Pojdi na vsebino

Atom

Uredi povezave
Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Helijevatom

Atómje najmanjši delsnovi,ki ga kemijsko ne moremo več razstaviti.Besedaizhaja izstare grščine:starogrškoἄτομος:átomos -nedeljiv,iz a- -ne-+ tomos -rez.[1][2]Atomi so gradnikimolekulin snovi kot take. Atomi se prikemijskih reakcijahohranjajo, že dobrih sto let pa je znano, da v resnici niso nedeljivi, ampak so sestavljeni iz še manjšihdelcev.Velikosti atomov so od 10 do 100pm,v velikostnem razredu, kjer njihovega vedenja zaradikvantnih pojavovni mogoče napovedati z zakoniklasične mehanike.

Atomi se lahko med seboj začasno povezujejo skemičnimi vezmiin tvorijospojine,kot somolekuleinkristali.Ta sposobnost asociacije in disociacije je odgovorna za večino fizičnih sprememb, ki jih lahko opazujemo v naravi.Kemijaje znanstvena veda, ki se ukvarja s preučevanjem teh sprememb.

Zgradba atomov[uredi|uredi kodo]

Podatomski delci[uredi|uredi kodo]

Glavni članek:Podatomski delec.

Včasih so veljali atomi za nedeljive, zdaj pa vemo, da jih sestavljajo elektroni, protoni in nevtroni.

Elektron je z911×10−31kgdaleč najlažji delec, ima negativen naboj in premajhen premer, da bi ga lahko izmerili z zdaj znanimi tehnikami.[3]Do odkritja masenevtrinaje bil najlažji delec s pozitivno mirovno maso, ki so ga izmerili. V običajnih okoliščinah so elektroni vezani na pozitivno nabito jedro s privlakom, ki je posledica nasprotnega električnega naboja. Če ima atom več ali manj elektronov kot je njegovoatomsko število,postane kot celota negativno ali pozitivno nabit; nabitemu atomu pravimoion.

Protoni imajo pozitiven naboj in maso, 1836-krat večjo od elektrona (16726×10−27kg). Število protonov v atomu označujemo z njegovim atomskim številom. Protone poznamo od začetka 20. stoletja, ko jeErnest Rutherfordodkril, dadušik,obstreljevan zdelci alfaizvrže delec, po lastnostih enak jedruvodika.V objavi leta 1920 je jedro vodika opredelil kot podatomski delec in ga poimenoval proton.

Nevtroni so brez električnega naboja in imajo maso16749×10−27kgali 1.839-kratno maso elektrona.[4][5]S tem so najmasivnejši od treh podatomskih delcev, todavezavna energija jedralahko njihovo maso zmanjša. Nevtroni in protoni, ki jim skupaj pravimonukleoni,imajo podobne mere, približno25×10−15m(čeprav "površine" teh delcev ni mogoče natančno definirati).[6]Nevtron je odkril angleški fizikJames Chadwickleta 1932.

Vstandardnem modelufizike so elektroni praviosnovni delcibrez notranje zgradbe, protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz osnovnih delcevkvarkov.V atomih sta dva tipa kvarkov, ki imata vsak del električnega naboja. Protoni so sestavljeni iz dveh kvarkov Gor (vsak z nabojem +2/3) in enega kvarka Dol (z nabojem -1/3). Nevtroni so sestavljeni iz enega kvarka Gor in dveh kvarkov Dol. To pojasni razliko v masi in naboju obeh delcev.[7][8]

Kvarke drži skupajmočna jedrska silaoz. močna interakcija, ki jo posredujejogluoni.Protone in nevtrone pa drži skupaj ostanek močne jedrske sile, ki ima največji vpliv na kratki razdalji znotraj jedra. Gluon spada v družinoumeritvenih bozonov,ki so nosilciosnovnih sil.[7][8]

Jedro[uredi|uredi kodo]

Glavni članek:Atomsko jedro.
Vezavna energija jedra,ki je potrebna, da nukleon uide iz jedra, za različneizotope

