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 kvarkidest.
Aatomid loodi pärast Suurt Pauku 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. CERN väitel toimus see kõik universumi eksistentsi esimestel minutitel.
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 Jefferson Labi sõnul endiselt kõige rikkalikumad elemendid universumis. 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. Los Alamose riikliku labori andmetel on elektronpilve raadius tuumaga 10 000 korda suurem.
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.
Tuum
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.
Chemistry LibreTextsi andmetel asub praktiliselt kogu aatomi mass selle tuumas. Tuuma moodustavad prootonid ja neutronid on umbes sama massiga (prootoni on pisut vähem) ja neil on sama nurdenurk ehk spin.
Tuuma hoiab koos tugev jõud, mis on üks looduse neljast põhijõust. See prootonite ja neutronite vaheline jõud ületab elektrienergia reeglite järgi tõrjuva elektrilise jõu, mis muidu prootonid lahutaks. Mõned aatomituumad on ebastabiilsed, kuna erinevate aatomite sidumisjõud varieerub sõltuvalt tuuma suurusest. Need aatomid lagunevad seejärel muudeks elementideks, näiteks süsinik-14 lagunevad lämmastiku-14-ks.
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 süsinikuaatomitel on kuus prootonit, vesinikuaatomitel on üks ja hapnikuaatomitel on kaheksa. Prootonite arvule aatomis viidatakse selle elemendi aatomnumbrile. Prootonite arv määrab ka elemendi keemilise käitumise. Elemendid on paigutatud elementide perioodilisse tabelisse 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. Jefferson Labi andmetel on elektronid umbes 0,054% massiivsed kui neutronid.
Suurbritannia füüsik Joseph John (J. J.) Thomson avastas teaduse ajaloo instituudi andmetel elektroni 1897. aastal. 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 1920. aastatel esitas 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 Los Alamose riikliku labori andmetel ennustada aatomi omadusi, näiteks stabiilsust, keemistemperatuuri ja juhtivust.
Neutronid
Neutroni olemasolu teoreetiliselt tegi Rutherford 1920. aastal ja avastas Chadwick 1932. aastal Ameerika füüsikaühingu andmetel. Neutronid leiti katsete ajal, kui aatomid tulistati berülliumi õhukese lehe külge. 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 Universumi Tänapäeva andmetel ei saa jagada. Kuna aga enamik tolleaegsed filosoofid - eriti väga mõjuvõimas Aristoteles - uskusid, et kogu mateeria on loodud maast, õhust, tulest ja veest, pandi Democrituse aatomiteooria kõrvale.
Suurbritannia keemik John Dalton tugines Democrituse ideedele 1803. aastal, kui ta esitas Purdue ülikooli keemiaosakonna andmetel oma aatomiteooria. Daltoni teooria hõlmas mitmeid demokraatia ideid, nagu aatomid on jagamatud ja hävimatud ning et erinevad aatomid moodustuvad koos, et luua kogu mateeria. Daltoni lisandused teooriasse hõlmasid järgmisi ideid: et teatud elemendi 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 täisarvudena.
1897. aastal elektroni avastanud Briti füüsik Thomson tõestas keemilise pärandi fondi andmetel, et aatomeid saab jagada. Ta suutis elektronide olemasolu kindlaks teha, uurides elektronkiiretorude elektrilahenduse omadusi. Thomsoni 1897. aasta paberi järgi kaldusid kiired torus sisse, 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 leitav Chem Team saidilt. Thomsoni aatomi mudel sisaldas 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 arendas, oli Rutherford, kes õppis Thomsoni all Purdue ülikooli keemiaosakonna andmetel. 1911. aastal avaldas Rutherford oma versiooni aatomist, mis sisaldas positiivselt laetud tuuma, mida orbiidid tiirlesid elektronid. See mudel tekkis siis, kui Rutherford ja tema abilised tulistasid alfaosakesi õhukestele kuldlehtedele. Jefferson Labi andmetel koosneb alfaosake kahest prootonist ja kahest neutronist, mida kõiki hoiab koos sama tugev tuumajõud, mis seob tuuma.
Teadlased märkasid, et väike protsent alfaosakesi oli hajutatud algse liikumissuuna suhtes väga suurte nurkade all, 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 (Rutherfordi mudeli järgi ehitatud vesiniku spektril põhinevate elektronide omadustega), Erwin Schrödinger (aatomi kvantmudeli väljatöötaja), Werner Heisenberg (väitis, et mõlemaid ei saa teada. elektroni asukoht ja kiirus üheaegselt) ning Murray Gell-Mann ja George Zweig (arendasid iseseisvalt välja teooria, et prootonid ja neutronid koosnesid kvarkidest).
