Атом

Из Википедије, слободне енциклопедије
Атом хелијума
Основно стање атома хелијума.
Илустрација атома хелијума. Приказан је нуклеус (љубичасто) и дистрибуција електронског облака (црно). Нуклеус (горе десно) у хелијуму-4 је у реалности сферно симетричан и блиско је сличан електронском облаку, мада код компликованијих нуклеуса то није случај. Црна лиња представља један ангстром (10−10 m или 100 pm).
Класификација
Најмања подела хемијског елемента
Својства
Масени опсег: 1.67×10−27 do 4.52×10−25 kg
Електрично наелектрисање: нула (неутрално), или јонско наелектрисање
Опсег дијаметра: 62 pm (He) до 520 pm (Cs)
Компоненте: Електрони и компактни нуклеус протона и неутрона

Атом је најмања јединица материје која дефинише хемијске елементе. Материја у чврстом, течном, гасовитом стању, или у облику плазме се састоји од неутралних или јонизованих атома. Атоми су веома мали: величина атома се мери у пикометрима — билионитим деловима (10−12) метра.[1] Сваки атом се састоји од језгра и једног или више електрона који круже око нуклеуса. Нуклеус се састоји од једног или више протона и типично сличног броја неутрона (водоник-1 нема неутрона). Протони и неутрони се називају нуклеонима. Преко 99,94% атомске масе је у језгру.[2] Протони имају позитивно електрично наелектрисање, електрони имају негативно електрично наелектрисање, а неутрони нису наелектрисани. Ако је број протона и електрона једнак, тај атом је електрично неутралан. Ако атом има вишак или мањак електрона у односу на протоне, онда он има свеукупно позитивно или негативно наелектрисање, и назива се јон.

Електроне атома привлаче протони атомског нуклеуса посредством електромагнетне силе. Протони и неутрони у нуклеусу се међусобно привлаче дејством различитих сила, нуклеарних сила, које су обично јаче од електромагнетне силе међусобног одбијања позитивно наелектрисаних протона. Под одређеним околностима одбијајућа електромагнетна сила постаје јача од нуклеарне силе, и нуклеони могу да буду избачени из језгра, остављајући иза себе различити елемент: нуклеарно распадање доводи до нуклеарне трансмутације.

Број протона у језгру дефинише којем хемијском елементу атом припада: на пример, сви атоми бакра садрже 29 протона. Број неутрона дефинише изотоп елемента.[3] Број електрона утиче на магнетна својства атома. Атоми се могу везати за један или више других атома путем хемијских веза чиме се формирају хемијска једињења као што су молекули. Способност атома да се асоцира и дисоцира је одговорна за већину физичких промена приметних у природи, и тема је науке хемије.

Нису све масе у свемиру састављене од атома. Тамна материја се састоји од не само материје, већ и од честица које су тренутно непознатог типа. Такође, класична Њутнова физика не објашњава многе од особина и понашања атома и субатомиских честица: поље квантне механике је развијено ради тога.

Структура[уреди]

Атом је стабилни електро-неутрална композиција језгра и електронског омотача.

Састоји се од језгра и електронског омотача. Језгро садржи позитивно наелектрисане протоне и ненаелектрисане неутроне, а електронски облак је изграђен од негативно наелектрисаних електрона. Електрони су распоређени у љускама односно орбиталама. Нису све орбитале једнако велике. У орбиталама ближим језгру стане мањи број електрона, а у оним даљим од језгре стане већи број електрона. Својство атома да попуни посљедњу (најудаљенију) орбиталу назива се афинитет према електрону.

Протони и неутрони имају подједнаку масу, те су око 2000 пута тежи од електрона чију масу занемарујемо, па због тога језгро чини 99,95 %[4] масе атома. Маса електрона ме, маса протона мп и маса неутрона мн су фундаменталне константе, и могу се пронаћи у периодном систему елемената. Теже честице (протони и неутрони) лоцирани су у атомском језгру (нуклеусу), електрони заузимају много већу запремину око језгре (електронски облак).

Језгро је дефинисано:

  • Атомским, протонским или редним бројем Z = број протона = број електрона, или Z = N(p) = N(e)
  • Масеним или нуклеонским бројем A = број протона + број неутрона, или A = N(p) + N(n)

Субатомске честице[уреди]

Главни чланак: Субатомске честице

Мада је реч атом оригинално означавала честице које се не могу поделити у мање честице, у модерној научној употреби атом се састоји од разних субатомских честица. Конституентне честице атома су електрон, протон и неутрон; сва три су фермиони. Атом водоника нема неутрона, док хидронски јон нема електрона.

