Atomer er de grundlæggende enheder af materie og den definerende struktur for elementer. Udtrykket "atom" stammer fra det græske ord for udelelige, fordi det engang troede, at atomer var de mindste ting i universet og ikke kunne opdeles. Vi ved nu, at atomer består af tre partikler: protoner, neutroner og elektroner - som er sammensat af endnu mindre partikler, såsom kvarker.
Atomer blev oprettet efter Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Da det varme, tætte nye univers afkøles, blev forholdene egnede til at danne kvarker og elektroner. Quarks kom sammen for at danne protoner og neutroner, og disse partikler kombineredes til kerner. Alt dette fandt sted inden for de første få minutter af universets eksistens, ifølge CERN.
Det tog 380.000 år for universet at køle af nok til at bremse elektronerne, så kernerne kunne fange dem til at danne de første atomer. De tidligste atomer var primært brint og helium, som stadig er de mest rigelige elementer i universet, ifølge Jefferson Lab. Tyngdekraften fik efterhånden gasskyer til at samle sig og danne stjerner, og tungere atomer blev (og er stadig) skabt i stjernerne og sendt gennem hele universet, da stjernen eksploderede (supernova).
Atompartikler
Protoner og neutroner er tungere end elektroner og bor i kernen i midten af atomet. Elektroner er ekstremt lette og findes i en sky, der kredser rundt om kernen. Elektronskyen har en radius, der er 10.000 gange større end kernen, ifølge Los Alamos National Laboratory.
Protoner og neutroner har omtrent den samme masse. Imidlertid er en proton omkring 1.835 gange mere massiv end et elektron. Atomer har altid et lige antal protoner og elektroner, og antallet af protoner og neutroner er normalt det samme. Tilføjelse af en proton til et atom skaber et nyt element, mens tilføjelse af en neutron gør en isotop, eller tungere version, af dette atom.
Nucleus
Kernen blev opdaget i 1911 af Ernest Rutherford, en fysiker fra New Zealand. I 1920 foreslog Rutherford navnet proton til atomets positivt ladede partikler. Han teoretiserede også, at der var en neutral partikel inden i kernen, som James Chadwick, en britisk fysiker og studerende ved Rutherford's, var i stand til at bekræfte i 1932.
Næsten al massen af et atom ligger i dens kerne ifølge Chemistry LibreTexts. Protonerne og neutronerne, der udgør kernen, er tilnærmelsesvis den samme masse (protonen er lidt mindre) og har den samme vinkelmoment eller spin.
Kernen holdes sammen af den stærke kraft, en af de fire grundlæggende kræfter i naturen. Denne kraft mellem protoner og neutroner overvinder den frastødende elektriske kraft, der ellers ville skubbe protonerne fra hinanden, i henhold til reglerne for elektricitet. Nogle atomkerner er ustabile, fordi den bindende kraft varierer for forskellige atomer baseret på størrelsen på kernen. Disse atomer nedbrydes derefter til andre elementer, såsom carbon-14, der henfalder til nitrogen-14.
Protoner
Protoner er positivt ladede partikler, der findes i atomkerner. Rutherford opdagede dem i eksperimenter med katodestrålerør, der blev udført mellem 1911 og 1919. Protoner er omkring 99,86% så massive som neutroner.
Antallet af protoner i et atom er unikt for hvert element. For eksempel har carbonatomer seks protoner, hydrogenatomer har en, og oxygenatomer har otte. Antallet af protoner i et atom benævnes det atomære antal for dette element. Antallet af protoner bestemmer også elementets kemiske opførsel. Elementerne er arrangeret i den periodiske tabel af elementerne i rækkefølge af stigende atomantal.
Tre kvarker udgør hver proton - to "op" -kvarker (hver med en to tredjedels positiv ladning) og en "ned" -kvark (med en tredjedel negativ ladning) - og de holdes sammen af andre subatomære partikler kaldet gluoner, som er masseløse.
Elektroner
Elektroner er små sammenlignet med protoner og neutroner, over 1.800 gange mindre end enten en proton eller en neutron. Elektroner er omkring 0,054% så massive som neutroner, ifølge Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, en britisk fysiker, opdagede elektronet i 1897 ifølge Science History Institute. Oprindeligt kendt som "korpuskler" har elektroner en negativ ladning og tiltrækkes elektrisk af de positivt ladede protoner. Elektroner omgiver atomkernen i veje kaldet orbitaler, en idé, der blev fremsat af Erwin Schrödinger, en østrigsk fysiker, i 1920'erne. I dag er denne model kendt som kvantemodellen eller elektronsky-modellen. De indre orbitaler, der omgiver atomet, er sfæriske, men de ydre orbitaler er meget mere komplicerede.
Et atoms elektronkonfiguration henviser til placeringen af elektronerne i et typisk atom. Ved hjælp af elektronkonfiguration og fysikprincipper kan kemikere forudsige et atoms egenskaber, såsom stabilitet, kogepunkt og konduktivitet, ifølge Los Alamos National Laboratory.
