Mis on aatom? | Elav teadus


Aatomid on mateeria põhilised ühikud ja elementide määratlev struktuur. Mõiste "aatom" pärineb kreeka sõnast jagamatu, sest kunagi arvati, et aatomid on universumi kõige väiksemad asjad ja neid ei saa jagada. Nüüd teame, et aatomid koosnevad kolmest osakesest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest – mis koosnevad veelgi väiksematest osakestest, näiteks kvargid.

Aatomid loodi pärast Suur pauk 13,7 miljardit aastat tagasi. Kuuma, tiheda uue universumi jahtumisel muutusid tingimused kvarkide ja elektronide moodustamiseks sobivaks. Kvargid moodustasid prootonid ja neutronid ning need osakesed ühinesid tuumadeks. See kõik leidis aset universumi eksistentsi esimestel minutitel CERN.

Kui universum oli piisavalt jahtunud, kulus 380 000 aastat, et aeglustada elektronid, et tuumad saaksid neid esimeste aatomite moodustamiseks hõivata. Varasemad aatomid olid peamiselt vesinik ja heelium, mis on vastavalt universumi kõige rikkalikumad elemendid Jefferson Lab. Lõpuks põhjustas gravitatsioon gaasipilvede ühinemise ja tähtede moodustumise ning raskemad aatomid tekkisid (ja on endiselt) tähtede sees ja saadetakse tähe plahvatuse ajal (supernoova) kogu universumis.

Aatomiosakesed

Prootonid ja neutronid on elektronidest raskemad ja paiknevad tuumas aatomi keskpunktis. Elektronid on äärmiselt kerged ja esinevad tuuma tiirlevas pilves. Elektroni pilve raadius on tuuma järgi 10 000 korda suurem, vastavalt Los Alamose riiklik labor.

Prootonitel ja neutronitel on umbes sama mass. Üks prooton on aga umbes 1835 korda massilisem kui elektron. Aatomitel on alati võrdne arv prootoneid ja elektrone ning ka prootonite ja neutronite arv on tavaliselt sama. Prootoni lisamine aatomile muudab uue elemendi, samal ajal kui neutroni lisamine muudab selle aatomi isotoobi või raskema versiooni.

Tuuma

Tuuma avastas 1911. aastal Uus-Meremaa füüsik Ernest Rutherford. 1920. aastal pakkus Rutherford välja aatomi positiivselt laetud osakeste prootonnime. Samuti teoreeeris ta, et tuumas oli neutraalne osake, mida Briti füüsik ja Rutherfordi õpilane James Chadwick suutis 1932. aastal kinnitada.

Vastavalt aatomile asub praktiliselt kogu aatomi mass Keemia LibreTexts. Tuuma moodustavad prootonid ja neutronid on ligikaudu sama massiga (prootoni on pisut vähem) ja neil on sama nurdenurk ehk spin.

Tuuma hoiab koos tugev jõud, üks looduse neljast põhijõust. See prootonite ja neutronite vaheline jõud ületab elektrienergia reeglite kohaselt tõrjuva elektrilise jõu, mis muidu prootonid lahutaks. Mõned aatomituumad on ebastabiilsed, kuna sidumisjõud varieerub erinevatel aatomitel tuuma suuruse järgi. Need aatomid lagunevad seejärel muudeks elementideks, näiteks süsinik-14 lagunevad lämmastiku-14-ks.

Siin on aatomi struktuuri lihtne joonis.

(Pildikrediit: Shutterstock)

Prootonid

Prootonid on positiivselt laetud osakesed, mida leidub aatomituumades. Rutherford avastas need katsete ajal elektronkiiretorudega, mis viidi läbi aastatel 1911–1919. Prootonid on umbes 99,86% massiivsed kui neutronid.

Prootonite arv aatomis on iga elemendi jaoks ainulaadne. Näiteks, süsinik aatomitel on kuus prootonit, vesinik aatomitel on üks ja hapnik aatomites on kaheksa. Prootonite arvu aatomis nimetatakse selle elemendi aatomnumbriks. Prootonite arv määrab ka elemendi keemilise käitumise. Elemendid on paigutatud Elementide perioodiline tabel aatomiarvu suurendamise järjekorras.

Kolm kvarkid moodustavad iga prootoni – kaks "üles" kvarki (mõlemal on kaks kolmandikku positiivse laenguga) ja üks "alla" kvark (ühe kolmandiku negatiivse laenguga) – ning neid hoiavad koos teised subatomaarsed osakesed, mida nimetatakse gluoniteks, mis on massid.

Elektronid

Elektronid on prootonite ja neutronitega võrreldes pisikesed, üle 1800 korra väiksemad kui prootonil või neutronil. Vastavalt elektronile on elektronid umbes 0,054% massiivsed kui neutronid Jefferson Lab.

Briti füüsik Joseph John (J.J.) Thomson avastas elektroni 1897 Teadusloo Instituut. Algselt tuntud kui "vereringed", elektronidel on negatiivne laeng ja neid tõmbab elektriliselt positiivselt laetud prootonid. Elektronid ümbritsevad aatomi tuuma radadel, mida nimetatakse orbitaalideks – idee, mille esitas 1920. aastatel Austria füüsik Erwin Schrödinger. Tänapäeval tuntakse seda mudelit kvantmudelina või elektronpilvemudelina. Aatomit ümbritsevad sisemised orbitaalid on sfäärilised, kuid välimised orbitaalid on palju keerulisemad.

Aatomi elektronide konfiguratsioon viitab elektronide asukohale tüüpilises aatomis. Kasutades elektronide konfiguratsiooni ja füüsika põhimõtteid, saavad keemikud ennustada aatomi omadusi, näiteks stabiilsust, keemistemperatuuri ja juhtivust vastavalt Los Alamose riiklik labor.