Vsi vezani protoni in nevtroni v atomu tvorijo drobno jedro, imenujemo jih s skupnim imenom nukleoni. Premer jedra znaša približnofemtometra,kjer jeskupno število nukleonov.[9]To je precej manj od premera atoma, ki je v velikostnem razredu 105fm. Nukleone veže skupaj potencial s kratkim dosegom, ki mu pravimo ostanek močne jedrske sile. Na razdaljah, manjših od 2,5 fm, je ta sila mnogo močnejša odelektrostatske sile,zaradi katere se pozitivno nabiti protoni odbijajo med seboj.[10]

Atomi istegaelementaimajo enako število protonov, ki mu pravimo atomsko število. Znotraj elementa se lahko spreminja število nevtronov, kar razlikujeizotopetega elementa. Vsota števila protonov in nevtronov določanuklid.Razmerje med številoma nevtronov in protonov določa stabilnost jedra; nekateri izotopi so zaradi nestabilnosti podvrženiradioaktivnemu razpadu.[11]

Proton, elektron in nevtron spadajo v skupinofermionov.Fermioni ubogajoPaulijevo izključitveno načelo,ki preprečujenerazločljivimfermionom hkrati zasedati enako kvantno stanje. To pomeni, da mora imeti vsak proton v jedru drugačno kvantno stanje od ostalih protonov, to velja tudi za nevtrone v jedru in elektrone v elektronskem oblaku.[12]

Jedro z neenakomernim številom protonov in nevtronov lahko z radioaktivnim razpadom preide v nižje energetsko stanje, v katerem se števili protonov in nevtronov bolj ujemata. Posledično so atomi z enakim številom obeh delcev odpornejši proti razpadu, pri čemer pa s povečevanjem atomskega števila medsebojni odboj protonov narašča delež nevtronov, ki omogočajo ohranitev stabilnosti jedra.[12]

Ilustracija procesa jedrske fuzije, s katero iz dveh protonov nastane jedro devterija, ki ga sestavljata proton in nevtron. Skupaj z elektronskimnevtrinomje oddanpozitron(e+) oz. elektron izantimaterije.

Število protonov in nevtronov v jedru je možno spremeniti, kar pa zaradi močne jedrske sile zahteva zelo veliko energije. Dojedrske fuzijepride, ko se več atomskih delcev združi v težje jedro, to se zgodi denimo pri visokoenergetskem trku jeder. V jedruSoncase denimo protona združita pri vnosu energije 3 to 10keV,kar je dovolj, da presežeta medsebojni odboj in se zlijeta v eno jedro.[13]Obraten proces jejedrska cepitev,ob kateri se jedro razdeli v dve lažji, običajno z radioaktivnim razpadom. Jedro je možno spremeniti tudi z obstreljevanjem z visokoenergetskimi podatomskimi delci alifotoni,ki izbijajo nukleone. Če se med obstreljevanjem spremeni število protonov, nastane drug kemični element.[14][15]

Če je masa jedra po fuziji manjša od vsote mas ločenih delcev, se lahko razlika odda v obliki uporabne energije, na primeržarka gamaali kinetične energijedelca beta.Ta pojav opisujeEinsteinovaenačbaekvivalence masa-energija(), kjer jeizguba mase inhitrost svetlobe.Ta primanjkljaj je del vezavne energije novega jedra.[16]

Fuzija jeder, s katero nastanejo večja jedra z nižjim atomskim številom odželezainniklja—okrog 60 nukleonov—je običajnoeksotermna,torej odda več energije kot je je potrebne za zlivanje.[17]Zaradi tega je fuzija vzvezdahverižna reakcija. V težjih jedrih se vezavna energija na nukleon v jedru zmanjšuje, kar pomeni, da je fuzija, pri kateri nastanejo jedra z atomskim številom približno 26 ali več in atomsko maso približno 60 ali več,endotermna.Taka jedra ne morejo nastajati v reakcijah, s kakršnimi se vzdržujehidrostatično ravnovesjezvezde.[12]

Elektronski oblak[uredi|uredi kodo]

Glavni članek:Orbitala.
Potencialna jama, ki prikazuje najmanjšo energijoV(x), ki je potrebna za doseg legex.V klasičnem modelu atoma je delec z energijoEomejen na razpon leg medx1inx2.

