Atomas

Istorija

Žodis "atomas" kilęs iš graikų kalbos (ἀτόμος) "atomos" - nedalomas, iš (ἀ)-, ne, ir τόμος - pjūvis. Pirmą kartą istorijoje žodis "atomas" paminėtas graikų filosofo Demokrito darbuose apie 400 m. pr. Atomo teorija išliko daugiausia filosofine tema, kurioje nebuvo daug realių mokslinių tyrimų ar studijų, iki pat chemijos vystymosi XVI a. penktajame dešimtmetyje.

1777 m. prancūzų chemikas Antuanas Lavoazjė pirmą kartą apibrėžė elemento sąvoką. Jis teigė, kad elementas yra bet kokia pagrindinė medžiaga, kurios chemijos metodais negalima suskaidyti į kitas medžiagas. Bet kuri medžiaga, kurią galima suskaidyti, buvo junginys.

1803 m. anglų filosofas Džonas Daltonas iškėlė mintį, kad elementai yra maži kieti rutuliukai, sudaryti iš atomų. Daltonas manė, kad visi to paties elemento atomai turi vienodą masę. Jis teigė, kad junginiai susidaro, kai jungiasi daugiau nei vieno elemento atomai. Daltono teigimu, tam tikrame junginyje junginio elementų atomai visada jungiasi vienodai.

1827 m. britų mokslininkas Robertas Braunas (Robert Brown) mikroskopu stebėjo vandenyje esančius žiedadulkių grūdelius. Paaiškėjo, kad žiedadulkių grūdeliai siūbuoja. Braunas pasinaudojo Daltono atomo teorija, kad apibūdintų jų judėjimo dėsningumus. Tai buvo pavadinta Brauno judėjimu. 1905 m. Albertas Einšteinas, pasitelkęs matematiką, įrodė, kad iš pažiūros atsitiktinius judesius sukelia atomų reakcijos, ir taip galutinai įrodė atomo egzistavimą. 1869 m. rusų mokslininkas Dmitrijus Mendelejevas paskelbė pirmąją periodinės lentelės versiją. Periodinėje lentelėje elementai sugrupuoti pagal jų atominį skaičių (kiek protonų jie turi. Paprastai šis skaičius sutampa su elektronų skaičiumi). To paties stulpelio, arba periodo, elementai paprastai pasižymi panašiomis savybėmis. Pavyzdžiui, helis, neonas, argonas, kriptonas ir ksenonas yra tame pačiame stulpelyje ir pasižymi labai panašiomis savybėmis. Visi šie elementai yra dujos, kurios neturi spalvos ir kvapo. Be to, jie negali jungtis su kitais atomais ir sudaryti junginių. Kartu jie vadinami tauriosiomis dujomis.

Fizikas J. J. Thomsonas pirmasis atrado elektronus. Tai įvyko 1897 m. jam dirbant su katodiniais spinduliais. Jis suprato, kad jie turi neigiamą krūvį, kitaip nei protonai (teigiamas) ir neutronai (be krūvio). Tomsonas sukūrė slyvų pudingo modelį, pagal kurį atomas buvo panašus į slyvų pudingą: džiovinti vaisiai (elektronai) buvo įstrigę pudingo (protonų) masėje. 1909 m. mokslininkas Ernestas Rutherfordas Geigerio-Marsdeno eksperimentu įrodė, kad didžioji atomo dalis yra labai mažoje erdvėje, vadinamoje atomo branduoliu. Rutherfordas paėmė fotoplokštelę, uždengė ją aukso folija ir paleido į ją alfa daleles (sudarytas iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, sulipdytų kartu). Daugelis dalelių prasiskverbė pro aukso foliją, ir tai įrodė, kad atomai dažniausiai yra tuščia erdvė. Elektronai yra tokie maži, kad sudaro tik 1 % atomo masės.

1913 m. Nielsas Boras pristatė Boro modelį. Šis modelis parodė, kad elektronai aplink branduolį skrieja fiksuotomis apskritiminėmis orbitomis. Jis buvo tikslesnis už Rutherfordo modelį. Tačiau jis vis dar nebuvo visiškai teisingas. Nuo tada, kai Boras pristatė savo modelį, jis buvo patobulintas.

