Atom, budowa atomu, izotop, izobar, izoton

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii.

Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei protony i neutrony. Jądro jest kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze od całego atomu i skupia ono w sobie praktycznie całą masę atomu, gdyż proton i neutron są o ok. 2000 razy cięższe od elektronu. Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę. Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony ujemny. W każdym atomie w stanie podstawowym liczba protonów i elektronów jest jednakowa. Wartość ładunku elektrycznego protonów i elektronów jest także jednakowa, więc atomy jako całość są obojętne elektrycznie. Atomy z liczbą elektronów różną od liczby protonów nazywane są jonami.

O właściwościach atomów decyduje głównie liczba protonów w jądrze atomowym, atomy o takiej samej liczbie protonów w jądrze należą do tego samego pierwiastka chemicznego.
Atomy są podstawowymi elementami budującymi materię w chemii, nie zmieniają się w reakcjach chemicznych. Atomy są najmniejszymi cząstkami rozróżnianymi metodami chemicznymi.

Rozmiary atomów nie są dokładnie określone z powodów kwantowych, zależą od rodzaju atomu i innych czynników, są rzędu 10-10 m. Masa w przedziale 10-27–10-25 kg.

Historia modeli budowy atomów:
- Niepodzielna kulka - głosił, że atom jest niepodzielną, sztywną, bez struktury wewnętrznej kulką,
- Model rodzynkowy (Thomsona) - odkrycie elektronów zmienia poglądy, teraz atom jest kulką, w której są mniejsze kulki (elektrony), tak jak w cieście są rodzynki,
- Model jądrowy - zwany też planetarnym (model Rutheforda), większość masy i całkowity ładunek dodatni skupiony jest w małej przestrzeni w centrum atomu zwanej jądrem, elektrony krążą wokół jądra,
- Model atomu Bohra - elektrony mogą poruszać się wokół jądra tylko po określonych orbitach, wyjaśnia jak poruszają się elektrony wokół jądra, ale nie podaje przyczyny,
- Model kwantowy (ruchu elektronów wokół jądra) - mechanika kwantowa wyjaśnia dlaczego elektrony przyjmują określone energie.
- Kolejne modele wyjaśniają budowę jądra atomowego - szczegóły patrz jądro atomowe na gruncie mechaniki klasycznej a następnie kwantowej.

Izotopy - to atomy, które posiadają ściśle określoną liczbę protonów oraz neutronów. Izotopy danego pierwiastka (o określonej liczbie protonów) różnią się liczbą masową (liczba neutronów w jądrze) i mają niemal identyczne własności chemiczne.

Ze względu na różnicę mas atomowych izotopy mają różne niektóre własności fizyczne, przy czym różnice te są tym większe, im większy jest rozrzut ich mas względem siebie. Różnice w masach atomowych izotopów powodują, że w formie czystej mają one inną gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji. Różnice te rozciągają się także na związki chemiczne o różnym składzie izotopowym.

Różnica mas izotopów powoduje też występowanie niewielkich różnic w ich reaktywności. Nie ma ona wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których one uczestniczą, ale wpływa na szybkość tych reakcji. Zjawisko to nazywa się efektem izotopowym i wykorzystuje się w badaniu mechanizmów reakcji chemicznych. Te niewielkie różnice w szybkości reakcji wywołują zmiany w składzie izotopowym związków chemicznych powstających w różnych reakcjach, zjawisko to wykorzystywane jest ostatnio do rozróżniania, czy węgiel zawarty w danym związku chemicznym brał udział w reakcji fotosyntezy.

Izotopy dzielą się na:
- trwałe (nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków),
- nietrwałe zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegają samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka).
Występowanie izotopów komplikuje nieco obliczenia chemiczne (zobacz: stechiometria), powodując, że masy atomowe i co za tym idzie masy cząsteczkowe nie są liczbami całkowitymi, lecz liczbami z ułamkiem.
Izotopy nie mają oddzielnych nazw z wyjątkiem izotopów wodoru, oznacza się je symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową u góry po lewej stronie, np. 208Pb.
Pierwiastki mają po kilka, a nawet kilkanaście izotopów. Np. wodór ma trzy izotopy:
- Prot: 1H (ma jeden proton i nie ma neutronów) - trwały,
- Deuter: 2H (D) (ma jeden proton i jeden neutron) - trwały,
- Tryt: 3H (T) (ma jeden proton i dwa neutrony) - nietrwały.

Izobary – jądra atomowe o równej liczbie masowej A, różniące się liczbą atomową Z. W praktyce oznacza to, że izobarami są atomy różnych pierwiastków, mające jednak tę samą liczbę nukleonów.

Jak dotąd nie znaleziono, dwóch trwałych izobarów o liczbach atomowych różniących się o 1 (sąsiadujące w układzie okresowym pierwiastków).

Izotony – nuklidy pierwiastków, mające tę samą liczbę neutronów (n0) w jądrze atomowym, na przykład:
- 2H i 3He,
- 13C i 14N.

Nazwa izoton jest sztuczna, powstała na wzór nazwy izotop przez zamianę litery p na n (co kojarzy się z treścią obu pojęć).