Какво е атом?
В химията и физиката атомът (от латинския atomum, а този от гръцкия ἄτομον, без части; също така, произлиза от „а“ не и „делим атом“; не се дели) е най-малката единица на химичен елемент което запазва своята идентичност или свойства и че не е възможно да се раздели по химични процеси.
Неговото плътно ядро представлява 99,9% от масата на атома и е съставено от бариони, наречени протони и неутрони, заобиколени от облак от електрони, които - в неутрален атом - равен на броя на протоните.
Концепцията за атома като основен и неделим блок, съставляващ материята на Вселената, е постулирана от атомистичната школа в Древна Гърция. Неговото съществуване обаче е доказано едва през 19 век. С развитието на ядрената физика през 20 век беше установено, че атомът може да бъде разделен на по-малки частици.
Атомна структура.
Въпреки че "атом" означава "неделим", днес е известно, че атомът е изграден от по-малки частици, така наречените субатомни частици.
Ядрото на атома е централната му част. Той има положителен заряд и почти цялата му маса е концентрирана в него. Той обаче заема много малка част от обема на атома: радиусът му е около десет хиляди пъти по-малък. Ядрото е изградено от протони и неутрони.
Около ядрото има електрони, частици с отрицателен заряд и много малка маса в сравнение с тази на протоните и неутроните: приблизително 0,05%. Електроните се намират около ядрото, обвързани от електромагнитната сила, която той упражнява върху тях, и заемат по-голямата част от размера на атома, в така наречения електронен облак.
Електрически взаимодействия между протони и електрони.
Преди експеримента на Ръдърфорд, научната общност прие атомния модел на Томсън, ситуация, която се промени след опита на Ръдърфорд. По-късните модели се основават на структура от атоми с положително заредена централна маса, заобиколена от отрицателно зареден облак.
Този тип структура на атома накара Ръдърфорд да предложи своя модел, в който електроните да се движат около ядрото по орбити. Този модел има затруднения, произтичащи от факта, че ускорена заредена частица, тъй като би било необходимо да остане в орбита, би излъчила електромагнитно излъчване, губейки енергия. Законите на Нютон, заедно с уравненията на електромагнетизма на Максуел, приложени към атома на Ръдърфорд, водят до факта, че във време от порядъка на 10-10 s цялата енергия на атома би била излъчена, с последващото падане на електроните на сърцевината.
Електронен облак.
Около ядрото има електрони, които са елементарни частици с отрицателен заряд, равен на елементарен заряд и с маса 9,10 × 10–31 kg
Броят на електроните в атома в основно състояние е равен на броя на протоните, които той съдържа в ядрото, т.е. на атомния номер, така че атом при тези условия има нетен електрически заряд, равен на 0.
За разлика от нуклоните, атомът може да загуби или да придобие някои от своите електрони, без да променя химическата си идентичност, превръщайки се в йон, частица с нетен заряд, различен от нула.
Концепцията, че електроните са в сателитни орбити около ядрото, е изоставена в полза на концепцията за облак от делокализирани или дифузни електрони в пространството, което по-добре представя поведението на електроните, описани от квантовата механика само като функции на плътността на вероятността за намиране на електрон в крайна област на пространството около ядрото.
Атомни размери.
По-голямата част от масата на атома е концентрирана в ядрото, съставено от протони и неутрони, и двете известни като нуклони, които са съответно 1836 и 1838 пъти по-тежки от електрона.
Точният размер или обем на атома е трудно да се изчисли, тъй като електронните облаци нямат остри ръбове, но диаметърът им може да бъде разумно оценен на 1,0586 × 10–10 m, два пъти по-голям от радиуса на Бор за атома. Ако това се сравни с размера на протон, който е единствената частица, съставляваща водородното ядро, което е приблизително 1 × 10-15, се вижда, че ядрото на атома е около 100 000 пъти по-малко от самия атом и въпреки това той концентрира практически 100% от своята маса.
За сравнение, ако атомът е с размерите на стадион, ядрото ще бъде с размерите на мрамор, поставен в центъра, а електроните, като прахови частици, издухани от вятъра около седалките.
Еволюция на атомния модел.
Концепцията за атома, която е съществувала през историята, е варирала според откритията, направени в областта на физиката и химията. След това ще има изложение на атомните модели, предложени от учени от различни епохи. Някои от тях са напълно остарели, за да обяснят наблюдаваните в момента явления, но са включени като исторически преглед.
Модел Далтън.
Това е първият атомен модел с научни бази, той е формулиран през 1808 г. от Джон Далтън, който си представя атомите като малки сфери. Този първи атомен модел постулира:
Материята се състои от много малки частици, наречени атоми, които са неделими и не могат да бъдат унищожени.
Атомите на един и същ елемент са равни помежду си, те имат собствено тегло и свои качества. Атомите на различните елементи имат различно тегло.
Атомите остават неразделени, дори когато се комбинират в химични реакции.
Когато се комбинират, за да образуват съединения, атомите поддържат прости връзки.
Атомите на различни елементи могат да се комбинират в различни пропорции и да образуват повече от едно съединение.
Химичните съединения се образуват чрез свързване на атоми на два или повече различни елемента.
Той обаче изчезна преди модела на Томсън, тъй като не обяснява катодни лъчи, радиоактивност или присъствие на електрони (e-) или протони (p +).
Моделът на Томсън.
След откриването на електрона през 1897 г. от Джоузеф Джон Томсън беше установено, че материята се състои от две части, отрицателна и положителна. Отрицателната част се състоеше от електрони, които според този модел бяха потопени в маса от положителен заряд като стафиди в торта (от английския аналог на слива-пудинг) или грозде в желе. По-късно Жан Перин предлага модифициран модел от Томпсън, където "стафидите" (електроните) са разположени от външната страна на "тортата" (положителният заряд).
Модел на Шрьодингер.
След като Луи-Виктор де Бройл предлага вълновата природа на материята през 1924 г., която е обобщена от Ервин Шрьодингер през 1926 г., моделът на атома е актуализиран отново.
В модела на Шрьодингер концепцията за електроните като малки заредени сфери, въртящи се около ядрото, е изоставена, което е екстраполация на опит на макроскопично ниво до малките измерения на атома. Вместо това Шрьодингер описва електрони с помощта на вълнова функция, чийто квадрат представлява вероятността за тяхното присъствие в ограничена област на пространството. Тази зона на вероятност е известна като орбитална. Графиката по-долу показва орбиталите за първите налични енергийни нива във водородния атом.