Atom

Atom
Znázornění struktury atomuhelia.Elektronový obal,sestávající zorbitalu1s, je zobrazen černě, přičemž odstín vyjadřujehustotu pravděpodobnosti(integrovanou podél přímky pohledu). Oblastatomového jádraje vyznačena růžově; jeho zvětšenina, na které jsou červeně zobrazenyprotonya fialověneutrony,je však jen schematická. Ve skutečnosti je i jádro helia (a vlnové funkce jednotlivých nukleonů) kulově symetrické.
Obecné vlastnosti
Klasifikace	Nejmenší částicechemického prvku
Fyzikální vlastnosti
Klidová hmotnost	≈ 1,67×10−27až 4,52×10−25kg
Elektrický náboj	0 (atom má vždy stejný počet protonů a elektronů, v jiném případě se nejedná o atom, nýbrž oion)C

Atom(zřeckéhoἄτομος,átomos–nedělitelný) je nejmenšíčásticeběžnéhmoty,částice, kterou užchemickýmiprostředky dále nelze dělit (ovšemfyzikálnímiano – viz např.jaderná reakce) a která definuje vlastnosti danéhochemického prvku.Atom se skládá zatomového jádraobsahujícíhoprotonyaneutronyaobaluobsahujícíhoelektrony.

Historický vývoj atomové teorie

Rutherfordův model atomu

První představy o atomu pocházejí zantického Řecka,ve kterém v5. století př. n. l.Démokritospředstavilfilozofickouteorii –atomismus,podle které nelzehmotudělit do nekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovematomos(ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit. Navíc se objevuje i myšlenka existence prázdného prostoru, kterým se mohou atomy pohybovat.

Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku19. stoletíJohn Dalton,podle kterého se každýchemický prvekskládá ze stejných atomů zvláštního typu, které nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). Na základě této teorie byl schopen vysvětlit některé otevřené otázky tehdejší chemie, např. proč přichemických reakcíchreagují vždy jednoduché poměry množství příslušných látek (vizzákon násobných poměrů slučovacích).

Thomsonův (pudinkový) model atomu

Související informace naleznete také v článkuThomsonův model atomu.

Teorii o nedělitelných atomech (přesněji částicích, které atomy nazval Dalton) však v roce1897vyvrátilJ. J. Thomson,který při studiukatodového zářeníobjevilelektron— tedy prvnísubatomární částici.Na základě tohoto objevu vytvořil tzv.Thomsonův model atomu(téžpudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladněnabitouhmotou, ve které jsou (jakorozinkyvpudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.

Rutherfordův (planetární) model atomu

Související informace naleznete také v článkuRutherfordův model atomu.

Thomsonův model překonal na začátku20. stoletíErnest Rutherford,který analýzou experimentůGeigeraaMarsdenadokázal, že většina hmoty s kladným nábojem je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu.To ho vedlo kRutherfordově modelu,podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutnéhojádra,kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jakoplanetyobíhajíSlunce(proto se tento model nazývá téžplanetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomuvodíkuje nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazýváproton.V roce1932pakJames Chadwickobjevilneutron,který se v jádře nachází spolu s protony.

Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílatelektromagnetické záření,čímž by ztráceloenergiia ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader.

Bohrův-Sommerfeldův model atomu

Bohrův model atomu

Související informace naleznete také v článkuBohrův model atomu.

Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až novákvantová teorie,podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích,kvantech.V roce1913vytvořilNiels Bohrpodle této teorieBohrův model atomu.Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených kruhových drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit “z jednéenergetické hladinydo jiné.

Bohrův model byl navrženad hoc,byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomovýchspektrech.V některých ohledech však stále selhával (např. vysvětlení štěpeníspektrálních čar). Bohrův model je stále založen naklasické fyzice,na rozdíl od planetárního modelu však doplnil některépostuláty,kterými se pokusil odstranit rozpory planetárního modelu. Jedná se tedy o soubor uměle definovaných fenomenologických tvrzení, o kterém byl samotný Bohr přesvědčen, že nemůže být konečným vysvětlením. Bohrovy postuláty však byly jedním z podstatných podnětů, které iniciovaly vznik kvantové teorie — nového teoretického základu, ze kterého postuláty přirozeně vyplývají.

Arnold Sommerfelddoplnil Bohrův model o vybrané eliptické dráhy oběhu elektronů a přidal příslušné postuláty. Umožnil tak dílčí vysvětlení pro rozštěpení některých spektrálních linií a některé změny spekter v magnetickém poli.

