Atomi — definīcija un uzbūve: ķīmiskie elementi un to īpašības

Vārds "atoms" cēlies no grieķu (ἀτόμος) "atomos", nedalāms, no (ἀ)-, nav un τόμος, griezums. Pirmo reizi vēsturiski vārds "atoms" minēts grieķu filozofa Demokrita darbos ap 400. gadu pirms mūsu ēras. Līdz pat ķīmijas attīstībai 1650. gados atomu teorija palika galvenokārt filozofiska tēma, kas netika īpaši zinātniski pētīta vai pētīta.

1777. gadā franču ķīmiķis Antuāns Lavoisjē pirmo reizi definēja terminu "elements". Viņš teica, ka elements ir jebkura pamatviela, kuru ar ķīmijas metodēm nevar sadalīt citās vielās. Jebkura viela, ko var sadalīt, bija savienojums.

1803. gadā angļu filozofs Džons Daltons ierosināja, ka elementi ir sīkas, cietas lodītes, kas sastāv no atomiem. Daltons uzskatīja, ka visiem viena elementa atomiem ir vienāda masa. Viņš apgalvoja, ka savienojumi veidojas, kad apvienojas vairāku elementu atomi. Pēc Daltona domām, konkrētā savienojumā tā elementu atomi vienmēr savienojas vienādi.

1827. gadā britu zinātnieks Roberts Brauns (Robert Brown) ar mikroskopu aplūkoja putekšņu graudiņus ūdenī. Ziedputekšņu graudiņi šķita kustīgi. Brauns izmantoja Daltona atomu teoriju, lai aprakstītu to kustības modeļus. To sauca par Brauna kustību. Alberts Einšteins 1905. gadā ar matemātikas palīdzību pierādīja, ka šķietami nejaušās kustības izraisa atomu reakcijas, un tādējādi viņš pārliecinoši pierādīja atoma pastāvēšanu. 1869. gadā krievu zinātnieks Dmitrijs Mendeļejevs publicēja pirmo periodiskās sistēmas versiju. Periodiskajā tabulā elementi sagrupēti pēc to atomu skaita (cik protonu tiem ir. Tas parasti sakrīt ar elektronu skaitu). Vienā slejā jeb periodā esošajiem elementiem parasti ir līdzīgas īpašības. Piemēram, hēlijs, neons, argons, kriptons un ksenons ir vienā slejā, un to īpašības ir ļoti līdzīgas. Visi šie elementi ir gāzes, kurām nav krāsas un smaržas. Tie arī nespēj savienoties ar citiem atomiem, veidojot savienojumus. Kopā tās sauc par cēlgāzēm.

Fiziķis Dž. J. Tomsons bija pirmais, kurš atklāja elektronus. Tas notika 1897. gadā, kad viņš strādāja ar katoda stariem. Viņš saprata, ka tiem ir negatīvs lādiņš, atšķirībā no protoniem (pozitīvi) un neitroniem (bez lādiņa). Tomsons izveidoja plūmju pudiņa modeli, kurā apgalvoja, ka atoms ir kā plūmju pudiņš: žāvēti augļi (elektroni) ir iestrēguši pudiņa (protonu) masā. 1909. gadā zinātnieks Ernests Roterfords ar Geigera-Marsdena eksperimenta palīdzību pierādīja, ka lielākā daļa atoma atrodas ļoti mazā telpā, ko sauc par atoma kodolu. Ruterfords paņēma fotoplati, pārklāja to ar zelta foliju un pēc tam uz to raidīja alfa daļiņas (kas sastāv no diviem kopā saliptiem protoniem un diviem neitroniem). Daudzas no daļiņām izgāja cauri zelta folijai, kas pierādīja, ka atomi lielākoties ir tukša telpa. Elektroni ir tik mazi, ka tie veido tikai 1 % atoma masas.

1913. gadā Nilss Bors ieviesa Bora modeli. Šis modelis parādīja, ka elektroni ap kodolu pārvietojas pa nemainīgām apļveida orbītām. Tas bija precīzāks nekā Roterforda modelis. Tomēr tas joprojām nebija pilnīgi pareizs. Kopš Bora modeļa ieviešanas ir veikti uzlabojumi.

