Atom

Ten artykuł dotyczy składnika materii. Zobacz też: inne znaczenia.
Atom helu w stanie podstawowym. Zaczernione pole reprezentuje chmurę elektronową. Stopień zaciemnienia określa prawdopodobieństwo „spotkania” w danym miejscu elektronu [nota 1]. Powiększenie ukazuje schematyczny obraz jądra atomowego, proton reprezentuje chmurka czerwona, a neutron niebieska [nota 2]. Jądro ma rozmiary rzędu 1 fm – ok. 100 000 razy mniej od rozmiarów chmury elektronowej.

Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

Słowo atom pochodzi z greckiego ἄτομοςátomos (od α-, „nie-” + τέμνω – temno, „ciąć” [1]), oznaczającego coś, czego nie da się przeciąć ani podzielić [2]. Idea istnienia niepodzielnych składników materii pojawiła się już w pismach starożytnych filozofów indyjskich i greckich. W XVII i XVIII wieku chemicy potwierdzili te przypuszczenia, identyfikując pierwiastki chemiczne i pokazując, że reagują one ze sobą w ściśle określonych proporcjach. W XIX wieku odkryto ruchy Browna, będące pośrednim dowodem ziarnistości materii. Na początku XX wieku fizycy zbadali wewnętrzną strukturę atomów, pokazując tym samym, że są one podzielne. Teorie mechaniki kwantowej pozwoliły stworzyć matematyczne modele wnętrza atomu [3] [4].

Atomy mają rozmiary rzędu 10−10 m i masę rzędu 10−26 – 10−25 kg. Można je obserwować przez skaningowy mikroskop tunelowy. Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze. Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów: protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętnych neutronów. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Podobne oddziaływanie pozwala atomom łączyć się w cząsteczki. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W przeciwnym przypadku ma ładunek i nazywany jest jonem.

Główne właściwości chemiczne atomów określa liczba protonów w jądrze ( liczba atomowa), gdyż determinuje ona strukturę chmury elektronowej oraz liczbę elektronów koniecznych do tego, aby atom był elektrycznie obojętny. Elektrony związane w atomach rozłożone są na powłokach, między którymi mogą przechodzić emitując bądź absorbując fotony o określonej energii. Struktura chmury elektronowej wpływa na chemiczne właściwości atomów i większość ich właściwości magnetycznych. Zbiory atomów o tej samej liczbie atomowej stanowią pierwiastki chemiczne. Atomy mające tę samą liczbę protonów, ale różniące się liczbą neutronów w jądrze to izotopy [5]. Suma protonów i neutronów w jądrze atomu określana jest jako liczba masowa.

Wszystkie pierwiastki mają niestabilne izotopy. Ich jądra ulegają spontanicznemu rozpadowi, co zazwyczaj prowadzi do powstania atomów innych pierwiastków. Rozpadowi temu towarzyszy emisja promieniowania jonizującego. Zjawisko to jest nazywane naturalną radioaktywnością [6].

Historia

Atomizm

 Osobny artykuł: Atomizm.

Pomysł, że materia składa się z mikroskopijnych składników, których nie da się w nieskończoność dzielić na mniejsze części, był znany już w starożytności. Nie opierał się jednak na żadnych danych empirycznych, a jedynie stanowił jedną z filozoficznych koncepcji natury rzeczywistości. Cechy tych mikroskopijnych składników różnie opisywały różne szkoły filozoficzne, często uwzględniając ich duchowe właściwości. Istnienie atomów zostało powszechnie zaakceptowane w XVIII wieku, gdy okazało się, że pozwala w elegancki sposób opisać prawa chemii [7].

Najstarsze odniesienia do atomów można znaleźć w pismach poświęconych dźinizmowi napisanych w VI wieku p.n.e. w Indiach [8] [9]. Szkoły filozoficzne Njaja i Waiśeszika opracowały zawiłe teorie, opisujące łączenie się atomów w bardziej złożone obiekty [10]. W cywilizacji zachodniej odniesienia do atomów pojawiły się około sto lat później w pismach Leukipposa i zostały usystematyzowane przez jego ucznia Demokryta. Około 450 roku p.n.e. Demokryt wprowadził słowo átomos (niepodzielny). W latach 50 p.n.e. Lukrecjusz twierdził, iż świat składa się jedynie z atomów i pustki [11]. Choć te koncepcje były czysto filozoficzne, współczesna nauka zaadaptowała tę nazwę [7].

W XIII wieku w alchemii pojawiła się koncepcja korpuskularyzmu. Za jej autora uważa się alchemika podpisującego się Geber [12]. Według tej koncepcji wszystkie fizyczne obiekty posiadają wewnętrzną i zewnętrzną warstwę z mikroskopijnych cząstek [13]. Przypominało to teorię atomizmu, z wyjątkiem odrzucenia koncepcji, że te cząsteczki są niepodzielne. Przykładowo spekulowano, że rtęć może wnikać do wnętrza metali i zmieniać ich wewnętrzną strukturę, co miało umożliwić wytwarzanie złota [14]. Koncepcja ta zdominowała alchemię na następnych kilkaset lat.

W 1624 poglądy atomistyczne odnowił Pierre Gassendi w dziele Exercitationes paradoxicae adversus Aristoteleos.

W 1661 roku Robert Boyle opublikował traktat The Sceptical Chymist, w którym przekonywał, że materia zbudowana jest z kombinacji wielu różnych korpuskuł zamiast z klasycznych czterech żywiołów (powietrza, ziemi, wody i ognia) [15]. Koncepcji tej użył dziesięć lat później Izaak Newton do opracowania korpuskularnej teorii światła [13] [16].

W 1758 atomizm był postulowany również przez Rogera Boscovicha [17] [18].