Kvantověmechanický model atomu

Moderníkvantověmechanickýmodel atomuvznikl na základěde Brogliehoteorie částicových vln a následnéSchrödingerovypráce, v níž představil tzv.Schrödingerovu rovnici,podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jakohmotný bod,ale jakovlnová funkcedefinujícípravděpodobnostivýskytu elektronu v různých místech prostoru. Spolu sHeisenbergovými relacemi neurčitostito znamená, že mechanistické eliptické dráhy Bohrova-Sommerfeldova modelu byly opuštěny a nahrazeny neostře definovanými oblastmi, ve kterých se elektron s určitoupravděpodobnostínalézá, tzv.orbitaly.

Model založený na Schrödingerově kvantové mechanice dokázal vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné (např. pravděpodobnosti přechodů a tedy intenzity spektrálních čar). Některé jevy v jemné struktuře spekter se však pomocí něho vysvětlit nepodařilo.

K přesnějšímu vystižení vlastností atomového obalu je potřeba relativistická kvantová mechanika. Chování elektronů tak lépe popisujerelativistickáDiracova rovnice,ze které přirozeně vyplývají i korekce k Schrödingerovu modelu, mající původ v relativistické změněhmotnostia v interakcispinůelektronů (přesněji jejich magnetických polí) ve víceelektronových atomových obalech. PodobněKleinova–Gordonova rovnicepopisuje vlastnosti exotickýchmezoatomů,jejichž atomový obal je tvořený mezony (zpravidla zápornépiony).

Složení atomu

Související informace naleznete také v článcíchatomové jádroaelektronový obal.

Přestože podle jména je atom „nedělitelný “, ve skutečnosti jej lze rozložit na menší složky, někdy označované jakosubatomární částice:

• elektronyjsou záporně nabité částice, které se nacházejí vatomovém obalu,ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitýiont(vizionizace);
• ve středu atomu jeatomové jádroobsahující tzv.nukleony(jádro zabírá jen nepatrnou část atomu, ale tvoří naprostou většinu jeho hmotnosti):
  • protonyjsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát hmotnější než elektrony,
  • neutronyjsou elektricky neutrální částice, jen o trochu hmotnější než protony.

Elektrony jsou k atomovému jádru vázányelektromagnetickou silouzprostředkovávanoufotony.Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázányjadernou silouzprostředkovanougluony.

Samotné protony a neutrony se ještě skládají zkvarků.

Druhy atomů

Různé atomy se liší svým složením: počtem jednotlivých částic. Atomy různých prvků se liší svýmatomovým číslem,které vyjadřuje počet protonů v jádře (např. atom se šesti protony je atomemuhlíku;počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře). Atomy jednoho prvku se mohou lišit počtem neutronů v jádře (tzv.nukleonovým číslem), čímž tvoří různéizotopy(např. atom s šesti protony a osmi neutrony je izotopuhlík 14,¹⁴C). Pokud se z elektricky neutrálního atomu vyjme elektron (nebo se naopak do něj vloží), vznikne nabitýiont.

Je známo asi 256 druhů atomů (nuklidů), které jsou stabilní, a mnoho dalších, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně seradioaktivně rozpadají.

Exotické druhy

Podrobnější informace naleznete v článkuExotické atomy.

V atomovém jádře může být nukleon nahrazenhyperonem,zpravidla hyperonem Λ. Jedná se pak o atom shyperjádrem.

Elektron v atomovém obalu může být nahrazenmionem(nebo lehčím záporně nabitýmmezonem,např.pionem). Takový atom se pak nazývá mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k větší hmotnosti jeklasický Bohrův poloměrmioatomu mnohem menší, mion je vázán těsněji a je vysoká pravděpodobnost záchytu mionu jádrem (obdoba záchytu elektronu uradioaktivní přeměny beta). Atomové orbitaly mezoatomů se liší nejen kvůli odlišné hmotnosti, ale také tím, že k popisu kvantověmechanického chování mezonu v obalu je nutno použítKleinovu–Gordonovu rovnici(na rozdíl odDiracovy rovnice pro elektron). Také jádro (proton u atomu lehkého vodíku) může být také nahrazeno antimionem nebo kladně nabitým mezonem – v r. 2016 tak např. byla prokázána existence exotických atomů složených z pionu a kaonu (jak K⁺π⁻tak π⁺K⁻).