Elektrone v atomu privlačijo protoni zelektromagnetno silo.Ta veže elektrone znotrajelektrostatičnepotencialne jame,ki obkroža drobno jedro. Elektron lahko ubeži le s pritokom energije od zunaj. Bližje jedra kot je elektron, večja je privlačna sila in s tem tudi energija, potrebna za ubeg.

Tako kot drugi delci imajo elektroni hkratilastnosti delca in valovanja.Elektronski oblak je območje znotraj potencialne jame, kjer vsak elektron tvori nekakšen tridimenzionalenstoječ val—valovno obliko, ki se ne premika v odnosu do jedra. Ta pojav opisujeatomska orbitala,matematična funkcija, ki določa verjetnost, da se bo elektron navidez nahajal na določeni lokaciji, ko ga izmerimo.[18]Obstaja le določna diskretna (kvantizirana) množica teh orbital okrog jedra, vse ostale možne valovne oblike se hitro spremenijo v stabilnejšo obliko.[19]Orbitale imajo lahko enega ali več prstanov ali vozlov, med seboj se razlikujejo po velikosti, obliki in orientaciji.[20]

3-D upodobitve orbital nekaterihvodiku podobnih atomov,ki prikazujejo gostote verjetnosti in fazo (brezg-orbital in višjih)

Vsaka orbitala ustrezaenergetskemu nivojuelektrona. Elektron lahko preide na višji nivo tako, da absorbira foton z dovoljšnjo energijo. S spontano emisijo lahko v nasprotni smeri preide tudi na nižji nivo, pri tem pa odda razliko v energiji kot foton. Razlike v energiji, ki odgovarjajo razlikam v energiji kvantnih stanj, so značilne za določen atom; opazujemo jih lahko kotspektralnečrte.[19]

Ionizacijska energijaje energija, ki je potrebna za dodajanje ali odvzem elektrona, mnogo manjša je od vezavne energije nukleonov. Za izbitje elektrona vstacionarnem stanjuvodikovega atome je potrebno le 13,6 eV energije, mnogo manj kot 2.23 milijona eV za razcep jedradevterij.[21]Atomi so električno nevtralni, če imajo enako število protonov in elektronov, sicer so pozitivno ali negativno nabiti ioni. Elektroni, ki so najdlje od jedra, lahko prehajajo med sosednjimi atomi ali si jih sosednji atomi delijo. Na ta način se tvorijokemične veziin nastajajomolekuleali podobnespojine,kot soionskealikovalentnekristalnemreže.[22]

Lastnosti[uredi|uredi kodo]

Lastnosti jedra[uredi|uredi kodo]

Atome najprej razvrščamo po lastnostih jedra, glavna je število protonov alivrstno število– po definiciji pripadata katerakoli dva atoma z enakim številom protonov istemu kemičnemu elementu. Atomi z enakim številom protonov in različnim številom nevtronov pa so izotopi istega elementa. Za primer, vsi vodikovi atomi imajo natanko en proton, obstajajo pa izotopi brez nevtronov (vodik-1ali protij, ki je daleč najpogostejši[23]), enim nevtronom (devterij), dvema nevtronoma (tritij) ali več. Vsi znani elementi tvorijo množico z naraščajočimi vrstnimi števili od enoprotonskega vodika dooganesonas 118 protoni.[24]Vsi znani izotopi elementov z vrstnimi števili nad 82 soradioaktivni,čeprav je radioaktivnostbizmuta(83) praktično zanemarljiva.[25][26]

V naravi se naZemljipojavlja približno 339 različnih nuklidov,[27]od katerih 252 (približno 74 %) ni podvrženih spontanemu razpadu, zato jih imenujemostabilni izotopi.Teoretično je takih le 90, razpada nadaljnjih 162 pa le nikoli nismo zaznali, čeprav je energetsko to možno. Vsi so formalno opredeljeni kot »stabilni«. Še nadaljnjih 34 radioaktivnih nuklidov imarazpolovni časdaljši od 100 milijonov let in so dovolj stabilni, da so prisotni že vse od nastankaOsončja.Skupaj z 252 stabilnimi izotopi jih imenujemoprvobitni nuklidi.Preostalih 53 neobstojnih nuklidov se pojavlja v naravi kot produktrazpadaprimordialnih nuklidov (na primerradijizurana) ali kot produkt visokoenergetskih pojavov, kot je obstreljevanje skozmičnimi žarki(tako nastane denimo ogljik-14).[28]

