Atomy

Fizyka pozwala zajrzeć w głąb materii. Atomy są ważnymi składnikami tej materii, jaką mamy okazję obserwować wokół nas na Ziemi. Substancje, z którymi spotykamy się na co dzień, np. metale, woda, powietrze, sprawiają wrażenie, że ich budowa jest ciągła, nie widać elementów w ich budowie wewnętrznej. Cała materia zbudowana jest jednak z atomów – maleńkich cząsteczek, które są w ciągłym ruchu.
Nazwa atom pochodzi od greckiego słowa atomos i oznacza coś niepodzielnego. Pojęcie atomu jako najmniejszej cząstki materii pojawiło się w starożytnej Grecji w IV wieku p.n.e. Twórcą atomistycznej budowy materii był Demokryt. Stan ówczesnej wiedzy nie pozwalał jednak na udowodnienie tej teorii. Teoria atomistyczno - cząsteczkowej budowy materii odżyła na początku XIX wieku, znajdując potwierdzenie w faktach doświadczalnych i prawach z nich wynikających. Teorię tę opracował w 1808 roku John Dalton.
Najważniejsze założenia teorii atomistyczno - cząsteczkowej były następujące:
1) atomy tego samego pierwiastka są identyczne pod względem masy i rozmiarów,
2) atomy mają kształt kulisty,
3) atom jest najmniejszą cząstką pierwiastka, która posiada wszystkie cechy tego pierwiastka,
4) atomy łączą się tworząc cząsteczki.
Atomy nie są jednak najmniejszymi cząstkami materii, są podzielne. Każdy atom składa się z jądra i elektronów (w przypadku najprostszym – atomu wodoru jest to tylko jeden elektron).
Elektron (ē) jest cząstką elementarną niosącą ujemny ładunek elektryczny. Masa elektronu wynosi 9,11 10–31 kg, ładunek 1,6 10–19 C, a średnica to 10–14 m. Elektrony krążą wokół jądra. Prędkość tego ruchu jest bardzo duża – wynosi ona ok. miliona metrów na sekundę.
Jądro znajduje się w środku atomu i zawiera w sobie prawie całą masę atomu. Elektrony otaczają jądro tworząc leciutką „chmurę” bardzo szybko poruszających się cząstek. Jądro jest kilkadziesiąt razy mniejsze od całego atomu, a jednak skupia w sobie praktycznie całą masę atomu (ponad 99,9%). Promień jądra atomu jest rzędu 10–15 – 10–14. Jądro atomowe tworzą dodatnio naelektryzowane protony i obojętne elektrycznie neutrony. Masa protonu wynosi 1,673 10–27 kg, a ładunek ma wartość 1,6 10–19 C. Jest to wartość równa ładunkowi elektronu. Masa neutronu wynosi 1,675 10–27 kg. Suma protonów i neutronów w przybliżeniu odpowiada masie jądra w jednostkach mas atomowych. Proton i neutron są ok. 2000 razy cięższe od elektronu. Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę. W każdym atomie w stanie podstawowym liczba protonów i elektronów jest jednakowa. Wartość ładunku elektrycznego protonów i elektronów jest także jednakowa, więc atomy są jako całość obojętne elektrycznie. Jeśli jednak do obojętnego elektrycznie atomu zostanie przyłączony lub od niego oderwany jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem, który już oczywiści obojętny nie jest:
atom + elektron = jon ujemny
atom – elektron = jon dodatni.
Protony i neutrony w jądrze przyciągają się bardzo dużymi siłami jądrowymi. Siły jądrowe są znacznie większe od sił odpychania elektrycznego protonów i dlatego jądra się nie rozpadają. Zasięg tych sił jest bardzo mały, ogranicza się do objętości jądra atomowego.
W 1911 roku Ernest Rutherford zaproponował tzw. planetarny model atomu, w którym wyróżnił dodatnio naładowane jądro skupiające prawie całą masę i lekkie elektrony poruszające się z ogromną prędkością w pustej przestrzeni wokół niego.

sfera elektronowa
· jądro

rys. Model atomu wg Rutherforda.

