Atomii sunt unitățile de bază ale materiei și structura definitorie a elementelor. Termenul „atom” provine de la cuvântul grecesc pentru indivizibil, deoarece s-a crezut cândva că atomii erau cele mai mici lucruri din univers și nu pot fi împărțite. Știm acum că atomii sunt alcătuiți din trei particule: protoni, neutroni și electroni - care sunt compuse din particule și mai mici, cum ar fi quark-urile.
Atomii au fost creați după Big Bang acum 13,7 miliarde de ani. Pe măsură ce noul univers cald și dens s-a răcit, condițiile au devenit potrivite pentru formarea de quarkuri și electroni. Quarkurile s-au reunit pentru a forma protoni și neutroni, iar aceste particule s-au combinat în nuclee. Totul a avut loc în primele minute de la existența universului, potrivit CERN.
A fost nevoie de 380.000 de ani pentru ca universul să se răcească suficient pentru a încetini electronii, astfel încât nucleele să le poată captura pentru a forma primii atomi. Primii atomi au fost în primul rând hidrogenul și heliul, care sunt încă cele mai abundente elemente din univers, potrivit lui Jefferson Lab. În cele din urmă, gravitația a provocat formarea de stele și formarea de nori de gaz, iar atomii mai grei au fost (și încă sunt) creați în interiorul stelelor și trimiși în universul când steaua a explodat (supernova).
Particule atomice
Protonii și neutronii sunt mai grei decât electronii și locuiesc în nucleul din centrul atomului. Electronii sunt extrem de ușori și există într-un nor care orbitează nucleul. Norul de electroni are o rază de 10.000 de ori mai mare decât nucleul, potrivit laboratorului național Los Alamos.
Protonii și neutronii au aproximativ aceeași masă. Cu toate acestea, un proton este de aproximativ 1.835 de ori mai masiv decât un electron. Atomii au întotdeauna un număr egal de protoni și electroni, iar numărul de protoni și neutroni este de obicei același. Adăugarea unui proton la un atom face un element nou, în timp ce adăugarea unui neutron face un izotop, sau versiunea mai grea, a acelui atom.
Nucleu
Nucleul a fost descoperit în 1911 de Ernest Rutherford, un fizician din Noua Zeelandă. În 1920, Rutherford a propus numele de proton pentru particulele încărcate pozitiv ale atomului. De asemenea, el a teoretizat că în nucleu există o particulă neutră, pe care James Chadwick, un fizician britanic și student în Rutherford, a putut să o confirme în 1932.
Practic toată masa unui atom rezidă în nucleul său, potrivit Chemistry LibreTexts. Protonii și neutronii care alcătuiesc nucleul sunt aproximativ aceeași masă (protonul este puțin mai mic) și au același moment unghiular sau spin.
Nucleul este ținut împreună de forța puternică, una dintre cele patru forțe de bază din natură. Această forță dintre protoni și neutroni depășește forța electrică repulsivă care altfel ar împinge protonii în afară, conform regulilor de electricitate. Unele nuclee atomice sunt instabile, deoarece forța de legare variază pentru diferiți atomi în funcție de dimensiunea nucleului. Acești atomi se vor descompune apoi în alte elemente, cum ar fi carbon-14 în descompunere cu azot-14.
Protonii
Protonii sunt particule încărcate pozitiv în nucleele atomice. Rutherford le-a descoperit în experimente cu tuburi cu raze catodice care au fost efectuate între 1911 și 1919. Protonii sunt aproximativ 99,86% la fel de masivi ca neutronii.
Numărul de protoni dintr-un atom este unic pentru fiecare element. De exemplu, atomii de carbon au șase protoni, atomii de hidrogen au unul și atomii de oxigen au opt. Numărul protonilor dintr-un atom este denumit numărul atomic al acelui element. Numărul de protoni determină, de asemenea, comportamentul chimic al elementului. Elementele sunt dispuse în tabelul periodic al elementelor în ordinea creșterii numărului atomic.
Trei quark-uri alcătuiesc fiecare proton - două quark-uri „în sus” (fiecare cu o încărcătură pozitivă de două treimi) și un quark „în jos” (cu o treime de sarcină negativă) - și sunt ținute împreună de alte particule subatomice numite gluoni, care sunt fără masă.
Electronii
Electronii sunt mici în comparație cu protonii și neutronii, de peste 1.800 de ori mai mici decât un proton sau un neutron. Electronii sunt aproximativ 0,054% la fel de masivi ca neutronii, potrivit Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, un fizician britanic, a descoperit electronul în 1897, potrivit Science History Institute. Cunoscut inițial drept „corpusculi”, electronii au o sarcină negativă și sunt atrași electric de protonii încărcați pozitiv. Electronii înconjoară nucleul atomic pe căi numite orbitale, idee care a fost lansată de Erwin Schrödinger, fizician austriac, în anii 1920. Astăzi, acest model este cunoscut sub numele de modelul cuantic sau modelul de cloud electroni. Orbitalele interioare care înconjoară atomul sunt sferice, dar orbitalele exterioare sunt mult mai complicate.
Configurația electronilor unui atom se referă la locațiile electronilor într-un atom tipic. Folosind configurația electronilor și principiile fizicii, chimiștii pot prezice proprietățile unui atom, cum ar fi stabilitatea, punctul de fierbere și conductivitatea, potrivit Laboratorului Național Los Alamos.
