Atomy jsou základní jednotky hmoty a definující struktura prvků. Termín „atom“ pochází z řeckého slova pro nedělitelné, protože se kdysi myslelo, že atomy jsou nejmenší věci ve vesmíru a nelze je rozdělit. Nyní víme, že atomy jsou tvořeny třemi částicemi: protony, neutrony a elektrony - které se skládají z ještě menších částic, jako jsou kvarky.
Atomy byly vytvořeny po Velkém třesku před 13,7 miliardami let. Když se horký, hustý nový vesmír ochladil, podmínky pro kvarky a elektrony byly vhodné. Kvarky se spojily a vytvořily protony a neutrony a tyto částice se spojily do jader. Podle CERN to všechno proběhlo během několika prvních minut vesmíru.
Trvalo 380 000 let, než se vesmír dostatečně ochladil, aby zpomalil elektrony, aby je jádra mohla zachytit a vytvořit první atomy. Nejčasnější atomy byly primárně vodík a helium, které jsou stále nejhojnějšími prvky ve vesmíru, podle Jeffersona Labe. Gravitace nakonec způsobila, že se mraky plynu zhlukovaly a tvořily hvězdy, a těžší atomy byly (a stále jsou) vytvořeny uvnitř hvězd a posílány do vesmíru, když hvězda explodovala (supernova).
Atomové částice
Protony a neutrony jsou těžší než elektrony a sídlí v jádru ve středu atomu. Elektrony jsou extrémně lehké a existují v cloudu obíhajícím jádro. Podle Národní laboratoře Los Alamos má elektronový mrak poloměr 10 000krát větší než jádro.
Protony a neutrony mají přibližně stejnou hmotnost. Jeden proton je však asi 1 835krát hmotnější než elektron. Atomy mají vždy stejný počet protonů a elektronů a počet protonů a neutronů je obvykle stejný. Přidání protonu k atomu vytvoří nový prvek, zatímco přidání neutronu vytvoří izotop nebo těžší verzi tohoto atomu.
Jádro
Jádro objevil v roce 1911 Ernest Rutherford, fyzik z Nového Zélandu. V roce 1920 navrhl Rutherford jméno proton pro kladně nabité částice atomu. Rovněž teoretizoval, že uvnitř jádra je neutrální částice, kterou v roce 1932 potvrdil britský fyzik James Chadwick a student Rutherfordovy školy.
Podle Chemie LibreTexts je v jádru prakticky celá hmota atomu. Protony a neutrony, které tvoří jádro, jsou přibližně stejné hmoty (proton je o něco menší) a mají stejný moment hybnosti nebo rotaci.
Jádro je drženo pohromadě silnou silou, jednou ze čtyř základních sil v přírodě. Tato síla mezi protony a neutrony překonává odpudivou elektrickou sílu, která by jinak vytlačila protony od sebe, podle pravidel elektřiny. Některá atomová jádra jsou nestabilní, protože vazebná síla se liší pro různé atomy v závislosti na velikosti jádra. Tyto atomy se pak rozloží na další prvky, jako je uhlík-14, který se rozkládá na dusík-14.
Protony
Protony jsou kladně nabité částice, které se nacházejí uvnitř atomových jader. Rutherford je objevil při experimentech s trubicemi s katodovými paprsky, které byly provedeny v letech 1911 až 1919. Protony jsou asi 99,86% stejně masivní jako neutrony.
Počet protonů v atomu je pro každý prvek jedinečný. Například atomy uhlíku mají šest protonů, atomy vodíku mají jeden a atomy kyslíku mají osm. Počet protonů v atomu se označuje jako atomové číslo tohoto prvku. Počet protonů také určuje chemické chování prvku. Prvky jsou uspořádány v periodické tabulce prvků v pořadí podle rostoucího atomového čísla.
Tři kvarky tvoří každý proton - dva „nahoru“ kvarky (každý s pozitivním nábojem dvě třetiny) a jeden „dolů“ kvark (s třetinovým negativním nábojem) - a drží pohromadě další subatomické částice zvané gluony, které jsou bezmasé.
Elektrony
Elektrony jsou ve srovnání s protony a neutrony malé, více než 1 800krát menší než proton nebo neutron. Podle Jeffersona Labe jsou elektrony asi 0,054% hmotnostní jako neutrony.
Joseph John (J.J.) Thomson, britský fyzik, objevil elektron v roce 1897, podle Science History Institute. Elektrony, původně známé jako „tělíska“, mají záporný náboj a jsou elektricky přitahovány k pozitivně nabitým protonům. Elektrony obklopují atomové jádro v drahách zvaných orbitaly, což byl nápad, který ve 20. letech předložil rakouský fyzik Erwin Schrödinger. Dnes je tento model známý jako kvantový model nebo elektronový cloudový model. Vnitřní orbitaly obklopující atom jsou sférické, ale vnější orbitaly jsou mnohem komplikovanější.
Atomová elektronová konfigurace odkazuje na umístění elektronů v typickém atomu. Podle konfigurace elektronů a fyzikálních principů mohou chemici podle Los Alamos National Laboratory předpovídat vlastnosti atomu, jako je stabilita, bod varu a vodivost.
