2.2: Struktura atomowa

Przegląd

Cała materia składa się z atomów, najmniejszych pojedynczych jednostek pierwiastków. Każdy atom składa się z trzech cząstek subatomowych: protonów, neutronów i elektronów. Razem te trzy cząstki odpowiadają za masę i ładunek atomu.

Historia teorii atomu

Pierwszą osobą, która zasugerowała, że wszystko na Ziemi składa się z maleńkich cząstek, był grecki filozof Demokryt około 450 roku p.n.e. Użył terminu atomos, co po grecku oznacza “niepodzielny”, od którego wywodzi się współczesny termin “atom”. Jego idea nie była jednak wówczas traktowana poważnie i minęło wiele wieków, zanim koncepcja atomu została ożywiona. W XIX wieku John Dalton zaproponował teorię atomową, która jest w dużej mierze poprawna do dziś. Wysunął pięć postulatów wyjaśniających, w jaki sposób atomy tworzą otaczający nas świat: (1) cała materia składa się z nieskończenie małych cząstek, czyli atomów; (2) wszystkie atomy danego pierwiastka są identyczne względem siebie oraz (3) różnią się od atomów wszystkich innych pierwiastków; (4) dwa lub więcej pierwiastków może łączyć się w ustalonym stosunku, tworząc związek; oraz (5) atomy nie mogą być tworzone ani niszczone w reakcji chemicznej, ale mogą być przegrupowywane, tworząc nowe substancje.

Odkrywanie cząstek subatomowych, z których składa się atom

Dalton miał tylko częściowo rację co do cząstek, z których składa się materia. Chociaż atomy nie mogą być dalej rozkładane przez zwykłe procesy chemiczne lub fizyczne, składają się one z trzech mniejszych cząstek subatomowych. Pierwsza wskazówka na temat struktury subatomowej pojawiła się pod koniec XIX wieku, kiedy J.J. Thomson odkrył elektron. Naukowcy wiedzieli, że całkowity ładunek atomu jest neutralny, ale “model budyniu śliwkowego” Thomsona próbował pogodzić te nowe informacje dotyczące istnienia ujemnie naładowanej cząstki, sugerując, że elektrony znajdują się usiane w obszarze ładunku dodatniego. Zaledwie kilka lat później Ernest Rutherford przeprowadził eksperyment pokazujący, że większość masy atomu jest skoncentrowana w jądrze, gdzie protony odpowiadają za dodatni ładunek atomu, a maleńkie ujemnie naładowane elektrony zajmują większość przestrzeni na zewnątrz jądra. To obaliło model budyniu śliwkowego Thomsona i przybliżyło naukowców o krok do znanego nam dzisiaj modelu atomu. Neutron został odkryty później, w 1932 roku, przez Jamesa Chadwicka. Ten ostatni element układanki oznaczał, że naukowcy uwzględnili teraz całą masę obecną w atomie z protonami i neutronami oraz cały jego ładunek z protonów i elektronów.

Budowa atomu

Protony znajdują się w jądrze atomu, mają ładunek dodatni i masę po jednej jednostce masy atomowej (AMU). Liczba protonów jest równa liczbie atomowej w układzie okresowym pierwiastków i określa tożsamość pierwiastka. Neutrony znajdują się również w jądrze. Nie mają ładunku, ale mają taką samą masę jak protony, a tym samym przyczyniają się do masy atomowej atomu. Elektrony krążą wokół jądra w chmurach. Mają ładunek ujemny i znikomą masę, więc przyczyniają się do całkowitego ładunku atomu, ale nie do jego masy.