1925 m. chemikas Frederikas Soddy nustatė, kad kai kurie periodinės elementų lentelės elementai turi daugiau nei vienos rūšies atomų. Pavyzdžiui, bet kuris atomas, turintis 2 protonus, turėtų būti helio atomas. Paprastai helio branduolyje taip pat yra du neutronai. Tačiau kai kurie helio atomai turi tik vieną neutroną. Tai reiškia, kad jie tikrai yra helio, nes elementas apibrėžiamas pagal protonų skaičių, tačiau jie taip pat nėra normalus helis. Tokį atomą, turintį kitokį neutronų skaičių, Sodis vadino izotopu. Norėdami sužinoti izotopo pavadinimą, pažiūrime, kiek protonų ir neutronų turi jo branduolys, ir tai pridedame prie elemento pavadinimo. Taigi helio atomas, turintis du protonus ir vieną neutroną, vadinamas heliu-3, o anglies atomas, turintis šešis protonus ir šešis neutronus, vadinamas anglimi-12. Tačiau kurdamas savo teoriją Sodis negalėjo būti tikras, kad neutronai iš tikrųjų egzistuoja. Norėdamas įrodyti, kad jie yra tikri, fizikas Džeimsas Čadvikas (James Chadwick) ir kitų mokslininkų grupė sukūrė masės spektrometrą. Masės spektrometras iš tikrųjų matuoja atskirų atomų masę ir svorį. Tokiu būdu Chadvikas įrodė, kad, norint paaiškinti visą atomo masę, turi egzistuoti neutronai.

1937 m. vokiečių chemikas Otto Hahnas tapo pirmuoju žmogumi, kuriam laboratorijoje pavyko sukurti branduolio dalijimosi procesą. Jis tai atrado atsitiktinai, kai šovė neutronais į urano atomą, tikėdamasis sukurti naują izotopą. Tačiau jis pastebėjo, kad vietoj naujo izotopo uranas paprasčiausiai virto bario atomu, mažesniu už uraną. Akivaizdu, kad Hanas "sulaužė" urano atomą. Tai buvo pirmoji pasaulyje užfiksuota branduolių dalijimosi reakcija. Šis atradimas galiausiai paskatino sukurti atominę bombą.

XX a. pabaigoje fizikai gilinosi į atomo paslaptis. Naudodami dalelių greitintuvus jie atrado, kad protonai ir neutronai iš tikrųjų yra sudaryti iš kitų dalelių, vadinamų kvarkais.

Kol kas tiksliausias modelis yra Schrödingerio lygtis. Šrödingeris suprato, kad elektronai egzistuoja aplink branduolį esančiame debesyje, vadinamame elektronų debesimi. Elektronų debesyje neįmanoma tiksliai žinoti, kur yra elektronai. Šrödingerio lygtis naudojama norint sužinoti, kur gali būti elektronas. Ši sritis vadinama elektrono orbitalėmis.

Ernestas Rutherfordas

Struktūra ir dalys

Dalys

Sudėtingą atomą sudaro trys pagrindinės dalelės: protonas, neutronas ir elektronas. Vandenilio izotopas Vandenilis-1 neturi neutronų, tik vieną protoną ir vieną elektroną. Teigiamas vandenilio jonas neturi elektronų, tik vieną protoną ir vieną neutroną. Šie du pavyzdžiai yra vienintelės žinomos taisyklės, kad visi kiti atomai turi bent po vieną protoną, vieną neutroną ir vieną elektroną, išimtys.

Elektronai yra mažiausios iš trijų atomo dalelių, jų masė ir dydis yra per maži, kad juos būtų galima išmatuoti dabartinėmis technologijomis. Jie turi neigiamą krūvį. Protonai ir neutronai yra panašaus dydžio ir masės, protonai turi teigiamą krūvį, o neutronai neturi krūvio. Dauguma atomų turi neutralų krūvį; kadangi protonų (teigiamų) ir elektronų (neigiamų) skaičius yra vienodas, krūviai išsibalansuoja iki nulio. Tačiau jonuose (skirtingas elektronų skaičius) taip yra ne visada, ir jie gali turėti teigiamą arba neigiamą krūvį. Protonai ir neutronai yra sudaryti iš dviejų rūšių kvarkų: aukštyn ir žemyn nukreiptų kvarkų. Protonas sudarytas iš dviejų aukštyn kylančių kvarkų ir vieno žemyn kylančio kvarko, o neutronas - iš dviejų žemyn kylančių kvarkų ir vieno aukštyn kylančio kvarko.