Neutrony
Neutronova existence byla teoretizována Rutherfordem v roce 1920 a objevena Chadwickem v roce 1932, podle americké fyzické společnosti. Neutrony byly nalezeny během experimentů, kdy byly atomy stříleny na tenkou vrstvu berylia. Byly uvolněny subatomické částice bez náboje - neutron.
Neutrony jsou nenabité částice, které se nacházejí ve všech atomových jádrech (s výjimkou vodíku). Hmota neutronů je o něco větší než hmotnost protonu. Stejně jako protony jsou neutrony také tvořeny kvarky - jeden kvark „nahoru“ (s kladným nábojem 2/3) a dva „dolů“ kvarky (každý s negativním třetinovým nábojem).
Historie atomu
Teorie atomu sahá nejméně do 440 B.C. k Demokritovi, řeckému vědci a filozofovi. Demokritus s největší pravděpodobností postavil svou teorii atomů na práci minulých filozofů, podle Andrewa G. Van Melsena, autora knihy „Od Atomos do Atom: Historie konceptu Atom“ (Duquesne University Press, 1952).
Demokritovo vysvětlení atomu začíná kamenem. Kámen rozřezaný na polovinu dává dvě poloviny stejného kamene. Pokud by měl být kámen neustále řezán, v určitém okamžiku by existoval kus kamene dostatečně malý, aby už nemohl být řezán. Termín „atom“ pochází z řeckého slova pro nedělitelné, které uzavřel Democritus, musí být bod, ve kterém bytost (jakákoli forma hmoty) už nemůže být rozdělena.
Jeho vysvětlení zahrnovalo myšlenky, že atomy existují odděleně jeden od druhého, že existuje nekonečné množství atomů, že atomy jsou schopné se pohybovat, že se mohou spojit dohromady a vytvářet hmotu, ale neslučují se, aby se staly novým atomem, a že podle Universe Today nelze rozdělit. Protože však většina tehdejších filosofů - zejména velmi vlivný Aristoteles - věřila, že veškerá hmota byla vytvořena ze Země, vzduchu, ohně a vody, byla Demokratova atomová teorie odložena stranou.
John Dalton, britský chemik, stavěl na Demokritových myšlenkách v roce 1803, když uvedl svou vlastní atomovou teorii, podle oddělení chemie na Purdue University. Daltonova teorie zahrnovala několik nápadů z Demokrita, jako jsou atomy nedělitelné a nezničitelné a že různé atomy tvoří dohromady, aby vytvořily veškerou hmotu. Daltonovy dodatky k teorii zahrnovaly následující myšlenky: Že všechny atomy určitého prvku byly totožné, že atomy jednoho prvku budou mít různé hmotnosti a vlastnosti než atomy jiného prvku, že atomy nemohou být vytvořeny nebo zničeny a záležitost je tvořena atomy kombinující v jednoduchých celých číslech.
Thomson, britský fyzik, který objevil elektron v 1897, dokázal, že atomy mohou být rozděleny, podle Chemical Heritage Foundation. Byl schopen určit existenci elektronů studováním vlastností elektrického výboje v katodových trubicích. Podle Thomsonova dokumentu z roku 1897 byly paprsky vychýleny uvnitř zkumavky, což prokázalo, že ve vakuové zkumavce bylo něco negativně nabitého. V 1899, Thomson publikoval popis jeho verze atomu, obyčejně známý jako “model švestkového pudinku.” Výňatek z tohoto článku je uveden na webu Chem Team. Thomsonův model atomu zahrnoval velké množství elektronů suspendovaných v něčem, co vytvořilo kladný náboj, čímž atomu celkově neutrálně nabilo. Jeho model připomínal švestkový pudink, oblíbený britský dezert, který měl rozinky zavěšené v kulatém kulovém plesu.
Dalším vědcem, který dále upravoval a zdokonaloval atomový model, byl Rutherford, který studoval pod vedením Thomsona, podle oddělení chemie na Purdue University. V 1911, Rutherford publikoval jeho verzi atomu, který zahrnoval kladně nabité jádro obíhající elektrony. Tento model vznikl, když Rutherford a jeho pomocníci vystřelili alfa částice na tenké listy zlata. Alfa částice se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů, všechny drženy pohromadě stejnou silnou jadernou silou, která váže jádro, podle Jeffersonovy laboratoře.
Vědci si všimli, že malé procento alfa částic bylo rozptýleno ve velmi velkých úhlech k původnímu směru pohybu, zatímco většina prošla přímo skrz těžce narušené. Rutherford byl schopen přiblížit se velikosti jádra atomu zlata a zjistil, že je nejméně 10 000krát menší než velikost celého atomu, přičemž velká část atomu je prázdná. Rutherfordův model atomu je stále základním modelem, který se dnes používá.
Několik dalších vědců podpořilo atomový model, včetně Nielse Bohra (postaveného na Rutherfordově modelu tak, aby zahrnoval vlastnosti elektronů založených na vodíkovém spektru), Erwina Schrödingera (vyvinul kvantový model atomu), Wernera Heisenberga (uvedl, že člověk nemůže znát oba pozice a rychlost elektronu současně), a Murray Gell-Mann a George Zweig (nezávisle vyvinuli teorii, že protony a neutrony byly složeny z kvarků).