80 elementov ima vsaj po en stabilen izotop. Praviloma imajo elementi le peščico stabilnih izotopov, povprečje je 3,2. 26 elementov ima en sam stabilen izotop, največ – 10 – pa jih imakositer.Elementitehnecij(43),prometij(61) in vsi nad 83 nimajo stabilnih izotopov.[29]:1–12

Stabilnost izotopov je odvisna od medsebojnega deleža protonov in nevtronov, pa tudi obstoja določenih »magičnih števil« nevtronov ali protonov, ki predstavljajo zaprte ali izpolnjene kvantne ovojnice. Te ovojnice ustrezajo energetskim nivojem v modelu jedrnih ovojnic; napolnjene ovojnice, kot je polna ovojnica 50 protonov kositra, daje nenavadno stabilnost nuklidu. Od 252 znanih stabilnih nuklidov imajo le štirje liho število protonov in hkrati liho štedvilo nevtronov:vodik-2(devterij),litij-6,bor-10indušik-14.Dodatni štirje lihi-lihi radioaktivni nuklidi, ki se pojavljajo v naravi, imajo razpolovni čas več kot milijardo let: to sokalij-40,vanadij-50,lantan-138intantal-180m.Večina lihih-lihih jeder je zelo nestabilnih in podvrženihrazpadu beta,kar pripisujemo dejstvu, da so produkti razpada sodi-sodi in zato močneje povezani.[30]

Masa[uredi|uredi kodo]

Glavni članek:Masno število.

Veliko večino mase atoma prispevajo protoni in nevtroni jedra. Skupno število teh delcev (nukleonov) v atomu jemasno število.Masno število je pozitivno celo število brez enote. Z njim opisujemo nukleone, na primer »ogljik-12« za izotopogljika,ki ima šest protonov in šest nevtronov.

Dejanskomirovno maso atomapogosto izražamo zenotami atomske mase(dalton, Da). Ta enota je definirana kot dvanajstina mase prostega nevtralnega atoma ogljik-12, ki znaša približno166×10−27kg.[31]Najlažji nuklid, vodik-1, ima atomsko maso1,007825Da.[32]Atom ima atomsko maso približno enako (razlika manj kot 1 %) mastnemu številu krat atomsko masno število. Za primer, masa dušika-14 je približno 14 Da, le ogljik-12 ima po definiciji maso točno 12 Da.[33]Najtežji stabilni atom je svinec-208[25]z maso207,9766521Da.[34]

Celo najtežji atomi so mnogo prelahki, da bi jih bilo praktično opisovati neposredno, zato v kemiji namesto tega uporabljajomole.Mol atomov elementa ima določeno število atomov (približno6,022×1023). Definicija mola povezuje enoto atomske mase (u) inkilogram:en mol elementa z atomsko maso 1 u ima maso približno 1gram(0,001 kg). Po definiciji enote atomske mase ima atom ogljika-12 atomsko maso natanko 12 Da, torej mol atomov ogljika-12 tehta natanko 0,012 kg.[31]

Zgodovina[uredi|uredi kodo]

Prvi so o zgradbi snovi razmišljali žestari Grki.Raznovrstne snovi, ki jih srečujemo v vsakdanjem življenju, so sestavljene iz posamičnih atomov, ki jih je vsega nekaj deset različnih vrst. Obstoj takšnih delcev so prvi predlagali v6. stoletju pr. n. št.grški filozofi(Demokrit,LevkipinEpikur), vendar je predlog utonil v pozabo, dokler ga ni v18. stoletjuoživilBošković,zares pa je zaživel, ko jeJohn Daltonpredlagal njegovo uporabo vkemiji.