Branduolys

Branduolys yra atomo viduryje. Jį sudaro protonai ir neutronai. Paprastai gamtoje du vienodą krūvį turintys daiktai vienas kitą atstumia arba atsimuša vienas nuo kito. Todėl ilgą laiką mokslininkams buvo paslaptis, kaip teigiamai įkrauti protonai branduolyje išlieka kartu. Jie tai išsprendė atradę dalelę, vadinamą gluonu. Jos pavadinimas kilo nuo žodžio "klijai", nes gliuonai veikia kaip atominiai klijai, stipria branduoline jėga sulipdydami protonus. Ši jėga taip pat sulaiko kvarkus, iš kurių sudaryti protonai ir neutronai.

Nuo neutronų skaičiaus protonų atžvilgiu priklauso, ar branduolys yra stabilus, ar radioaktyviai suyra. Kai neutronų arba protonų yra per daug, atomas stengiasi suvienodinti jų skaičių atsikratydamas papildomų dalelių. Tai jis daro skleisdamas spinduliuotę alfa, beta arba gama skilimo pavidalu. Branduoliai gali keistis ir kitais būdais. Branduolio skilimas - tai kai branduolys skyla į du mažesnius branduolius, išlaisvindamas daug sukauptos energijos. Dėl šio energijos išsiskyrimo branduolių dalijimasis yra naudingas gaminant bombas ir elektros energiją, t. y. branduolinę energiją. Kitas būdas, kaip branduoliai gali pasikeisti, yra branduolių sintezė, kai du branduoliai susijungia arba susilieja, kad susidarytų sunkesnis branduolys. Šiam procesui reikia labai daug energijos, kad būtų įveiktas protonų elektrostatinis atstūmimas, nes jie turi vienodą krūvį. Tokios didelės energijos dažniausiai būdingos tokioms žvaigždėms, kaip mūsų Saulė, kuriose degalams naudojamas vandenilis.

Elektronai

Elektronai skrieja aplink branduolį. Jie vadinami atomo elektronų debesimi. Juos prie branduolio traukia elektromagnetinėjėga. Elektronai turi neigiamą krūvį, o branduolys visada turi teigiamą krūvį, todėl jie traukia vienas kitą. Aplink branduolį vieni elektronai yra toliau nei kiti, skirtinguose sluoksniuose. Šie sluoksniai vadinami elektronų apvalkalais. Daugumoje atomų pirmajame apvalkale yra du elektronai, o visuose vėlesniuose - aštuoni. Išimtys pasitaiko retai, tačiau jų pasitaiko ir jas sunku nuspėti. Kuo toliau elektronas yra nuo branduolio, tuo silpnesnė branduolio trauka jį veikia. Todėl didesni atomai, turintys daugiau elektronų, lengviau reaguoja su kitais atomais. Branduolio elektromagnetizmas nėra pakankamai stiprus, kad išlaikytų jų elektronus, ir atomai praranda elektronus dėl stiprios mažesnių atomų traukos.

Schema, kurioje pavaizduotas pagrindinis branduolių sintezės sunkumas - tai, kad teigiamą krūvį turintys protonai, priversti suartėti, vienas kitą atstumia.

Radioaktyvusis skilimas

Kai kurie elementai ir daugelis izotopų turi vadinamąjį nestabilų branduolį. Tai reiškia, kad branduolys yra arba per didelis, kad išsilaikytų kartu, arba turi per daug protonų ar neutronų. Kai taip atsitinka, branduolys turi atsikratyti perteklinės masės arba dalelių. Tai daroma spinduliavimo būdu. Taip besielgiantis atomas gali būti vadinamas radioaktyviuoju. Nestabilūs atomai ir toliau išlieka radioaktyvūs, kol praranda pakankamai masės ir (arba) dalelių, kad taptų stabilūs. Visi atomai, kurių atominis skaičius didesnis nei 82 (82 protonai, švinas), yra radioaktyvūs.