1925. gadā ķīmiķis Frederiks Sodijs atklāja, ka dažiem periodiskās sistēmas elementiem ir vairāk nekā viena veida atomi. Piemēram, jebkuram atomam ar 2 protoniem vajadzētu būt hēlija atomam. Parasti hēlija kodols satur arī divus neitronus. Tomēr dažiem hēlija atomiem ir tikai viens neitrons. Tas nozīmē, ka tie patiešām ir hēlijs, jo elementu nosaka pēc protonu skaita, bet tie nav arī parasts hēlijs. Šādu atomu ar atšķirīgu neitronu skaitu Sodijs sauc par izotopu. Lai iegūtu izotopa nosaukumu, mēs skatāmies, cik protonu un neitronu ir tā kodolā, un pievienojam to elementa nosaukumam. Tādējādi hēlija atomu ar diviem protoniem un vienu neitronu sauc par hēliju-3, bet oglekļa atomu ar sešiem protoniem un sešiem neitroniem - par oglekli-12. Tomēr, izstrādājot savu teoriju, Sodijs nevarēja būt drošs, ka neitroni patiešām eksistē. Lai pierādītu, ka tie ir reāli, fiziķis Džeimss Čadviks (James Chadwick) kopā ar citu pētnieku grupu izveidoja masas spektrometru. Masas spektrometrs faktiski mēra atsevišķu atomu masu un svaru. Šādi Čadviks pierādīja, ka, lai noteiktu visu atoma svaru, neitroniem ir jāeksistē.

1937. gadā vācu ķīmiķis Otto Hāns kļuva par pirmo cilvēku, kas laboratorijā radīja kodola skaldīšanu. Viņš to atklāja nejauši, kad, cerot radīt jaunu izotopu, raidīja neitronus uz urāna atomu. Tomēr viņš pamanīja, ka tā vietā, lai radītu jaunu izotopu, urāns vienkārši pārvērtās par bārija atomu, kas ir mazāks par urānu. Acīmredzot Hāns bija "salauzis" urāna atomu. Tā bija pasaulē pirmā reģistrētā kodola skaldīšanās reakcija. Šis atklājums galu galā noveda pie atombumbas izveides.

Turpinot 20. gadsimtu, fiziķi iedziļinājās atoma noslēpumos. Izmantojot daļiņu paātrinātājus, viņi atklāja, ka protoni un neitroni patiesībā sastāv no citām daļiņām, ko sauc par kvarkiem.

Līdz šim visprecīzākais modelis ir Šrēdingera vienādojums. Šrēdingers saprata, ka elektroni ap kodolu atrodas mākonī, ko sauc par elektronu mākoni. Elektronu mākonī nav iespējams precīzi noteikt, kur tieši atrodas elektroni. Šrēdingera vienādojumu izmanto, lai noskaidrotu, kur varētu atrasties elektrons. Šo apgabalu sauc par elektrona orbitāli.

Daļas

Sarežģīto atomu veido trīs galvenās daļiņas: protons, neitrons un elektrons. Ūdeņraža izotopā Ūdeņradis-1 nav neitronu, ir tikai viens protons un viens elektrons. Pozitīvajam ūdeņraža jonam nav elektronu, ir tikai viens protons un viens neitrons. Šie divi piemēri ir vienīgie zināmie izņēmumi no noteikuma, ka visiem pārējiem atomiem ir vismaz pa vienam protonam, neitronam un elektronam.

Elektroni ir mazākā no trim atomu daļiņām, to masa un izmērs ir pārāk mazi, lai tos varētu izmērīt ar pašreizējām tehnoloģijām. Tiem ir negatīvs lādiņš. Protoniem un neitroniem ir līdzīgi izmēri un masa, protoni ir pozitīvi lādēti, bet neitroniem nav lādiņa. Lielākajai daļai atomu ir neitrāls lādiņš; tā kā protonu (pozitīvo) un elektronu (negatīvo) skaits ir vienāds, lādiņi izlīdzinās līdz nullei. Tomēr jonos (ar atšķirīgu elektronu skaitu) tas ne vienmēr tā ir, un tiem var būt pozitīvs vai negatīvs lādiņš. Protoni un neitroni sastāv no divu veidu kvarkiem: augšējiem kvarkiem un lejējiem kvarkiem. Protonu veido divi augšējie kvarki un viens lejupējais kvarks, bet neitronu - divi lejupējie kvarki un viens augšējais kvarks.