Neutronii
Existența neutronilor a fost teoretizată de Rutherford în 1920 și descoperită de Chadwick în 1932, conform American Physical Society. Neutronii au fost găsiți în timpul experimentelor când atomii au fost împușcați pe o foaie subțire de beriliu. Particule subatomice fără sarcină au fost eliberate - neutronul.
Neutronii sunt particule neîncărcate care se găsesc în toate nucleele atomice (cu excepția hidrogenului). Masa unui neutron este puțin mai mare decât cea a unui proton. La fel ca protonii, neutronii sunt, de asemenea, din quark - un quark „sus” (cu o încărcare pozitivă 2/3) și doi quark „jos” (fiecare cu o încărcare negativă de o treime).
Istoria atomului
Teoria atomului datează cel puțin până la 440 î.C. lui Democrit, un om de știință și filozof grec. Cel mai probabil, Democrit și-a construit teoria atomilor pe baza filosofilor din trecut, potrivit lui Andrew G. Van Melsen, autorul „De la Atomos la Atom: Istoria conceptului Atom” (Duquesne University Press, 1952).
Explicația lui Democrit despre atom începe cu o piatră. O piatră tăiată în jumătate dă două jumătăți ale aceleiași pietre. Dacă piatra ar fi tăiată continuu, la un moment dat, ar exista o bucată de piatră suficient de mică încât să nu mai poată fi tăiată. Termenul "atom" provine din cuvântul grecesc pentru indivizibil, care a concluzionat Democrit trebuie să fie punctul în care o ființă (orice formă de materie) nu mai poate fi divizată.
Explicația sa a inclus ideile conform cărora atomii există separat unul de celălalt, că există o cantitate infinită de atomi, că atomii sunt capabili să se miște, că se pot combina împreună pentru a crea materie, dar nu se contopesc pentru a deveni un nou atom și că ei nu poate fi împărțit, în conformitate cu Universul de astăzi. Totuși, pentru că majoritatea filosofilor din acea vreme - în special foarte influentul Aristotel - credeau că toată materia a fost creată din pământ, aer, foc și apă, teoria atomică a lui Democrit a fost pusă deoparte.
John Dalton, un chimist britanic, s-a bazat pe ideile lui Democrit în 1803, când a lansat propria sa teorie atomică, potrivit departamentului de chimie de la Universitatea Purdue. Teoria lui Dalton a inclus mai multe idei de la Democrit, cum ar fi atomii sunt indivizi și indestructibili și că diferiți atomi se formează împreună pentru a crea toată materia. Adăugările lui Dalton la teorie includeau următoarele idei: Că toți atomii unui anumit element erau identici, că atomii unui element vor avea greutăți și proprietăți diferite decât atomii unui alt element, că atomii nu pot fi creați sau distruși și materia respectivă este formată de atomii care se combină în numere întregi simple.
Thomson, fizicianul britanic care a descoperit electronul în 1897, a dovedit că atomii pot fi împărțiți, în conformitate cu Fundația Chemical Heritage. El a fost capabil să determine existența electronilor prin studierea proprietăților descărcării electrice în tuburile cu raze catodice. Conform hârtiei din 1897 a lui Thomson, razele au fost deviate în interiorul tubului, ceea ce a dovedit că există ceva încărcat negativ în interiorul tubului de vid. În 1899, Thomson a publicat o descriere a versiunii sale a atomului, cunoscută în mod obișnuit drept „modelul de budincă de prune”. Un extras din această lucrare se găsește pe site-ul echipei Chem. Modelul de atom al lui Thomson a inclus un număr mare de electroni suspendați în ceva care a produs o sarcină pozitivă oferind atomului o încărcătură totală neutră. Modelul său semăna cu budinca de prune, un desert popular britanic care avea stafidele suspendate într-o minge rotundă asemănătoare tortului.
Următorul om de știință care a modificat și avansat în continuare modelul atomic a fost Rutherford, care a studiat sub Thomson, potrivit departamentului de chimie al Universității Purdue. În 1911, Rutherford a publicat versiunea sa despre atom, care includea un nucleu încărcat pozitiv orbitat de electroni. Acest model a apărut când Rutherford și asistenții săi au tras particule alfa la foi subțiri de aur. O particulă alfa este formată din doi protoni și doi neutroni, toate ținute împreună de aceeași forță nucleară puternică care leagă nucleul, potrivit laboratorului Jefferson.
Oamenii de știință au observat că un procent mic din particulele alfa erau împrăștiate în unghiuri foarte mari față de direcția inițială de mișcare, în timp ce majoritatea trecea chiar prin greu deranjat. Rutherford a fost capabil să aproxima dimensiunea nucleului atomului de aur, considerând că este de cel puțin 10.000 de ori mai mic decât dimensiunea întregului atom, o mare parte a atomului fiind spațiul gol. Modelul de atom al lui Rutherford este încă modelul de bază care este folosit astăzi.
Câțiva alți oameni de știință au promovat modelul atomic, inclusiv Niels Bohr (bazat pe modelul lui Rutherford pentru a include proprietăți de electroni bazate pe spectrul hidrogenului), Erwin Schrödinger (a dezvoltat modelul cuantic al atomului), Werner Heisenberg (a declarat că nu se poate cunoaște ambele poziția și viteza unui electron simultan) și Murray Gell-Mann și George Zweig (au dezvoltat independent teoria conform căreia protonii și neutronii erau compuși din quark).