Електрон је далеко најмање масивна честица међу овим честицама, 9.11×10−31 kg са негативним електричним наелектрисањем и величином која је сувише мала да би се могла измерити доступним техникама.[5] Он је најлакша честица. Под нормалним околностима, електрони су везани за позитивно наелектрисане једра путем привлачења супротно наелектрисаних набоја. Ако атом има више или мање електрона од свог атомског броја, онда он постаје респективно негативно или позитивно наелектрисан; наелектрисани атом се зове јон. Електрони су познати од касног 19-тог века, углавном захваљујући раду Томсона; погледајте историју субатомске физике за детаље.

Протони имају позитивно наелектрисање и масу која је 1.836 пута већа од електрона, 1.6726×10−27 kg. Број протона у атому се назива атомским бројем. Ернест Рутхерфорд (1919) је уочио да кад се азот бомбардује алфа-честицама долази до избацивања језгра водоника. До 1920. он је усвојио да је језгро водоника засебна честица унутар атома и дао му је име протон.

Неутрони немају електрично наелектрисање и имају слободну масу која је 1.839 пута већа од масе електрона,[6] ili 1.6929×10−27 kg, те су најтежа од три конституентне честице, мада њихова маса може да буде редукована дејством нуклеарне енергије везивања. Неутрони и протони (колективно познати као нуклеони) имају сличне димензије реда величине 2.5×10−15 m, мада 'површина' тих честица није јасно дефинисана.[7] Неутрон је открио енглески физичар Џејмс Чедвик 1932. године.

У физичком стандардном моделу, електрони су истинске елементарне честице без унутрашње структуре. Протони и неутрони су композитне честице које се састоје од елементарних честица званих кваркови. Постоји два типа кваркова у атомима, сваки од којих има фракционо електрично наелектрисање. Протони се састоје од два горња кварка (сваки са наелектрисањем од +2⁄3) и једног доњег кварка (са наелектрисањем од −1⁄3). Неутрони се састоје од једног горњег кварка и два доња кварка. Та разлика узрокује разлику у маси и наелектрисању између две честице.[8][9]

Кваркови се одржавају заједно дејством јаке интеракције (или јаке силе), која је посредована глуонима. Протони и неутрони се одржавају заједно у језгру дејством нуклеарне силе, која је остатак јаке силе који има донекле различите опсеге - својства (видите чланак о нуклеарној сили за додатне информације). Глуон је члан фамилије баждарних бозона, који су елементарне честице које посредују физичке силе.[8][9]

Нуклеус[уреди]

Главни чланак: Атомско језгро
Енергија везивања који нуклеон треба да превлада да би изашао из језгра, за различите изотопе

Сви везани протони и неутрони у атому сачињавају сићушно атомско језгро, и колективно се називају нуклеонима. Радијус нуклеуса је апроксимативно једнак 1,07 3A fm, где је A тотални број нуклеона.[10] То је знатно мање од пречника атома, који је реда величине 105 fm. Нуклеони су везани заједно атрактивним потенцијалом кратког распона званим резидуална јака сила. На растојањима мањим од 2,5 fm та сила је далеко јача од електростатичке силе која узрокује међусобно одбијање позитивно наелектрисаних протона.[11]

Атоми истог елемента имају исти број протона, који се назива атомским бројем. Унутар једног елемента, број неутрона може да варира, одређујући изотопе тог елемента. Тотални број протона и неутрона одређује нуклид. Број неутрона релативно на број протона одређује стабилност језгра. Поједини изотопи подлежу радиоактивном распаду.[12]

Протон, електрон, и неутрон се класификују као фермиони. Фермиони подлежу Паулијевом принципу искључења који налаже да идентични фермиони, као што су вишеструки протони, не могу да имају исто квантно стање у исто време. Стога сваки протон у нуклеусу мора да има квантно стање које је различито од свих других протона, а исто правило важи и за све неутроне у нуклеусу и све електроне у електронском облаку. Међутим, протон и неутрон могу да имају исто квантно стање.[13]

Код атома са ниским атомским бројевима, нуклеус који има више неутрона него протона има тенденцију заузимања нижег енергетског стања путем радиоактивног распада тако да се однос неутрона и протона приближава јединици. Са повећањем атомског броја већи удео неутрона је неопходан да би се умањило међусобно одбијање протона. Стога се не јављају стабилна језгра са једнаким бројем протона и неутрана изнад атомског броја Z = 20 (калцијум) и са повећањем атомског броја однос неутрона и протона стабилних изотопа се повећава.[13] Стабилни изотоп са највишим односом протона и неутрона је олово-208 (око 1,5).