Nucleus

Kodols atrodas atoma vidū. To veido protoni un neitroni. Parasti dabā divas lietas ar vienādu lādiņu viena otru atgrūž vai attālinās viena no otras. Tāpēc ilgu laiku zinātniekiem bija noslēpums, kā pozitīvi uzlādētie protoni kodolā paliek kopā. Viņi to atrisināja, atklājot daļiņu, ko sauc par glionu. Tās nosaukums cēlies no vārda "līme", jo gluoni darbojas kā atomu līme, salīmējot protonus kopā, izmantojot spēcīgo kodola spēku. Tieši šis spēks satur kopā arī kvarkus, kas veido protonus un neitronus.

Neitronu skaits attiecībā pret protoniem nosaka, vai kodols ir stabils vai radioaktīvi sadalās. Ja neitronu vai protonu ir pārāk daudz, atoms cenšas panākt, lai to skaits būtu vienāds, atbrīvojoties no liekajām daļiņām. Tas tiek darīts, izstarojot starojumu alfa, beta vai gamma sabrukšanas veidā. Kodoli var mainīties arī citos veidos. Kodola skaldīšanās notiek tad, kad kodols sadalās divos mazākos kodolos, atbrīvojot daudz uzkrātās enerģijas. Šī enerģijas atbrīvošanās ir kodola skaldīšanās veids, kas ir noderīgs bumbu un elektrības ražošanai kodolenerģijas veidā. Otrs veids, kā kodoli var mainīties, ir kodolsintēze, kad divi kodoli savienojas jeb saplūst, veidojot smagāku kodolu. Šim procesam nepieciešams ārkārtīgi liels enerģijas daudzums, lai pārvarētu elektrostatisko pretestību starp protoniem, jo tiem ir vienāds lādiņš. Šādas augstas enerģijas ir visbiežāk sastopamas tādās zvaigznēs kā mūsu Saule, kas sadedzina ūdeņradi, lai iegūtu degvielu.

Elektroni

Elektroni riņķo ap kodolu jeb pārvietojas ap to. Tos sauc par atoma elektronu mākoni. Elektromagnētiskāspēka dēļ tie tiek piesaistīti kodola tuvumā. Elektroniem ir negatīvs lādiņš, un kodols vienmēr ir ar pozitīvu lādiņu, tāpēc tie piesaista viens otru. Ap kodolu daži elektroni atrodas tālāk par citiem, dažādos slāņos. Tos sauc par elektronu čaulām. Lielākajā daļā atomu pirmajā čaulā ir divi elektroni, bet visos nākamajos - astoņi. Izņēmumi ir reti, bet tie notiek, un tos ir grūti paredzēt. Jo tālāk elektrons atrodas no kodola, jo vājāka ir kodola vilkme uz to. Tāpēc lielāki atomi ar vairāk elektroniem vieglāk reaģē ar citiem atomiem. Kodola elektromagnētisms nav pietiekami spēcīgs, lai noturētu to elektronus, un atomi zaudē elektronus spēcīgajam mazāku atomu pievilkšanas spēkam.

Dažiem elementiem un daudziem izotopiem ir tā sauktais nestabilais kodols. Tas nozīmē, ka kodols ir vai nu pārāk liels, lai noturētos kopā, vai arī tajā ir pārāk daudz protonu vai neitronu. Šādā gadījumā kodolam ir jāatbrīvojas no liekās masas vai daļiņām. Tas tiek darīts ar starojuma palīdzību. Atomu, kas šādi rīkojas, var saukt par radioaktīvu. Nestabili atomi turpina būt radioaktīvi, līdz tie zaudē pietiekami daudz masas/daļiņu, lai kļūtu stabili. Visi atomi ar atomu skaitu virs 82 (82 protoni, svins) ir radioaktīvi.

Ir trīs galvenie radioaktīvās sabrukšanas veidi: alfa, beta un gamma.

