Атоми - це основні одиниці речовини та визначальна структура елементів. Термін «атом» походить від грецького слова для неподільного, оскільки колись вважалося, що атоми - це найдрібніші речі у Всесвіті і їх не можна розділити. Зараз ми знаємо, що атоми складаються з трьох частинок: протонів, нейтронів та електронів, які складаються з ще менших частинок, таких як кварки.
Атоми були створені після Великого вибуху 13,7 мільярда років тому. Коли гарячий, щільний новий Всесвіт охолоджувався, умови ставали придатними для формування кварків та електронів. Кварки об'єдналися, щоб утворити протони та нейтрони, і ці частинки об'єдналися в ядра. Все це відбулося протягом перших хвилин існування Всесвіту, повідомляє CERN.
Минуло 380 000 років, щоб Всесвіт охолола, щоб уповільнити електрони, щоб ядра могли захопити їх, утворюючи перші атоми. Найбільш ранніми атомами були насамперед водень та гелій, які все ще є найпоширенішими елементами у Всесвіті, згідно з лабораторією Джефферсона. Гравітація зрештою змусила хмари газу зливатися і утворювати зірки, а важчі атоми створювались (і досі є) створюються всередині зірок і надсилаються по всьому Всесвіту, коли зірка вибухає (наднова).
Атомні частинки
Протони та нейтрони важчі за електрони і перебувають у ядрі в центрі атома. Електрони надзвичайно легкі і існують у хмарі, що обертається навколо ядра. Хмара електронів має радіус у 10000 разів більший за ядро, згідно з даними Національної лабораторії в Лос-Аламосі.
Протони та нейтрони мають приблизно однакову масу. Однак один протон приблизно в 1835 разів масивніший, ніж електрон. Атоми завжди мають рівну кількість протонів і електронів, а кількість протонів і нейтронів зазвичай однакова. Додавання протона до атома створює новий елемент, тоді як додавання нейтрона робить ізотоп або важчий варіант цього атома.
Ядра
Ядро було відкрито в 1911 році Ернестом Резерфордом, фізиком з Нової Зеландії. У 1920 році Резерфорд запропонував назву протон позитивно заряджених частинок атома. Він також теоретизував, що в ядрі є нейтральна частинка, що в 1932 році зміг підтвердити Джеймс Чадвік, британський фізик і студент Резерфорда.
Практично вся маса атома знаходиться в його ядрі, згідно з хімією LibreTexts. Протони і нейтрони, що складають ядро, приблизно однакової маси (протона трохи менше) і мають однаковий імпульс кута, або спіна.
Ядро утримується разом сильною силою, однією з чотирьох основних сил у природі. Ця сила між протонами та нейтронами долає відштовхуючу електричну силу, яка в противному випадку відштовхує протони, відповідно до правил електрики. Деякі атомні ядра нестабільні, тому що сила зв’язування змінюється для різних атомів залежно від розміру ядра. Потім ці атоми розпадаються на інші елементи, такі як вуглець-14, що розпадається на азот-14.
Протони
Протони - позитивно заряджені частинки, що знаходяться в атомних ядрах. Резерфорд виявив їх в експериментах з катодними променями, які проводилися між 1911 і 1919 рр. Протони приблизно 99,86% масивні, як нейтрони.
Кількість протонів в атомі унікальна для кожного елемента. Наприклад, атоми вуглецю мають шість протонів, атоми водню - один, а атоми кисню - вісім. Кількість протонів в атомі називається атомним номером цього елемента. Кількість протонів також визначає хімічну поведінку елемента. Елементи розташовані в Періодичній таблиці елементів у порядку збільшення атомного числа.
Три кварки складають кожен протон - два кварки «вгору» (кожен з позитивним зарядом на дві третини) і один кварк «вниз» (з негативною зарядкою на третину) - і вони утримуються разом з іншими субатомними частинками, званими глюонами, які безмасштабні.
Електрони
Електрони крихітні порівняно з протонами та нейтронами, у 1800 разів меншими, ніж протони чи нейтрони. За даними лабораторії Джефферсона, електрони є приблизно 0,054% масивними, як нейтрони.
Джозеф Джон (Дж. Дж.) Томсон, британський фізик, виявив електрон у 1897 році, повідомляє Інститут історії науки. Спочатку відомий як «корпускули», електрони мають негативний заряд і електрично притягуються до позитивно заряджених протонів. Електрони оточують атомне ядро на шляхах, званих орбіталями, ідея, яку висунув Ервін Шредінгер, австрійський фізик у 1920-х роках. Сьогодні ця модель відома як квантова модель або модель електронної хмари. Внутрішні орбіталі, що оточують атом, є сферичними, але зовнішні орбіталі значно складніші.
Електронна конфігурація атома стосується розташування електронів у типовому атомі. Використовуючи електронну конфігурацію та принципи фізики, хіміки можуть передбачити властивості атома, такі як стабільність, температура кипіння та провідність, згідно з Національною лабораторією в Лос-Аламосі.