Bošković je svojo teorijo zasnoval naNewtonovi mehanikiin jo leta 1758 objavil pod naslovomTheoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium.V njegovi teoriji so atomitočkebrez notranje zgradbe, ki med seboj delujejo z odbojnimi in privlačnimi silami, odvisno od razdalje. Dalton je s teorijo o atomih pojasnil, zakaj seplinivedno spajajo vceloštevilčnihdeležih. ŠeleAmedeo Avogadropa je v19. stoletjuzačel pravilno razlikovati med atomi inmolekulami.

Prvi model atoma je postavilJoseph John Thomson,ki je odkril, da atomi niso nedeljivi, marveč so sestavljeni iz manjših delcev (elektronov). Dandanes lahko atome tudi eksperimentalno opazujemo. Elektroni se ne gibljejo po tirnicah,ampak si jih predstavljamo kot elektronski oblak,ki zapolnjuje prostor okoli jedra.

Sklici[uredi|uredi kodo]

  1. ↑Pullman, Bernard (1998).The Atom in the History of Human Thought.Oxford, England: Oxford University Press. str. 31–33.ISBN978-0-19-515040-7.
  2. ↑Melsen (1952).From Atomos to Atom,pp. 18-19
  3. ↑Demtröder, Wolfgang (2002).Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics(1. izd.). Springer. str.39–42.ISBN978-3-540-20631-6.OCLC181435713.
  4. ↑Woan, Graham (2000).The Cambridge Handbook of Physics.Cambridge University Press. str.8.ISBN978-0-521-57507-2.OCLC224032426.
  5. ↑Mohr, P.J.; Taylor, B.N. and Newell, D.B. (2014),"The 2014 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants"Arhivirano2012-02-11 naWayback Machine.(Web Version 7.0). The database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. (2014). National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899.
  6. ↑MacGregor, Malcolm H. (1992).The Enigmatic Electron.Oxford University Press. str.33–37.ISBN978-0-19-521833-6.OCLC223372888.
  7. ↑7,07,1Particle Data Group (2002).»The Particle Adventure«.Lawrence Berkeley Laboratory.Arhiviranoiz spletišča dne 4. januarja 2007.
  8. ↑8,08,1Schombert, James (18. april 2006).»Elementary Particles«.University of Oregon.Arhiviranoiz spletišča dne 21. avgusta 2011.
  9. ↑Jevremovic, Tatjana (2005).Nuclear Principles in Engineering.Springer. str.63.ISBN978-0-387-23284-3.OCLC228384008.
  10. ↑Pfeffer, Jeremy I.; Nir, Shlomo (2000).Modern Physics: An Introductory Text.Imperial College Press. str. 330–336.ISBN978-1-86094-250-1.OCLC45900880.
  11. ↑Wenner, Jennifer M. (10. oktober 2007).»How Does Radioactive Decay Work?«.Carleton College.Arhiviranoiz spletišča dne 11. maja 2008.
  12. ↑12,012,112,2Raymond, David (7. april 2006).»Nuclear Binding Energies«.New Mexico Tech. Arhivirano izprvotnega spletiščadne 1. decembra 2002.
  13. ↑Mihos, Chris (23. julij 2002).»Overcoming the Coulomb Barrier«.Case Western Reserve University.Arhiviranoiz spletišča dne 12. septembra 2006.
  14. ↑»ABC's of Nuclear Science«.Lawrence Berkeley National Laboratory. 30. marec 2007.Arhiviranoiz spletišča dne 5. decembra 2006.
  15. ↑Makhijani, Arjun; Saleska, Scott (2. marec 2001).»Basics of Nuclear Physics and Fission«.Institute for Energy and Environmental Research.Arhiviranoiz spletišča dne 16. januarja 2007.
  16. ↑Shultis, J. Kenneth; Faw, Richard E. (2002).Fundamentals of Nuclear Science and Engineering.CRC Press. str. 10–17.ISBN978-0-8247-0834-4.OCLC123346507.
  17. ↑Fewell, M.P. (1995). »The atomic nuclide with the highest mean binding energy«.American Journal of Physics.63(7): 653–658.Bibcode:1995AmJPh..63..653F.doi:10.1119/1.17828.