• Alfa sabrukšanas gadījumā atoms izšauj daļiņu ar diviem protoniem un diviem neitroniem. Tas būtībā ir hēlija kodols. Rezultātā rodas elements, kura atomu skaits ir par diviem mazāks nekā iepriekš. Piemēram, ja berilija atoms (atoms ar atomu numuru 4) izietu alfa sabrukšanas procesu, tas kļūtu par hēliju (atoms ar atomu numuru 2). Alfa sabrukšana notiek, ja atoms ir pārāk liels un tam nepieciešams atbrīvoties no daļas masas.
• Beta sabrukšana notiek, kad neitrons pārvēršas par protonu vai protons par neitronu. Pirmajā gadījumā atoms izšauj elektronu. Otrajā gadījumā tas ir pozitrons (tāpat kā elektrons, bet ar pozitīvu lādiņu). Rezultātā rodas elements ar par vienu atomu numuru lielāku vai par vienu atomu numuru mazāku nekā iepriekš. Beta sabrukšana notiek, ja atomā ir vai nu pārāk daudz protonu, vai pārāk daudz neitronu.
• Gamma sabrukšana ir tad, kad atoms izstaro gamma staru jeb vilni. Tas notiek, kad mainās kodola enerģija. Tas parasti notiek pēc tam, kad kodols jau ir izgājis alfa vai beta sabrukšanas procesu. Nemainās atoma masa vai atoma atomu skaits, tikai kodola iekšienē uzkrātā enerģija.

Katram radioaktīvajam elementam vai izotopam ir tā sauktais pusperiods. Tas nozīmē, cik ilgā laikā sadalās puse no attiecīgā veida atomu parauga, līdz tie kļūst par citu stabilu izotopu vai elementu. Lieliem atomiem vai izotopiem ar lielu atšķirību starp protonu un neitronu skaitu būs ilgs pusperiods, jo tiem ir jāzaudē vairāk neitronu, lai kļūtu stabili.

Marija Kirī atklāja pirmo starojuma veidu. Viņa atrada šo elementu un nosauca to par radiju. Viņa bija arī pirmā sieviete, kas saņēma Nobela prēmiju.

Frederiks Sodijs veica eksperimentu, lai novērotu, kas notiek, sadaloties radijam. Viņš ievietoja paraugu spuldzītē un gaidīja, kamēr tas sāks sadalīties. Pēkšņi spuldzītē parādījās hēlijs (satur 2 protonus un 2 neitronus), un šajā eksperimentā viņš atklāja, ka šāda veida starojumam ir pozitīvs lādiņš.

Džeimss Čadviks atklāja neitronu, novērojot dažādu radioaktīvo izotopu sabrukšanas produktus. Čadviks pamanīja, ka elementu atomu skaits ir mazāks par atoma kopējo atommasu. Viņš secināja, ka elektroni nevar būt papildu masas cēlonis, jo tiem gandrīz nav masas.

Enriko Fermi izmantoja neitronus, lai šautu tos uz urānu. Viņš atklāja, ka urāns sadalās daudz ātrāk nekā parasti un rada daudz alfa un beta daļiņu. Viņš arī uzskatīja, ka urāns pārvērtās jaunā elementā, ko viņš nosauca par hespēriju.

Otto Hāns un Frics Štrassmans atkārtoja Fermī eksperimentu, lai pārliecinātos, vai jaunais elements hespērijs patiešām ir radies. Viņi atklāja divas jaunas lietas, ko Fermi nebija novērojis. Izmantojot daudz neitronu, atoma kodols sašķeltos, radot daudz siltumenerģijas. Jau bija atklāti arī urāna skaldīšanās produkti: torijs, palādijs, radijs, radons un svins.

Fermi pamanīja, ka viena urāna atoma skaldīšanās izstaro vēl vairāk neitronu, kas tad sašķeļ citus atomus, radot ķēdes reakcijas. Viņš saprata, ka šo procesu sauc par kodola skaldīšanos un ka tas var radīt milzīgu siltuma enerģijas daudzumu.

Tieši šis Fermi atklājums noveda pie pirmās kodolumbas ar kodēto nosaukumu "Trīsvienība" izstrādes.