Atomer er de grunnleggende enhetene for materien og den definerende strukturen til elementer. Begrepet "atom" kommer fra det greske ordet som er udelelig, fordi det en gang ble antatt at atomer var de minste tingene i universet og ikke kunne deles. Vi vet nå at atomer består av tre partikler: protoner, nøytroner og elektroner - som er sammensatt av enda mindre partikler, for eksempel kvarker.
Atomer ble opprettet etter Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Etter hvert som det varme, tette nye universet avkjølte, ble forholdene egnet til å danne kvarker og elektroner. Quarks kom sammen for å danne protoner og nøytroner, og disse partiklene ble kombinert i kjerner. Alt dette skjedde i løpet av de første minuttene av universets eksistens, ifølge CERN.
Det tok 380 000 år før universet ble avkjølt nok til å bremse elektronene slik at kjernene kunne fange dem til å danne de første atomene. De tidligste atomene var først og fremst hydrogen og helium, som fortsatt er de mest tallrike elementene i universet, ifølge Jefferson Lab. Tyngdekraften førte til slutt til at skyer av gass samlet seg og dannet stjerner, og tyngre atomer ble (og er fortsatt) skapt i stjernene og sendt over hele universet da stjernen eksploderte (supernova).
Atompartikler
Protoner og nøytroner er tyngre enn elektroner og ligger i kjernen i midten av atomet. Elektroner er ekstremt lette og eksisterer i en sky som kretser rundt kjernen. Elektronskyen har en radius som er 10.000 ganger større enn kjernen, ifølge Los Alamos National Laboratory.
Protoner og nøytroner har omtrent samme masse. Imidlertid er ett proton omtrent 1.835 ganger mer massivt enn et elektron. Atomer har alltid et like antall protoner og elektroner, og antallet protoner og nøytroner er vanligvis det samme. Å legge en proton til et atom gjør et nytt element, mens du legger til et nøytron gjør en isotop, eller tyngre versjon, av det atomet.
Cellekjernen
Kjernen ble oppdaget i 1911 av Ernest Rutherford, en fysiker fra New Zealand. I 1920 foreslo Rutherford navnet proton for de positivt ladede partiklene i atomet. Han teoretiserte også at det var en nøytral partikkel i kjernen, noe James Chadwick, en britisk fysiker og student av Rutherford, kunne bekrefte i 1932.
Praktisk talt all massen til et atom ligger i kjernen, ifølge Chemistry LibreTexts. Protonene og nøytronene som utgjør kjernen er tilnærmet den samme massen (protonet er litt mindre) og har det samme vinkelmomentet, eller snurret.
Kjernen holdes sammen av den sterke kraften, en av de fire grunnleggende kreftene i naturen. Denne kraften mellom protonene og nøytronene overvinner den frastøtende elektriske kraften som ellers ville skyve protonene fra hverandre, i henhold til elektrisitetsreglene. Noen atomkjerner er ustabile fordi bindekraften varierer for forskjellige atomer basert på størrelsen på kjernen. Disse atomene forfaller deretter til andre elementer, for eksempel karbon-14 som råtner til nitrogen-14.
Protoner
Protoner er positivt ladede partikler som finnes i atomkjerner. Rutherford oppdaget dem i eksperimenter med katodestrålerør som ble utført mellom 1911 og 1919. Protoner er omtrent 99,86% så massive som nøytroner.
Antallet protoner i et atom er unikt for hvert element. For eksempel har karbonatomer seks protoner, hydrogenatomer har ett og oksygenatomer har åtte. Antallet protoner i et atom blir referert til som atomnummeret til det elementet. Antallet protoner bestemmer også den kjemiske atferden til elementet. Elementer er ordnet i periodiske tabeller for elementene i rekkefølge av økende atomantal.
Tre kvarker utgjør hver proton - to "opp" -kvarker (hver med en to tredjedels positiv ladning) og en "ned" -kvark (med en tredjedel negativ ladning) - og de holdes sammen av andre subatomære partikler kalt gluoner, som er masseløse.
Elektroner
Elektroner er små sammenlignet med protoner og nøytroner, over 1800 ganger mindre enn enten et proton eller et nøytron. Elektroner er omtrent 0,054% så massive som nøytroner, ifølge Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, en britisk fysiker, oppdaget elektronet i 1897, ifølge Science History Institute. Opprinnelig kjent som "lik", elektronene har en negativ ladning og tiltrekkes elektrisk av de positivt ladede protonene. Elektroner omgir atomkjernen i veier som kalles orbitaler, en idé som ble presentert av Erwin Schrödinger, en østerriksk fysiker, på 1920-tallet. I dag er denne modellen kjent som kvantemodellen eller elektronsky-modellen. De indre orbitalene som omgir atomet er sfæriske, men de ytre orbitalene er mye mer kompliserte.
Et atoms elektronkonfigurasjon refererer til plasseringen av elektronene i et typisk atom. Ved å bruke elektronkonfigurasjonen og fysikkprinsippene, kan kjemikere forutsi et atoms egenskaper, som stabilitet, kokepunkt og konduktivitet, ifølge Los Alamos National Laboratory.