Protony i neutrony również są cząstkami złożonymi. Zbudowane są z mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Zbudowane są z trzech kwarków. Kwarki istnieją tylko jako składniki cząstek. Nie obserwuje się ich w stanie wolnym, nie związanym. Ich ładunek jest równy 1/3 lub 2/3 wartości ładunku elementarnego.
Atomy łączą się swoimi chmurami elektronowymi tworząc nowe struktury zwane cząsteczkami.
Atomy mają bardzo małe rozmiary – przeciętnie jest to około jednej dziesięciomiliardowej metra (tę jednostkę nazywa się często „angstremem” i oznacza literą A z kółeczkiem na górze – Å). Wynika stąd, że na 1 mm wzdłuż mieści się rzędu 10 milionów atomów. Na 1 mm kwadratowym mieści się już ok. 1014 (100 bilionów) atomów, a w milimetrze sześciennym (ziarenko piasku) upakowane jest rzędu 1021 atomów. Jest to liczba raczej niewyobrażalna dla przeciętnego człowieka. Z faktu małych rozmiarów atomu wynika, że pojedynczy atom jest też niezwykle lekki. Ledwo dostrzegalne ziarenko piasku zawiera w sobie około miliardy miliardów atomów. A przecież z miliardów atomów zbudowane są znacznie mniejsze i lżejsze obiekty, część z nich jest zupełnie niedostrzegalnych nawet pod mikroskopem optycznym – np. wirusy. Zważyć takie obiekty jest niezwykle trudno. Jednak atomy zważono.
Masy atomów najczęściej nie wyraża się w gramach czy kilogramach. W tych jednostkach masy pojedynczych atomów byłyby bardzo małymi ułamkami. Na początku XX wieku wprowadzono specjalną jednostkę – jednostkę mas atomowych – która pozwala wyrazić masę poszczególnych atomów niewielkimi liczbami. Jednostka ta stanowi 1/12 masy atomu węgla (masa atomu węgla = 1,99 10–23 g) i oznacza się ją literą u (skrót z ang.: unit – jednostka):

1 u = 1,66057 10–27 kg » 1,66 10–24 g.

Jednostka masy atomowej jest w przybliżeniu równa masie atomu wodoru.
Masy atomów wyrażone w jednostkach masy atomowej (w przybliżeniu) to tzw. liczba masowa danego pierwiastka. Liczba masowa jest liczbą nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomu danego pierwiastka i oznaczamy ją literą A. Liczba protonów wchodzących w skład jądra atomu określonego pierwiastka to liczba atomowa i oznaczamy ją symbolem Z. Liczbę neutronów w jądrze danego atomu określa różnica pomiędzy liczbą masową A a liczbą atomową Z.

n = A – Z

Liczbę elementarnych cząstek materii wchodzących w skład atomu określonego pierwiastka symbolicznie zapisujemy:
A
E – gdzie E oznacza symbol pierwiastka
Z
Atomy tego samego pierwiastka występują w kilku odmianach różniących się wyraźnie masą. Nazywają się one izotopami. Izotopy to odmiany pierwiastka o identycznej liczbie atomowej a różnej liczbie masowej, czyli odmiany, których atomy maja taka samą liczbę protonów a różną liczbę neutronów w jądrze. Izotopy tego samego pierwiastka nie różnią się (prawie, bo minimalne różnice się zdarzają) właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Wyjątkiem od tej reguły jest jedna cecha – promieniotwórczość. Z zasady duża cześć izotopów jest promieniotwórcza, co oznacza, że izotopy te mają tendencję do samorzutnego rozpadania się i emitowanie przy tym cząstek promieniowania.
Np. izotop węgla 12C jest wzorcem masy, z kolei ten sam pierwiastek w odmianie 14C jest promieniotwórczy.
Izotop węgla 12C posiada w jądrze 6 protonów i 6 neutronów, a izotop węgla 14C posiada w jądrze 6 protonów i 8 neutronów.
Podobnie jest z innymi pierwiastkami - np. wodór posiada 3 izotopy:
- wodór zwykły (jego w przyrodzie jest zdecydowanie najwięcej) – 1H ma jądro składające się tylko z 1 protonu,
- deuter (w przyrodzie jest go tylko ok. setnych części procenta) – 2H ma jądro składające się tylko z 1 protonu i 1 neutronu,
- tryt (w przyrodzie jest go jeszcze znacznie mniej niż deuteru) – 3H ma jądro składające się tylko z 1 protonu i 2 neutronów.
Zapisywanie symboliczne różnych izotopów polega na umieszczeniu przy symbolu danego pierwiastka odpowiedniej liczby masowej:
AE
gdzie E to symbol pierwiastka, A – liczba masowa danego izotopu.
Każdy pierwiastek ma swoje izotopy, a duża część z nich jest promieniotwórcza. Jednak ponieważ większość izotopów promieniotwórczych dawno już uległa rozpadowi, to pozostałe są zazwyczaj stabilne i nie promieniują. Dlatego zwykła otaczająca nas materia bywa radioaktywna tylko w śladowych ilościach.