Нейтрони
Існування нейтронів було теоретизовано Резерфордом у 1920 році та відкрите Чадвіком у 1932 році, за даними Американського фізичного товариства. Нейтрони були знайдені під час експериментів, коли атоми стріляли на тонкий аркуш берилію. Вивільнялися субатомні частинки без заряду - нейтрон.
Нейтрони - це незаряджені частинки, що знаходяться у всіх атомних ядрах (крім водню). Маса нейтрона трохи більша, ніж у протона. Як і протони, нейтрони також складаються з кварків - один кварк "вгору" (з позитивним зарядом 2/3) і два кварки "вниз" (кожен з негативним зарядом на третину).
Історія атома
Теорія атома сягає щонайменше ще в 440 р. До н.е. до Демокріта, грецького вченого і філософа. Декрекрит, швидше за все, будував свою теорію атомів на творчості минулих філософів, за словами Ендрю Г. Ван Мельсена, автора книги "Від Атомоса до Атома: історія концепції Атома" (Duquesne University Press, 1952).
Пояснення Демокрита атома починається з каменю. Розрізаний навпіл камінь дає дві половини того ж каменю. Якби камінь потрібно було постійно різати, в якийсь момент існував би шматок каменю, досить маленький, щоб його вже не можна було різати. Термін "атом" походить від грецького слова "нероздільне", яке, на думку Демокріта, повинно бути точкою, коли істота (будь-яка форма матерії) вже не може бути розділена.
Його пояснення включало думки про те, що атоми існують окремо один від одного, що існує нескінченна кількість атомів, що атоми здатні рухатися, що вони можуть поєднуватися разом, щоб створити матерію, але не зливатися, щоб стати новим атомом, і що вони Не можна розділити, згідно з даними Universe Today. Однак, оскільки більшість філософів у той час - особливо дуже впливовий Арістотель - вважав, що вся матерія створена із землі, повітря, вогню та води, атомну теорію Демокрита було відкладено.
Джон Далтон, британський хімік, будував ідеї Демокрита в 1803 році, коли він виклав власну атомну теорію, повідомляє відділ хімії в університеті Пердю. Теорія Далтона включала кілька ідей Демокріта, такі як атоми нероздільні і незнищенні, і що різні атоми утворюються разом для створення всієї матерії. Доповнення Далтона до теорії включали наступні ідеї: про те, що всі атоми певного елемента були однаковими, атоми одного елемента матимуть іншу вагу та властивості, ніж атоми іншого елемента, що атоми не можуть бути створені або знищені, а матерія утворюється атоми, що поєднуються в простих цілих числах.
Британський фізик Томсон, який відкрив електрон в 1897 році, довів, що атоми можна розділити, згідно з даними Фонду хімічної спадщини. Він зміг визначити існування електронів, вивчивши властивості електричного розряду в катодно-променевих трубах. Згідно з документом 1897 року Томсона, промені відхилялися всередині трубки, що доводило, що всередині вакуумної трубки було щось негативно заряджене. У 1899 р. Томсон опублікував опис своєї версії атома, широко відому як "модель сливового пудингу". Уривок цього документу знаходимо на сайті Chem Team. Модель атома Томсона включала велику кількість електронів, підвішених у чомусь, що виробляло позитивний заряд, даючи атому загальний нейтральний заряд. Його модель нагадувала сливовий пудинг, популярний британський десерт, на якому родзинки були суспендовані на круглої кулі, схожої на торт.
Наступним вченим для подальшої модифікації та просування атомної моделі був Резерфорд, який навчався при Томсоні, за даними кафедри хімії в університеті Пердю. У 1911 р. Резерфорд опублікував свою версію атома, яка включала в себе позитивно заряджене ядро, орбітоване електронами. Ця модель виникла, коли Резерфорд та його помічники обстрілювали альфа-частинки на тонких аркушах золота. Альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів, всі разом утримуються тією ж сильною ядерною силою, що зв’язує ядро, згідно з лабораторією Джефферсона.
Вчені зауважили, що невеликий відсоток альфа-частинок було розсіяно під дуже великими кутами до початкового напрямку руху, тоді як більшість проходило прямо через важко порушені. Резерфорд зміг наблизити розмір ядра атома золота, виявивши, що він принаймні в 10000 разів менший за розмір усього атома, при цьому значна частина атома є порожнім простором. Модель атома Резерфорда все ще є базовою моделлю, яка використовується сьогодні.
Кілька інших вчених сприяли атомній моделі, зокрема Нільс Бор (побудований за моделлю Резерфорда, щоб включати властивості електронів на основі спектру водню), Ервін Шредінгер (розробив квантову модель атома), Вернер Гейзенберг (заявив, що не можна знати обох положення і швидкість електрона одночасно), і Мюррей Гелл-Манн, і Джордж Цвейг (незалежно розробили теорію про те, що протони і нейтрони складалися з кварків).
