dokázal, že atómy sa dajú rozdeliť podľa agentúry Chemical Heritage Foundation. Dokázal zistiť existenciu elektrónov študovaním vlastností elektrického výboja v katódových trubiciach. Podľa Thomsonovho dokumentu z roku 1897 boli lúče v trubici vychýlené, čo dokázalo, že vo vákuovej trubici bolo niečo negatívne. V roku 1899 Thomson uverejnil opis svojej verzie atómu, bežne nazývaný „slivkový pudingový model“. Výňatok z tohto článku sa nachádza na stránke Chem Team. Thomsonov model atómu obsahoval veľké množstvo elektrónov suspendovaných v niečom, čo vytvára kladný náboj, ktorý dáva atómu celkový neutrálny náboj. Jeho model pripomínal slivkový puding, obľúbený britský dezert, ktorý mal hrozienka zavesené na guľôčkovej gule.
Ďalším vedcom, ktorý ďalej modifikoval a zdokonalil atómový model, bol Rutherford, ktorý študoval pod vedením Thomsona na oddelení chémie na Purdue University. V roku 1911 Rutherford publikoval svoju verziu atómu, ktorá obsahovala pozitívne nabité jadro obiehajúce elektrónmi. Tento model vznikol, keď Rutherford a jeho asistenti vystrelili alfa častice na tenké listy zlata. Podľa Jeffersonovho laboratória je alfa častica tvorená dvoma protónmi a dvoma neutrónmi, ktoré sú všetky držané pohromade rovnakou silnou jadrovou silou, ktorá viaže jadro.
Vedci si všimli, že malé percento alfa častíc bolo rozptýlených vo veľmi veľkých uhloch k pôvodnému smeru pohybu, zatiaľ čo väčšina prešla priamo cez ťažko narušenú. Rutherford dokázal priblížiť veľkosť jadra atómu zlata a zistil, že je najmenej 10 000-krát menší ako veľkosť celého atómu, pričom veľká časť atómu je prázdna. Rutherfordov model atómu je stále základným modelom, ktorý sa dnes používa.
Niekoľko ďalších vedcov podporovalo atómový model, vrátane Nielsa Bohra (postaveného na Rutherfordovom modeli tak, aby zahŕňal vlastnosti elektrónov založených na vodíkovom spektre), Erwina Schrödingera (vyvinutý kvantový model atómu), Wernera Heisenberga (uviedol, že človek nemôže poznať obidva pozícia a rýchlosť elektrónu súčasne) a Murray Gell-Mann a George Zweig (nezávisle vyvinuli teóriu, že protóny a neutróny boli zložené z kvarkov).