Nøytroner
Nøytronets eksistens ble teoretisert av Rutherford i 1920 og oppdaget av Chadwick i 1932, ifølge American Physical Society. Neutroner ble funnet under forsøk da atomer ble skutt mot et tynt ark beryllium. Subatomiske partikler uten ladning ble frigitt - nøytronet.
Nøytroner er uladede partikler som finnes i alle atomkjerner (unntatt for hydrogen). En nøytrons masse er litt større enn en proton. I likhet med protoner er nøytroner også laget av kvarker - en "opp" kvark (med en positiv 2/3 ladning) og to "ned" kvarker (hver med en negativ tredel ladning).
Atomets historie
Teorien om atomet dateres minst så langt tilbake som 440 f.Kr. til Democritus, en gresk forsker og filosof. Democritus bygde sannsynligvis sin teori om atomer på arbeidet fra tidligere filosofer, ifølge Andrew G. Van Melsen, forfatter av "Fra Atomos til Atom: Historien om konseptet Atom" (Duquesne University Press, 1952).
Democritus 'forklaring av atomet begynner med en stein. Et halvt stein gir to halvdeler av den samme steinen. Hvis steinen kontinuerlig skulle skjæres, ville det på et tidspunkt eksistere et stykke av steinen liten nok til at den ikke lenger kunne klippes. Begrepet "atom" kommer fra det greske ordet for udelelige, som Democritus konkluderte med må være det punktet der et vesen (enhver form for materie) ikke kan deles lenger.
Hans forklaring inkluderte ideene om at atomer eksisterer separat fra hverandre, at det er en uendelig mengde atomer, at atomer er i stand til å bevege seg, at de kan kombineres sammen for å skape materie, men ikke smelter sammen for å bli et nytt atom, og at de kan ikke deles, ifølge Universe Today. Fordi de fleste filosofer på den tiden - spesielt den veldig innflytelsesrike Aristoteles - mente at all materie ble skapt fra jord, luft, ild og vann, ble Democritus atomteori lagt til side.
John Dalton, en britisk kjemiker, bygde på Democritus 'ideer i 1803 da han la frem sin egen atomteori, ifølge kjemiavdelingen ved Purdue University. Daltons teori inkluderte flere ideer fra Democritus, som atomer er udelelige og uforgjengelige og at forskjellige atomer dannes sammen for å skape all materie. Daltons tillegg til teorien inkluderte følgende ideer: At alle atomer i et visst element var identiske, at atomer av ett element vil ha forskjellige vekter og egenskaper enn atomer i et annet element, at atomer ikke kan skapes eller ødelegges og at materie dannes av atomer som kombinerer i enkle hele tall.
Thomson, den britiske fysikeren som oppdaget elektronet i 1897, beviste at atomer kan deles, ifølge Chemical Heritage Foundation. Han var i stand til å bestemme eksistensen av elektroner ved å studere egenskapene til elektrisk utladning i katodestrålerør. I følge Thomsons papir fra 1897 ble strålene avbøyd i røret, noe som beviste at det var noe som var negativt ladet i vakuumrøret. I 1899 publiserte Thomson en beskrivelse av sin versjon av atomet, ofte kjent som "plommepuddingmodellen." Et utdrag av denne artikkelen finner du på Chem Team-siden. Thomsons modell av atomet inkluderte et stort antall elektroner suspendert i noe som ga en positiv ladning som ga atomet en total nøytral ladning. Modellen hans lignet plommepudding, en populær britisk dessert som hadde rosiner suspendert i en rund kakeaktig ball.
Den neste forskeren som ytterligere modifiserte og avanserte atommodellen var Rutherford, som studerte under Thomson, ifølge kjemiavdelingen ved Purdue University. I 1911 publiserte Rutherford sin versjon av atomet, som inkluderte en positivt ladet kjerne som går i bane rundt elektroner. Denne modellen oppstod da Rutherford og hans assistenter fyrte alfapartikler på tynne ark. En alfapartikkel består av to protoner og to nøytroner, alle holdt sammen av den samme sterke atomkraften som binder kjernen, ifølge Jefferson Lab.
Forskerne la merke til at en liten prosentdel av alfapartiklene var spredt i veldig store vinkler til den opprinnelige bevegelsesretningen mens flertallet passerte rett gjennom knapt forstyrret. Rutherford var i stand til å tilnærme seg størrelsen på kjernen i gullatomet, og fant at den var minst 10.000 ganger mindre enn størrelsen på hele atomet, og mye av atomet var tomt. Rutherfords modell av atomet er fremdeles den grunnleggende modellen som brukes i dag.
Flere andre forskere videreførte atommodellen, inkludert Niels Bohr (bygd på Rutherfords modell for å inkludere egenskaper til elektroner basert på hydrogenspekteret), Erwin Schrödinger (utviklet atomets kvantemodell), Werner Heisenberg (uttalte at man ikke kan kjenne begge posisjon og hastighet av et elektron samtidig), og Murray Gell-Mann og George Zweig (uavhengig utviklet teorien om at protoner og nøytroner var sammensatt av kvarker).