Neutronid

Neutroniteooria teoreetik oli Rutherford 1920. aastal ja avastas Chadwick 1932. aastal vastavalt Ameerika füüsikaühing. Katsete käigus leiti neutroneid, kui aatomid tulistati õhukesele lehele berüllium. Laenguta subatomilised osakesed vabastati – neutron.

Neutronid on laenguta osakesed, mida leidub kõigis aatomituumades (välja arvatud vesinik). Neutroni mass on veidi suurem kui prootonil. Nagu prootonid, on ka neutronid valmistatud kvarkidest – üks "üles" kvark (positiivse 2/3 laenguga) ja kaks "alla" kvarki (kumbki negatiivse kolmandiku laenguga).

Aatomi ajalugu

Aatomi teooria pärineb vähemalt 440 B.C. Kreeka teadlasele ja filosoofile Democritusele. Tõenäoliselt ehitas Democritus oma aatomite teooria varasemate filosoofide töödele, vastavalt Andrew G. Van Melseni, raamatu "Atomost aatomini: kontseptsiooni aatomi ajalugu" autorile (Duquesne University Press, 1952).

Democrituse selgitus aatomi kohta algab kivist. Pooleks lõigatud kivi annab samast kivist kaks poolt. Kui kivi pidevalt raiutaks, oleks sellel kivitükil mingil hetkel piisavalt väike tükk, et seda ei saaks enam raiuda. Mõiste "aatom" pärineb kreekakeelsest sõnast jagamatu, mille Demokritos järeldas, et see peab olema punkt, kus olendit (mis tahes vormis olekut) ei saa enam jagada.

Tema selgitus sisaldas ideesid, et aatomid eksisteerivad üksteisest eraldi, et aatomeid on lõputult palju, aatomid on võimelised liikuma, et nad saaksid koos moodustada ainet, kuid ei ühineks uueks aatomiks, ja et nad ei saa jagada vastavalt Universum tänapäeval. Kuna aga enamik tolleaegsed filosoofid – eriti väga mõjuvõimas Aristoteles – uskusid, et kogu mateeria on loodud maast, õhust, tulest ja veest, pandi Democrituse aatomiteooria kõrvale.

Briti keemik John Dalton tugines Democrituse ideedele 1803. aastal, kui ta esitas oma aatomiteooria vastavalt keemiaosakond Purdue ülikoolis. Daltoni teooria hõlmas mitmeid demokraatia ideid, näiteks aatomid on jagamatud ja hävimatud ning erinevad aatomid moodustavad kõik aine. Daltoni teooria täiendused sisaldasid järgmisi ideid: et teatud elemendi kõik aatomid oleksid identsed, et ühe elemendi aatomitel oleks erinev kaal ja omadused kui teise elemendi aatomitel, et aatomeid ei saaks luua ega hävitada ning et ainet moodustaksid aatomid, mis liidetakse lihtsate täisarvudega.

Thomson, Briti füüsik, kes avastas elektroni 1897. aastal, tõestas, et aatomite võib vastavalt Keemiapärandi Sihtasutus. Ta suutis elektronide olemasolu kindlaks teha, uurides elektronkiiretorude elektrilahenduse omadusi. Thomsoni 1897. aasta paberi järgi kaldusid kiired torus ümber, mis tõestas, et vaakumtorus oli midagi, mis oli negatiivselt laetud. 1899. aastal avaldas Thomson oma aatomi versiooni kirjelduse, mida üldiselt tuntakse kui ploomipudingumudelit. Katkend sellest paberist on lehel Chem meeskond sait. Thomsoni aatomi mudel hõlmas suurt hulka elektrone, mis olid suspendeeritud milleski, mis tekitas positiivse laengu, andes aatomile üldise neutraalse laengu. Tema mudel sarnanes ploomipudingiga – populaarse Briti magustoiduga, mille rosinad olid riputatud ümmargusesse koogitaolisse palli.

Järgmine teadlane, kes aatomimudelit veelgi modifitseeris ja edasi viis, oli Rutherford, kes õppis Thomsoni all keemiaosakond Purdue ülikoolis. Aastal 1911 avaldas Rutherford oma versiooni aatomist, mis sisaldas positiivselt laetud tuuma, mida tiirlesid elektronid. See mudel tekkis siis, kui Rutherford ja tema abilised tulistasid alfaosakesi õhukestele kuldlehtedele. An alfaosake koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist, mida kõik hoiavad koos sama tugevat tuumajõudu, mis seob tuuma, Jefferson Labi andmetel.

Teadlased märkasid, et väike protsent alfaosakesi oli hajutatud algse liikumissuuna suhtes väga suurte nurkade alt, samal ajal kui suurem osa neist liikus otse läbi, vaevalt häiritud. Rutherford suutis ühtlustada kulla aatomi tuuma suuruse, leides, et see on vähemalt 10 000 korda väiksem kui kogu aatomi suurus, kusjuures suur osa aatomist on tühi. Rutherfordi aatomi mudel on endiselt põhimudel, mida tänapäeval kasutatakse.

Mitmed teised teadlased edendasid aatomimudelit, sealhulgas Niels Bohr (ehitatud Rutherfordi mudeli järgi, et lisada elektronide omadused vesiniku spektril), Erwin Schrödinger (töötas välja aatomi kvantmudeli), Werner Heisenberg (väitis, et ei saa teada üheaegselt nii elektroni asukohta kui ka kiirust) ja Murray Gell-Mann ja George Zweig (töötasid iseseisvalt välja teooria, mille kohaselt prootonid ja neutronid koosnesid kvarkidest).

Lisaressursid:

Seda artiklit värskendas 10. september 2019 Live Science'i kaastöötaja Traci Pederseni poolt.