Илустрација процеса нуклеарне фузије којим се формира деутеријумско језгро, које се састоји од протона и неутрона, из два протона. Позитрон (e+) — електрон антиматерије — се емитује заједно са електронским неутрином.

Број протона и неутрона у атомском језгру се може променити, мада су за то потребне велике енергије због дејстава јаке силе. Нуклеарна фузија се одвија кад се вишеструке атомске честице споје и формирају теже језгро, на пример путем енергетске колизије два нуклеуса. У језгру Сунца протонима су потребне енергије од 3–10 KeV да би се превазишло њихово природно одбијање — Кулонова баријера — и да би се спојили у заједничко језгро.[14] Нуклеарна фисија је супротни процес, који узрокује цепање језгра у два мања језгра — обично путем радиоактивног распада. Језгра се исто тако могу модификовати путем бомбардовања субатомским честицама високе енергије или фотонима. Ако се тиме промени број протона у језгру, атом прелази у различити хемијски елемент.[15][16]

Ако је маса језгра након реакције фузије мања од суме маса засебних честица, онда разлика између тих вредности може да буде емитована као вид употребљиве енергије (као што су гама зраци, или кинетичка енергија бета честица), у складу са Ајнштајновом формулом еквиваленције масе и енергије, E = mc2, где је м губитак масе, а ц је брзина светлости. Тај дефицит је део енергије везивања новог језгра, и представља неповратни губитак енергије који узрокује да спојена језгра остану заједно у стању коме је неопходна та енергију да би дошло до развајања.[17]

Фузија два језгра којом се формира веће језгро са мањим атомским бројевима од гвожђа и никла — тотал број нуклеона од око 60 — је обично егзотермни процес у коме се отпушта више енергије него што је потребно за спајање.[18] Тај процес отпуштања енергије чини нуклеарну фузију у звездама само одрживом реакцијом. За тежа језгра, енергија везивања по нуклеону у језгру почиње да опада. Консеквентно, фузиони процеси којима се формирају језгра са атомским бројем већим од око 26, и атомским масама већим од око 60, су ендотермни процеси. Та масивнија језгра не подлежу фузији при којој се отпушта енергија тако да се може одржати хидростатичка равнотежа звезде.[13]

Електронски облак[уреди]

Дистрибуција потенцијала у складу са класичном механиком, минимална енергија V(x) потребна да се достигне свака позиција x. Класично, честица са енергијом E је формирана са опсегом позиција између x1 и x2.
Таласне функције првих пет атомских орбитала. Свака од три 2п орбитале приказује један угаони чвор који има оријентацију и минимум у центру.
Како су атоми конструисани од електронских орбитала и веза са периодном табелом

Електроне у атому привлаче протони у језгру дејстсвом електромагнетске силе. Та сила везује електроне унутар електростатичке јаме потенцијала која окружује мало језгро, што значи да је спољашњи извор енергије неопходан да би се одвојили електрони. Што је електрон ближе језгру, то је већа сила привлаћења. Отуда је електронима везаним у близини центра јаме потенцијала потребно више енергије да се одвоје од оних на већим растојањима.

Електрони, попут других честица, имају двојна својства честица и таласа. Електронски облак је регион унутар јаме потенцијала, при чему сваки електрон формира тип тродимензионог стајаћег таласа — форме таласа који се не покреће релативно на језгро. Такво понашање се дефинише као атомска орбитала, математичка функција која описује вероватночу да ће електрон боравити на датој локацији кад се његова позиција мери.[19] Једино дискретни (или квантизовани) сет тих орбитала постоји око језгра, пошто други могући таласни патерни брзо прелазе у стабилнију форму.[20] Орбитале могу да имају један или више прсенова или чворних структура, и оне се међусобно разликују по величини, облику и оријентацији.[21]

Свака атомска орбитала одговара специфичном енергетском нивоу електрона. Електрон може да промени своје стање до вишег енергетског нивоа путем апсорбовања фотона са довољном енергијом да омогући прелаз у ново квантно стање. Слично томе, путем спонтане емисије, електрон у вишем енергетском стању може да се спусти на ниже енергетско стање уз емитовање сувишне енергије у облику фотона. Те карактеристичне енергетске вредности, дефинисане разликама енергија квантних стања, су одговорне за атомске спектралне линијс.[20]