Někdy bývá za exotický atom považováno i tzv.pozitronium,vázaná soustavapozitronua elektronu, amionium,název nesystematicky používaný jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve všech těchto případech kladně nabitý antilepton nahrazuje klasické atomové jádro.

Mohou existovat i vázané soustavy atomového jádra aantiprotonu,nahrazujícího elektron v obalu. Takové soustavy se nazývají baryonové atomy. V r. 1991 bylo objeveno antiprotonové hélium (atomové jádro hélia s „obalem “tvořeným antiprotonem a elektronem), v r. 2006 pak byla prokázána produkce protonia čili antiprotonového vodíku, vázané soustavy protonu a antiprotonu.V případě antiprotonového hélia, jakéhosi hybridu mezi atomem a molekulou, se používá též název atomkule. Za relativní stabilitu dvou jeho konfigurací může koordinace kvantového chování antiprotonu a elektronu v jeho obalu.

Všechny exotické atomy jsou nestabilní.

Atomy a molekuly

Vplynech,kapalinácha některýchpevných látkáchjsou atomychemickými vazbamivázány domolekul.V jiných pevných látkách jsou atomy vázány přímo bez tvorby molekul. Tak vznikajíkrystalickélátky; zvláštním případem jsoumolekulární krystaly.

Silové působení v atomu

Protože je atom složen z částic, je pro jeho stabilitu důležitá vyváženost sil, které v něm působí:

• Gravitační sílapůsobící mezi všemi formami hmoty je v atomech zanedbatelná. Je to nejen z důvodu, že subatomární částice mají velkou hybnost, ale především proto, že gravitace je ze všechinterakcínejslabší. Například mezi protonem a elektronem vzdáleným 10⁻¹⁰m (poloměr atomu) působí gravitační síla 10⁻⁴⁷N, zatímco síla mezi dvěma protony (či neutrony) vzdálenými 10⁻¹⁵m (poloměr jádra atomu) působí gravitační síla 10⁻³⁴N.
• Elektromagnetická sílaje síla nekonečného dosahu, která působí pouze na částice s elektrickým nábojem. V běžném atomu to jsou elektron a proton, zatímco neutron je elektricky neutrální. Přitažlivá elektromagnetická síla mezi záporně nabitým elektronem a kladně nabitým protonem je tedy síla, která drží elektrony v elektronovém obalu a brání jim, aby atom opustily a to silou řádu 10⁻⁸N. Na druhou stranu mezi samotnými protony působí odpudivá elektromagnetická síla, a to v řádu 100 N.
• Silná jaderná sílaje přitažlivá síla, která působí mezi všemikvarkyagluonyaž do vzdálenosti 10⁻¹⁵m. V atomu jsou z kvarků složeny proton a neutron. Silná síla je tedy zodpovědná za to, že protony a neutrony drží pohromadě a vytváří atomové jádro a především, že drží pohromadě protony, které se vzájemně elektricky odpuzují.
• Slabá jaderná sílaje síla působící mezi všemifermionyaž do vzdálenosti 10⁻¹⁸m. V běžném atomu jsou všechny částice fermiony, protože mají spin 1/2.

Z toho vyplývá, že za interakce v atomovém obalu (elektrony v poli jádra, elektrony navzájem, přechody mezi energetickými stavy) je zodpovědná elektromagnetická interakce.

V atomovém jádře se významně projevuje silná interakce (drží jádro pohromadě, je zodpovědná za radioaktivní přeměnu alfa), ale i slabá interakce (zodpovědná za radioaktivní přeměnu beta) a elektromagnetická interakce (snižuje vazbovou energii jádra, zodpovědná za přechody mezi energetickými stavy jádra – radioaktivitu gama).

Výzkum atomů

Nemožnost vizualizace atomů viditelným světlem

Vizualizacimakroskopickýchobjektů lze bezproblémově provést opticky, tedy pomocí viditelného světla. Tehdy lze proces vizualizace popsat následovně: Světlo putuje ze zdroje záření na objekt od nějž se odrazí (nebo je světlo pohlceno a následně vyzářeno) a pokračuje do měřícího přístroje, např.mikroskopu.Makroskopické objekty jsou díky své hmotnosti ovlivněny světelným tokem pouze nepatrně a vliv měření se zpravidla zanedbává.