Yra trys pagrindiniai radioaktyviojo skilimo tipai: alfa, beta ir gama.

• Alfa skilimo metu atomas išmeta dalelę, turinčią du protonus ir du neutronus. Tai iš esmės yra helio branduolys. Taip gaunamas elementas, kurio atominis skaičius yra dviem mažesnis nei anksčiau. Pavyzdžiui, jei berilio atomas (atominis skaičius 4) patirtų alfa skilimą, jis taptų heliu (atominis skaičius 2). Alfa skilimas vyksta, kai atomas yra per didelis ir jam reikia atsikratyti tam tikros masės.
• Beta skilimas vyksta tada, kai neutronas virsta protonu arba protonas - neutronu. Pirmuoju atveju atomas išmeta elektroną. Antruoju atveju tai yra pozitronas (kaip elektronas, bet su teigiamu krūviu). Galutinis rezultatas - elementas, kurio atominis skaičius yra vienu didesniu arba vienu mažesniu atominiu skaičiumi nei anksčiau. Beta skilimas įvyksta, kai atomas turi per daug protonų arba per daug neutronų.
• Gama skilimas - tai kai atomas išspinduliuoja gama spindulį arba bangą. Taip atsitinka, kai pasikeičia branduolio energija. Paprastai tai įvyksta po to, kai branduolys jau yra perėjęs alfa arba beta skilimą. Atomo masė ar atominis skaičius nesikeičia, keičiasi tik branduolyje sukaupta energija.

Kiekvienas radioaktyvusis elementas ar izotopas turi vadinamąjį pusperiodį. Tai laikas, per kurį pusė bet kokio mėginio tos rūšies atomų suyra, kol jie tampa kitu stabiliu izotopu ar elementu. Todėl didelių atomų arba izotopų, kurių protonų ir neutronų skaičius labai skiriasi, pusėjimo trukmė yra ilga, nes jie turi prarasti daugiau neutronų, kad taptų stabilūs.

Marija Kiuri atrado pirmąją spinduliuotės formą. Ji rado elementą ir pavadino jį radžiu. Ji taip pat buvo pirmoji moteris, gavusi Nobelio premiją.

Frederikas Sodis atliko eksperimentą, kurio metu stebėjo, kas vyksta, kai radis skyla. Jis įdėjo mėginį į elektros lemputę ir laukė, kol jis suirs. Staiga lemputėje pasirodė helis (turintis 2 protonus ir 2 neutronus), ir atlikęs šį eksperimentą jis nustatė, kad šios rūšies spinduliuotė turi teigiamą krūvį.

Džeimsas Čadvikas atrado neutroną, stebėdamas įvairių rūšių radioaktyviųjų izotopų skilimo produktus. Čadvikas pastebėjo, kad elementų atominis skaičius buvo mažesnis už bendrą atomo masę. Jis padarė išvadą, kad elektronai negali būti papildomos masės priežastis, nes jie beveik neturi masės.

Enrikas Fermis (Enrico Fermi) neutronus naudojo šaudydamas į uraną. Jis atrado, kad uranas skyla daug greičiau nei įprastai ir išskiria daug alfa ir beta dalelių. Jis taip pat manė, kad uranas virto nauju elementu, kurį pavadino hesperiu.

Otto Hanhas ir Fritzas Strassmannas pakartojo Fermio eksperimentą, norėdami įsitikinti, ar iš tikrųjų buvo sukurtas naujas elementas hesperis. Jie atrado du naujus dalykus, kurių Fermis nepastebėjo. Naudojant daug neutronų, atomo branduolys suskiltų ir susidarytų daug šiluminės energijos. Be to, jau buvo atrasti urano skilimo produktai: toris, paladis, radis, radonas ir švinas.

Fermis pastebėjo, kad skylant vienam urano atomui išsiskiria daugiau neutronų, kurie skaldo kitus atomus ir sukelia grandinines reakcijas. Jis suprato, kad šis procesas vadinamas branduolių dalijimusi ir kad jo metu gali susidaryti didžiuliai šilumos energijos kiekiai.

Būtent šis Fermi atradimas paskatino sukurti pirmąją branduolinę bombą kodiniu pavadinimu "Trinity".