Количина енергија која је неопходна за уклањање или додавање електрона — електронска енергија везивања — је далеко мања од енергије везивања нуклеона. На пример, неопходно је само 13,6 eV да би се одвојио електрон у стационарном стању из атома водоника,[22] у поређењу са 2,23 милиона eV за цепање језгра деутеријума.[23] Атоми су електрично неутрални, ако имају једнак број протан и електрона. Атоми који имају било дефицит или суфицит електрона се називају јонима. Електрони који су најудаљенији од језгра се могу пренети на оближње атоме или их атоми могу делити. Путем тог механизма, атоми се могу везати у молекуле и друге типове хемијских једињења, као што су јонске и ковалентне мреже кристала.[24]

Историја[уреди]

Прве идеје о атому су дали грчки филозофи Леукип и његов ученик Демокрит у 4. и 5. веку п. н. е. Они су говорили да је свет грађен од бесконачног броја невидљивих и недељивих честица- атома (atomos- недјељив). Говорили су да су атоми вјечни и да се разликују по облику, тежини, тврдоћи и величини. Такође, тврдили су да се атоми крећу у празном простору, праволинијски - одозго према доле. Тежи се брже крећу, сустижу лакше, групишу и тако граде све ствари. Демокрит је тврдио да су права својства атома: облик, величина, тежина, покрет и тврдоћа. Секундарна својства су: боје, мириси и окуси.

Откриће електрона 1897. (Ј. Ј. Томпсон) показало је да се у атомима налазе још фундаменталније честице. 14 година касније, Рутхерфорд је открио да се већина масе атома налази у сичушној језгри (нуцлеус) чији је радијус само 1/100000 у односу на цели атом. У међувремену, Макс Планк (1858—1947.]]) поставио је теорију да се светлост састоји од фотона који су еквивалент честицама валног гибања.

Модели атома[уреди]

  • 1. Први модел атома приписује се Демокриту. Пошто у то доба није било никаквих сазнања о структури атома (нису постојали електронски микроскопи), атоми су замишљани као јако мале недељиве куглице.
  • 2. „Пудинг“-модел - кад је откривен електрон, формирана је теорија да су у средишту атома електрони, а свуда около је позитиван набој. То је метафора на суво грожђе у пудингу (грожђе је мало док је посуда пудинга велика).
  • 3. Боров модел је установљен после Рутерфордових експеримената којима је утврђено да је у центру атома мало позитивно наелектрисано језгро (нуклеус), а електрони круже у орбиталама око језгра попут планета које круже око Сунца. Да би тај модел био прихваћен, било је неопходно да се реши следећи проблем: пошто је језгро позитивно наелектрисано, а електрон негативно, зашто електрон уопште кружи око језгра, и зашто се не споји с језгром.
Решење је продложио 1913. годне Нилс Бор са следеће 4 претпоставке:
1. Електрони постоје у орбиталама које поседују дискретне (квантизоване) енергије. То значи да не постоји континуирани могући размак између језгра и орбитале, него су могући само неки размаци. Ти размаци и њима одговарајуће енергије зависе од конкретног атома који разматрамо.
2. Закони класичне механике не вреде при преласку електрона из једне орбитале у другу.
3. Кад електрон пређе из једне орбитале у другу енергетска разлика се ослобађа (или добија) у виду кванта светлости (који називамо фотон) чија фреквенција директно зависи од енергетске разлике између две орбите.
где је f фреквенција фотона, E енергетска разлика, а h је константа позната као Планкова константа. Ако дефинирамо да је можемо писати
где је ω угаона фреквенција фотона.
4. Дозвољене орбитале зависе од квантизованих (дискретних) вредности угаоног момента L према једначини:
Где је n = 1,2,3,… и зовемо га квантни број угаоног момента.
  • 4. Данашњи модел атома називамо квантно-механички модел, јер је с временом утврђено да Бохров модел не одговара баш најбоље експериментима, да електрони не круже баш по кружницама, него слике доступне помоћу електронских микроскопа приказују електронске облаке.

Етимологија[уреди]

Реч атом долази од старогрчке речи atomos - недељив, што је у складу с веровањем (актуелним до 19. века) да су атоми најмањи дељиви елементи материје.