Neutroner
Neutronens eksistens blev teoretiseret af Rutherford i 1920 og opdaget af Chadwick i 1932 ifølge American Physical Society. Neutroner blev fundet under eksperimenter, da atomer blev skudt på et tyndt ark af beryllium. Subatomiske partikler uden ladning blev frigivet - neutronen.
Neutroner er uladede partikler, der findes i alle atomkerner (undtagen hydrogen). En neutronmasse er lidt større end protonen. Ligesom protoner er neutroner også lavet af kvarker - en "op" -kvark (med en positiv 2/3 ladning) og to "ned" -kvarker (hver med en negativ tredjedel-ladning).
Atomets historie
Teorien om atomet dateres mindst så langt tilbage som 440 f.Kr. til Democritus, en græsk videnskabsmand og filosof. Democritus byggede sandsynligvis sin teori om atomer på tidligere filosofers arbejde, ifølge Andrew G. Van Melsen, forfatter af "Fra Atomos til Atom: Historien om konceptet Atom" (Duquesne University Press, 1952).
Democritus 'forklaring af atomet begynder med en sten. En halvskåret sten giver to halvdele af den samme sten. Hvis stenen kontinuerligt skulle skæres, ville der på et tidspunkt findes et stykke af stenen, der var lille nok til, at den ikke længere kunne klippes. Udtrykket "atom" stammer fra det græske ord for udelelige, som Democritus konkluderede må være det punkt, hvor et væsen (enhver form for stof) ikke kan opdeles mere.
Hans forklaring inkluderede ideerne om, atomer findes adskilt fra hinanden, at der er en uendelig mængde atomer, at atomer er i stand til at bevæge sig, at de kan kombineres sammen for at skabe stof, men ikke smelter sammen til at blive et nyt atom, og at de kan ikke deles i henhold til Universe Today. Fordi de fleste filosoffer på det tidspunkt - især den meget indflydelsesrige Aristoteles - mente, at al materie blev skabt fra jord, luft, ild og vand, blev Democritus atomteori lagt til side.
John Dalton, en britisk kemiker, byggede på Democritus 'ideer i 1803, da han fremsatte sin egen atomteori, ifølge kemiafdelingen ved Purdue University. Daltons teori omfattede adskillige ideer fra Democritus, såsom atomer er udelelige og uforgængelige, og at forskellige atomer dannes sammen for at skabe al materie. Daltons tilføjelser til teorien omfattede følgende ideer: At alle atomer i et bestemt element var identiske, at atomer i et element vil have forskellige vægte og egenskaber end atomer i et andet element, at atomer ikke kan oprettes eller ødelægges, og at materie dannes af atomer, der kombineres i enkle hele tal.
Thomson, den britiske fysiker, der opdagede elektronet i 1897, beviste, at atomer kan opdeles, ifølge Chemical Heritage Foundation. Han var i stand til at bestemme eksistensen af elektroner ved at undersøge egenskaberne ved elektrisk udladning i katodestrålerør. Ifølge Thomsons papir fra 1897 blev strålerne afbøjet inden i røret, hvilket beviste, at der var noget, der var negativt ladet inde i vakuumrøret. I 1899 offentliggjorde Thomson en beskrivelse af sin version af atomet, almindeligvis kendt som "blommepuddingmodellen." Et uddrag af dette papir findes på Chem Team-webstedet. Thomsons model af atomet indeholdt et stort antal elektroner suspenderet i noget, der frembragte en positiv ladning, hvilket gav atomet en samlet neutral ladning. Hans model lignede blomme budding, en populær britisk dessert, der havde rosiner ophængt i en rund kage-lignende bold.
Den næste videnskabsmand til yderligere at modificere og fremme atommodellen var Rutherford, der studerede under Thomson ifølge kemiafdelingen ved Purdue University. I 1911 offentliggjorde Rutherford sin version af atomet, som omfattede en positivt ladet kerne, der kredsede af elektroner. Denne model opstod, da Rutherford og hans assistenter fyrede alfapartikler på tynde guldark. En alfa-partikel består af to protoner og to neutroner, som alle holdes sammen af den samme stærke atomkraft, der binder kernen, ifølge Jefferson Lab.
Forskerne bemærkede, at en lille procentdel af alfapartiklerne var spredt i meget store vinkler til den oprindelige bevægelsesretning, mens flertallet passerede lige igennem næppe forstyrrede. Rutherford var i stand til at tilnærme sig størrelsen på kerne i guldatomet og fandt, at det var mindst 10.000 gange mindre end størrelsen på hele atomet, hvor meget af atomet var tomt. Rutherfords model af atomet er stadig den grundlæggende model, der bruges i dag.
Flere andre forskere fremmet atommodellen, herunder Niels Bohr (bygget på Rutherfords model til at omfatte egenskaber ved elektroner baseret på brintspektret), Erwin Schrödinger (udviklet atomets kvantemodel), Werner Heisenberg (erklærede, at man ikke kan kende begge position og hastighed af en elektron på samme tid), og Murray Gell-Mann og George Zweig (uafhængigt udviklede teorien om, at protoner og neutroner var sammensat af kvarker).
