Atom

W swojej pracy chciałbym opisać i wytłumaczyć zagadnienie "Co to jest atom?"



Nazwa atom pochodzi jeszcze z czasów starożytnych, kiedy to filozofowie tacy jak Demokryt, Leukip intuicyjnie przeczuwali, że materia ma budowę nieciągłą, ziarnistą, a mianowicie, że jest zbudowana z atomów. Od nich to właśnie pochodzi nazwa atom wywodząca się od greckiego wyrazu athomos - niepodzielny. Niestety, hipoteza atomistyczna starożytnych nie była przez nich poparta eksperymentalnie, nie ulegała żadnemu rozwojowi, a nawet z wiekami poszła w niepamięć.



Zupełnie inny był stan chemii pod koniec wieku XVIII i na początku wieku XIX. Znane były wówczas dwa prawa chemiczne (zachowania masy, i stałości składu), oraz jedna teoria (pierwiastkowej budowy substancji). Jednak nadal brak było - jednolitego tłumaczenia znanych praw i faktów. Niebawem pojawiła się hipoteza, a później teoria - przyszły fundament całej chemii i fizyki - atomistyczno-cząsteczkowa teoria budowy materii.



W celu wyjaśnienia doświadczalnie odkrytych, znanych wówczas podstawowych praw i faktów chemicznych: prawa zachowania masy, prawa stałości składu oraz teorii pierwiastkowej budowy materii angielski nauczyciel chemii i fizyki John DALTON sięgnął do zapomnianej w tym czasie tezy atomistycznej starożytnych.







John Dalton (1766 - 1844)



Według Daltona atom jest najmniejszą, niepodzielną "kulką" materii, a tym samym najmniejszą, niepodzielną częścią pierwiastka chemicznego. Ważną tezą w założeniu Daltona było to, że nie zakładał on jak wcześniej sądzono, że każdy pierwiastek występujący w przyrodzie składa się z tych samych atomów. Wyżej wymieniony chemik zakładał coś całkowicie innego, uważał, że tyle jest rodzajów atomów, ile jest rodzajów pierwiastków.



Drugą z ważnych tez w teorii Daltona jest ta mówiąca o tym, że: atomy tych samych lub różnych pierwiastków mogą łączyć się z sobą i tworzyć zespoły atomów zwane cząsteczkami. Zbiór atomów lub cząsteczek złożonych z jednego rodzaju atomów nazywamy substancją prostą, natomiast zbiór cząsteczek złożonych z dwóch lub większej ilości różnego rodzaju atomów nazywamy substancją złożoną.



Według tego sławnego chemika wszystkie cząsteczki danej substancji prostej lub złożonej są takie same, bo zawierają takie same liczby tych samych atomów.



Dalton wywnioskował, że atom jest najmniejszą częścią pierwiastka. Jest kresem podziału pierwiastka (jest najmniejszą ilością pierwiastka), lecz nie jest kresem podziału materii.



Jednak koncepcja złożonej budowy samego atomu zrodziła się pod koniec wieku XIX. Thomson (Josef John Thomson 1856-1940 angielski fizyk, prowadził badania dotyczące budowy materii i strukturu elektryczności) badając wyładowania w gazach rozrzedzonych



odkrył w 1896 r. istnienie cząstki mniejszej od atomu, niosącej elementarny ujemny ładunek elektryczny.







Cząstkę tę o masie 9,11 * 10-31 kg (ok. 0,00055u ) i średnicy rzędu 10-14 m. nazwano elektronem (symbol e lub e). Odkrycie przez Becquerela (Antoine Henri Becquerel 1852-1908, francuski fizyk i chemik, odkry3 zjawisko promieniotwórczości. W 1903 roku otrzymał z małżonkami Curie nagrodę Nobla) zjawiska promieniotwórczości (1896) oraz przez małżonków Curie pierwiastków chemicznych - radu i polonu (1898) potwierdziły wnioski o podzielności atomów. Z trzech rodzajów promieniowania (?, , ?) wysy3anego przez pierwiastki promieniotwórcze, promieniowanie okazało się strumieniem elektronów, a promieniowanie ? cząsteczkami znacznie cięższymi od elektronów i mającymi ładunek dodatni dwa razy większy od bezwzględnej wartości ładunku elektronu (promieniowanie ? jest fal? elektromagnetyczną, tak jak fale radiowe i świetlne).



Rutheford (sir Ernest Rutheford 1871-1937, angielski fizyk, profesor Uniwersytetu w Cambridge, był współtwórcą teorii rozpadu promieniotwórczego atomów, opracował planetarny model atomu, odkrył pierwszą sztuczną reakcję jądrową. W 1908 r. otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.)







badając zachowanie się cząsteczek ? w czasie świetlania się nimi metalowej folii zauważył, że tylko nieliczne z nich ulegają rozproszeniu lub odbiciu, natomiast większość przechodzi swobodnie przez folię. Na tej podstawie Rutheford zaproponował w 1911 r. tzw. planetarny model atomu, w którym wyróżnił dodatnio naładowane jądro, skupiające prawie cała masę i lekkie elektrony poruszające się z ogromną prędkością w pustej przestrzeni wokół niego.