Problém nastává u mikroskopických objektů, jako jsou atomy, kde vliv měření zanedbat nelze. Maximální přesnost měření je dánaprincipem neurčitosti,$\triangle x\triangle p\geq \hbar /2$.Vyplývá z něj, že polohu atomu nemůžeme změřit naprosto přesně, takže obraz bude vždy rozostřen a toto omezení nelze nijak obejít. Dále z něj vyplývá, že čím menší rozostření$\triangle x$chceme, tím větší hybnost světlo musí mít. Protože ale hovoříme o rozostření menším než velikost atomu, tedy v řádu$\triangle x\approx 10^{-10}\,{\mbox{m}}$,tak hybnost fotonů musí být v řádu$\triangle p\approx 10^{-24}\,{\mbox{kgms}}^{-1}$,neboli minimální frekvence použitelného světla je$\nu \approx 10^{18}\,{\mbox{Hz}}$.Nejvyšší frekvence viditelnéhosvětlaje ale řádu$10^{14}\,{\mbox{Hz}}$a tedyviditelným světlem není možné atomy pozorovat.Zpětný výpočet ukazuje, že viditelným světlem je možné pozorovat pouze objekty, které jsou alespoň 10000krát větší než je atom. Toto omezení je platné pro všechny optické mikroskopy bez ohledu na jejich konstrukci.

Zařízení pro vizualizaci atomů

Aby se daly atomy vizualizovat, je nutné místo viditelného světla použít něco jiného nebo použít úplně jiný způsob vizualizace. Mezi základní zařízení pro vizualizaci atomů patří:

• Elektronový mikroskop– Namísto viditelného světla (fotonů) používá elektrony a namísto optických čoček používá elektromagnetické čočky. Použití elektronů umožňuje kvantová mechanika, podle níž mají všechny částice, a tedy i elektron, vlnovou povahu (korpuskulárně-vlnový dualismus). Výhoda elektronového mikroskopu je jeho mnohostrannost.
• Řádkovací tunelový mikroskop– Pro zobrazení povrchu využívátunelový jev.Ostrý hrot se pohybuje těsně nad povrchem zkoumaného vzorku. Tunelový jev umožňuje přechod proudu (elektronů) z povrchu na hrot i když se hrot povrchu „nedotýká “. Mikroskop v dané poloze hrotu$[x,y,0]$z velikosti procházejícího proudu určí vzdálenost mezi hrotem a povrchem a tedy výšku povrchu (z-ovou souřadnici). Na základě zmapování vzdáleností hrotu a povrchu v mnoha bodech roviny v níž se hrot pohybuje, vytvoří mikroskop obraz reliéfu zkoumaného povrchu. Nevýhodou tunelovacího mikroskopu je, že se dá použít pouze pro vizualizaci vodivých povrchů.
• AFM mikroskop– Pro zobrazení povrchu využívá atomárních sil atomů povrchu zkoumaného vzorku. Ostrý hrot připevněný na ohebném nosníku se pohybuje po povrchu vzorku. Atomární síly povrchových atomů působí na hrot a ohýbají nosník. Mikroskop sledováním ohybu nosníku v dané poloze$[x,y]$určí polohu hrotu a tedy i výšku povrchu. K vizualizaci reliéfu celého povrchu je potřeba hrotem zmapovat celý povrch. Výhoda AFM je, že se dá použít i pro vizualizaci nevodivých povrchů.

Manipulace s atomy

S jednotlivými atomy se poprvé podařilo manipulovat v roce1989Donaldu EiglerovizIBM,který ze 35 atomůxenonuvytvořil nápis „IBM “. Pro manipulaci s atomy použilřádkovací tunelový mikroskoppři velmi nízkých teplotách a vultravysokém vakuu.

Manipulace s jednotlivými atomy je velmi důležitá pro budoucí rozvojnanotechnologie,oboru, který na úrovni atomů a molekul pomáhá vytvářet materiály speciálních vlastností, např. materiály s vysokou pevností.

Literatura

• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993ISBN80-85427-38-9

Související články

• Kvantová fyzika
• Chemie

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématuatomnaWikimedia Commons
• GalerieatomnaWikimedia Commons
• Slovníkové hesloatomve Wikislovníku
• Encyklopedické hesloAtomvOttově slovníku naučnémve Wikizdrojích

Autoritní data	NKC:ph170602 PSH:3613 BNF:cb11930986h(data) GND:4003412-4 LCCN:sh85009333 NDL:00562368 NLI:987007295878505171 TDVİA:zerre

Portály:Fyzika|Chemie