Референце[уреди]

  1. D. C. Ghosh & R. Biswas (2002). „Theoretical calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii”. Int. J. Mol. Sci. 3: 87—113. doi:10.3390/i3020087. 
  2. Fatal Error
  3. Leigh, G. J., ур. (1990). International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on the Nomenclature of Inorganic Chemistry, Nomenclature of Organic Chemistry – Recommendations 1990. Oxford: Blackwell Scientific Publications. стр. 35. ISBN 978-0-08-022369-8. »An atom is the smallest unit quantity of an element that is capable of existence whether alone or in chemical combination with other atoms of the same or other elements.« 
  4. Dr. Ljubiša Grlić, Mali kemijski leksikon, 2. izdanje, Naprijed, Zagreb. 1992. ISBN 978-86-349-0292-1. стр. 25.
  5. Demtröder, Wolfgang (2002). Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics (1st изд.). Springer. стр. 39—42. ISBN 978-3-540-20631-6. OCLC 181435713. 
  6. Woan, Graham (2000). The Cambridge Handbook of Physics. Cambridge University Press. стр. 8. ISBN 978-0-521-57507-2. OCLC 224032426. 
  7. MacGregor, Malcolm H. (1992). The Enigmatic Electron. Oxford University Press. стр. 33—37. ISBN 978-0-19-521833-6. OCLC 223372888. 
  8. 8,0 8,1 Particle Data Group (2002). „The Particle Adventure”. Lawrence Berkeley Laboratory. Архивирано из оригинала на датум 4. 1. 2007. Приступљено 3. 1. 2007. 
  9. 9,0 9,1 Schombert, James (18. 4. 2006). „Elementary Particles”. University of Oregon. Приступљено 3. 1. 2007. 
  10. Jevremovic, Tatjana (2005). Nuclear Principles in Engineering. Springer. стр. 63. ISBN 978-0-387-23284-3. OCLC 228384008. 
  11. Pfeffer, Jeremy I.; Nir, Shlomo (2000). Modern Physics: An Introductory Text. Imperial College Press. стр. 330—336. ISBN 978-1-86094-250-1. OCLC 45900880. 
  12. Wenner, Jennifer M. (10. 10. 2007). „How Does Radioactive Decay Work?”. Carleton College. Приступљено 9. 1. 2008. 
  13. 13,0 13,1 13,2 Raymond, David (7. 4. 2006). „Nuclear Binding Energies”. New Mexico Tech. Архивирано из оригинала на датум 11. 12. 2006. Приступљено 3. 1. 2007. 
  14. Mihos, Chris (23. 7. 2002). „Overcoming the Coulomb Barrier”. Case Western Reserve University. Приступљено 13. 2. 2008. 
  15. Staff (30. 3. 2007). „ABC's of Nuclear Science”. Lawrence Berkeley National Laboratory. Архивирано из оригинала на датум 5. 12. 2006. Приступљено 3. 1. 2007. 
  16. Makhijani, Arjun; Saleska, Scott (2. 3. 2001). „Basics of Nuclear Physics and Fission”. Institute for Energy and Environmental Research. Архивирано из оригинала на датум 16. 1. 2007. Приступљено 3. 1. 2007. 
  17. Shultis, J. Kenneth; Faw, Richard E. (2002). Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. CRC Press. стр. 10—17. ISBN 978-0-8247-0834-4. OCLC 123346507. 
  18. Fewell, M. P. (1995). „The atomic nuclide with the highest mean binding energy”. American Journal of Physics. 63 (7): 653—658. Bibcode:1995AmJPh..63..653F. doi:10.1119/1.17828. 
  19. Mulliken, Robert S. (1967). „Spectroscopy, Molecular Orbitals, and Chemical Bonding”. Science. 157 (3784): 13—24. Bibcode:1967Sci...157...13M. PMID 5338306. doi:10.1126/science.157.3784.13. 
  20. 20,0 20,1 Brucat, Philip J. (2008). „The Quantum Atom”. University of Florida. Архивирано из оригинала на датум 7. 12. 2006. Приступљено 4. 1. 2007. 
  21. Manthey, David (2001). „Atomic Orbitals”. Orbital Central. Архивирано из оригинала на датум 10. 1. 2008. Приступљено 21. 1. 2008. 
  22. Herter, Terry (2006). „Lecture 8: The Hydrogen Atom”. Cornell University. Приступљено 14. 2. 2008. 
  23. Bell, R. E.; Elliott, L. G. (1950). „Gamma-Rays from the Reaction H1(n,γ)D2 and the Binding Energy of the Deuteron”. Physical Review. 79 (2): 282—285. Bibcode:1950PhRv...79..282B. doi:10.1103/PhysRev.79.282. 
  24. Smirnov, Boris M. (2003). Physics of Atoms and Ions. Springer. стр. 249—272. ISBN 978-0-387-95550-6. 

Литература[уреди]

  • Demtröder, Wolfgang (2002). Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic- Molecular- and Quantum Physics (1st изд.). Springer. стр. 39—42. ISBN 978-3-540-20631-6. OCLC 181435713. 

Спољашње везе[уреди]