Najprostsze jądro, jądro atomu wodoru mające jeden elementarny ładunek dodatni równy co do wielkości ładunkowi elektronu nazwano protonem (symbol p). Późniejsze badania nad budową jąder atomowych różnych pierwiastków wykazały, że w skład jąder atomowych wchodzą protony. Proton podobnie jak elektron, stanowi trwałą cząsteczkę elementarną. Jego masa jest 1836 razy większa od masy elektronu. W jednostkach mas atomowych wynosi ona 1,007 u. Jednostkowy elementarny ładunek protonu oznaczamy 1. Promienia protonu nie można dokładnie określić. W przybliżeniu jego średnica jest rzędu 10-14 m.



Wszystkie atomy tego samego pierwiastka zawierają w swoich jądrach tę samą liczbę protonów, zatem mają ten sam ładunek jądra. Jednakowa liczba protonów w jądrze jest charakterystyczną cechą wyróżniającą wszystkie atomy danego pierwiastka. Liczbę protonów wchodzących w skład jądra atomu oznaczamy symbolem Z. Liczbę tę nazwano liczbą atomową.



Masa elektronu w porównaniu z masą atomu jest tak mała, że praktycznie można ją pominąc. Biorąc pod uwagę, że masa protonu wynosi około 1 u, masa atomowa powinna być w przybliżeniu równa liczbie protonów w jądrze. Jednak w rzeczywistości wniosek ten nie potwierdza się. Dlatego, że w skład jądra wchodzą jeszcze inne elementarne cząstki materii, które mają wpływ na masę ale nie zmieniają jego ładunku. W 1932 roku Chadwick (sir James Chadwick 1891-1974, angielski fizyk, specjalista z zakresu fizyki jądrowej. W 1919 r. wspólnie z Rutherfordem przeprowadzili pierwszą sztuczną reakcję jądrową. W 1935 r. otrzymał nagrodę Nobla.) odkrył trzecią podstawową elementarną cząsteczkę materii i nazwał ją neutronem (symbol n). Jest to cząsteczka elektrycznie obojętna, a jej masa jest zbliżona do masy protonu i wynosi 1,0087 u (w przybliżeniu 1 u).



Między składnikami jądra działają siły jądrowe utrzymujące jego trwałość. Siły te mają bardzo mały zasięg działania ze względu na bardzo małe rozmiary samego jądra atomowego (10-15 10-14 m.) Suma protonów i neutronów w przybliżeniu odpowiada masie jądra w jednostkach mas atomowych u.



Dzięki rozwojowi dalszych badań nad promieniotwórczością zostało dokonane kolejne przełomowe odkrycie. Odkryto, że atomy różnych pierwiastków rozpadając się tworzą ołów ale o identycznej liczbie atomowej. Identyczna liczba atomowa, a różna liczba masowa wskazują, iż ten sam pierwiastek może składać się z atomów o różnej liczbie neutronów w jądrze. W późniejszym okresie odkryto także, że nie tylko ołów ale również inne pierwiastki tworzą mieszaniny izotopów (bo tak zostały nazwane).



Definicja izotopu:

Odmiany pierwiastka o identycznej liczbie atomowej a różnej liczbie atomowej a różnej liczbie masowej, czyli odmiany, których atomy mają taką samą liczbę protonów a różną neutronów, nazwano izotopami.





Współczesna teoria budowy atomu przyjmuje, że elektron ma dwoistą naturę - w pewnych zjawiskach zachowuje się jak cząsteczka materialna, a w innych - jak fala.



Elektrony występujące wokół jądra w postaci "chmury elektrycznie ujemnej", nie tworzą ładunku punktowego. Toteż gęstość w różnych obszarach będzie różna i zależeć będzie od odległości od jądra. W atomach kolejnych pierwiastków w miare wzrostu liczby atomowej (liczby protonów w jądrze) będzie wzrastała także liczba elektronów a z nimi wymieniona wyżej "chmura ładunku elektrycznego". Atomy znane dotychczas pierwiastków posiadają od jednej do siedmiu powłok elektronowych. Maksymalna liczba elektronów znajdująca się w jednej powłoce, pozwala obliczyć wyrażenie 2n2, gdzie n oznacza kolejny numer powłoki elektronowej.



Przykład pierwiastka Liczba elektronów w atomie Symboliczny zapis

12/6 C (węgiel) 6 K2L4

24/12 Mg (magnez) 12 K2L8M2

40/20 Ca (wapń) 20 K2L8M8N2



W atomie każdego pierwiastka można wyodrębnić rdzeń atomowy i elektrony walencyjne.