  18. ↑Mulliken, Robert S. (1967). »Spectroscopy, Molecular Orbitals, and Chemical Bonding«.Science.157(3784): 13–24.Bibcode:1967Sci...157...13M.doi:10.1126/science.157.3784.13.PMID5338306.
  19. ↑19,019,1Brucat, Philip J. (2008).»The Quantum Atom«.Univerza Floride. Arhivirano izprvotnega spletiščadne 7. decembra 2006.
  20. ↑Manthey, David (2001).»Atomic Orbitals«.Orbital Central.Arhiviranoiz spletišča dne 10. januarja 2008.
  21. ↑Bell, R.E.; Elliott, L.G. (1950). »Gamma-Rays from the Reaction H1(n,γ)D2and the Binding Energy of the Deuteron«.Physical Review.79(2): 282–285.Bibcode:1950PhRv...79..282B.doi:10.1103/PhysRev.79.282.
  22. ↑Smirnov, Boris M. (2003).Physics of Atoms and Ions.Springer. str.249–272.ISBN978-0-387-95550-6.
  23. ↑Matis, Howard S. (9. avgust 2000).»The Isotopes of Hydrogen«.Guide to the Nuclear Wall Chart.Lawrence Berkeley National Lab.Arhiviranoiz spletišča dne 18. decembra 2007.
  24. ↑Weiss, Rick (17. avgust 2006).»Scientists Announce Creation of Atomic Element, the Heaviest Yet«.The Washington Post.Arhiviranoiz spletišča dne 21. avgusta 2011.
  25. ↑25,025,1Sills, Alan D. (2003).Earth Science the Easy Way.Barron's Educational Series. str.131–134.ISBN978-0-7641-2146-3.OCLC51543743.
  26. ↑Dumé, Belle (23. april 2003).»Bismuth breaks half-life record for alpha decay«.Physics World.Arhiviranoiz spletišča dne 14. decembra 2007.
  27. ↑Lindsay, Don (30. julij 2000).»Radioactives Missing From The Earth«.Don Lindsay Archive.Arhiviranoiz spletišča dne 28. aprila 2007.
  28. ↑Tuli, Jagdish K. (april 2005).»Nuclear Wallet Cards«.National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory.Arhiviranoiz spletišča dne 3. oktobra 2011.{{navedi splet}}:Vzdrževanje CS1: samodejni prevod datuma (povezava)
  29. ↑CRC Handbook (2002).
  30. ↑Krane, K. (1988).Introductory Nuclear Physics.John Wiley & Sons. str.68.ISBN978-0-471-85914-7.
  31. ↑31,031,1Mills, Ian; Cvitaš, Tomislav; Homann, Klaus; Kallay, Nikola; Kuchitsu, Kozo (1993).Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry(2. izd.). Oxford:Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo,Komite za terminologijo fizikokemičnih simbolov in enot, Blackwell Scientific Publications. str.70.ISBN978-0-632-03583-0.OCLC27011505.{{navedi knjigo}}:Vzdrževanje CS1: url-status (povezava)
  32. ↑Chieh, Chung (22. januar 2001).»Nuclide Stability«.University of Waterloo. Arhivirano izprvotnega spletiščadne 30. avgusta 2007.
  33. ↑»Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements«.Narodni urad za standarde in tehnologijo.Arhiviranoiz spletišča dne 31. decembra 2006.Pridobljeno 4. januarja 2007.
  34. ↑Audi, G.; Wapstra, A.H.; Thibault, C. (2003).»The Ame2003 atomic mass evaluation (II)«(PDF).Nuclear Physics A.729(1): 337–676.Bibcode:2003NuPhA.729..337A.doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.Arhivirano(PDF)iz spletišča dne 16. oktobra 2005.

Bibliografija[uredi|uredi kodo]

  • Andrew G. van Melsen (2004) [1952].From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom.Prevod: Henry J. Koren. Dover Publications.ISBN0-486-49584-1.

Zunanje povezave[uredi|uredi kodo]

Poglejte si besedoatomaliAtomv Wikislovarju, prostem slovarju.
Wikimedijina zbirka ponuja več predstavnostnega gradiva o temi:Atom.
Pridobljeno iz »https://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Atom&oldid=6225824«