Początki naukowej teorii atomu

Różne atomy i cząsteczki w traktacie Johna Daltona A New System of Chemical Philosophy (1808) – jednej z najstarszych prac naukowych poświęconych atomom [19]

Jakob Hermann w 1716 roku w dziele Phoronomia opisał gaz jako składający się z cząsteczek poruszających się z różnymi prędkościami. Powiązał on ciepło gazu z kwadratem średniej prędkości jego cząsteczek [20]. Daniel Bernoulli w 1738 roku opublikował Hydrodynamica, w której m.in. wyłożył podstawy kinetyczno-molekularnej teorii gazów. Wyjaśnił on transportowanie ciepła przez gazy oraz istnienie ciśnienia gazu poprzez oddziaływanie jego cząsteczek z otoczeniem [21] [22].

Wraz z przekształcaniem się chemii w naukę ścisłą nastąpił dalszy rozwój teorii atomów. W 1789 roku Antoine Lavoisier odkrył prawo zachowania masy i zdefiniował pierwiastek chemiczny jako podstawową substancję, która nie może już być rozdzielona metodami chemicznymi [23]. W 1803 roku John Dalton skorzystał z koncepcji atomów do wytłumaczenia, czemu pierwiastki wchodzą w reakcje w stosunkach ilościowych dających się przedstawić w postaci niewielkich liczb naturalnych ( prawo stosunków wielokrotnych) i czemu jedne gazy łatwiej się rozpuszczają w wodzie niż inne. Postulował, że każdy pierwiastek składa się z atomów jednego, unikalnego typu i że te atomy mogą się łączyć, tworząc związki chemiczne [24] [19]. Postawienie tych hipotez uczyniło Daltona twórcą współczesnej teorii atomów [25] [26].

Fakty doświadczalne mające w przyszłości stanowić dodatkowe potwierdzenie teorii atomów pojawiły się w 1827 roku, gdy botanik Robert Brown odkrył zjawisko spontanicznego chaotycznego ruchu pyłków kwiatowych zawieszonych w wodzie. Zjawisko to zostało potem nazwane ruchami Browna. Jego wyjaśnienie przez termiczne ruchy cząsteczek wody zasugerował w 1877 roku Joseph Delsaulx [27] [28], a w 1905 roku Albert Einstein przedstawił jego pełną matematyczną analizę [29] [30] [31]. Fundamentalny wkład do teorii ruchów Browna wniósł w latach 1906–1917 Marian Smoluchowski (tworząc przy okazji nową gałąź fizyki statystycznej określanej obecnie jako procesy stochastyczne) [28] [32]. Analiza Einsteina została potwierdzona eksperymentalnie po raz pierwszy już w 1906 roku przez Theodora Svedberga [28], a Jean Baptiste Perrin wykorzystał teoretyczne prace Einsteina i Smoluchowskiego do eksperymentalnego wyznaczenia mas i „ rozmiarów” atomów (1908) potwierdzając ostatecznie teorię Daltona [28] [33] [34] [35].

W 1869 Dmitrij Mendelejew opublikował swój układ okresowy pierwiastków [36]. Układ przedstawiał wizualnie prawo okresowości głoszące, że właściwości chemiczne pierwiastków powtarzają się okresowo, gdy uporządkuje się te pierwiastki zgodnie z ich masami atomowymi [37].

Wewnętrzna struktura i teoria kwantowa

W 1897 roku J.J. Thomson, badając promienie katodowe, odkrył elektrony i doszedł do wniosku, że znajdują się one w każdym atomie. Tym samym obalił tezę, że atomy są ostatecznymi, niepodzielnymi elementami materii [38]. Stworzył pierwszy model struktury atomu, w którym ujemnie naładowane elektrony unoszą się w jednorodnej, dodatnio naładowanej kuli. Model ten obalili w 1909 roku Hans Geiger, Ernest Marsden i Ernest Rutherford, gdy bombardując złotą folię cząstkami alfa odkryli, że niewielka część cząstek alfa jest odbijana, co było sprzeczne z przewidywaniami w modelu Thomsona. Na podstawie tych wyników Rutherford stworzył nowy model atomu, w którym dodatni ładunek i większość masy atomu są skupione w niewielkim jądrze w jego centrum, a ujemnie naładowane elektrony krążą wokół jądra [39].

W 1913 roku Frederick Soddy, badając produkty rozpadu promieniotwórczego, odkrył, że atomy każdego pierwiastka mogą występować w kilku odmianach różniących się nieco masą atomową [40]. Określenie izotop (z gr. isos topos – „w tym samym miejscu”) zasugerowała mu szkocka pisarka i lekarz, Margaret Todd (1859–1918) [41]. J.J. Thomson opracował technikę segregowania atomów ze względu na ich stosunek masy do ładunku w zjonizowanych gazach, co umożliwiło odkrycie stabilnych izotopów [42].

Model Bohra atomu wodoru, pokazujący przeskok elektronu między orbitami i emisję fotonu o określonej energii

Jednocześnie w 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował wyjaśnienie występowania linii spektralnych w widmach emisyjnych pierwiastków przez wprowadzenie hipotezy istnienia zestawu dopuszczalnych orbit, na których mogą krążyć elektrony wokół jądra atomowego [43]. W jego modelu każdy elektron musiał zaabsorbować lub wyemitować foton o określonej energii, żeby przeskoczyć między orbitami [44].

Korzystając z tego modelu, Gilbert Newton Lewis zaproponował w 1916 roku wyjaśnienie istoty wiązań chemicznych jako wymianę i współdzielenie elektronów na najwyższych orbitach atomowych [45]. W 1919 roku Irving Langmuir zaproponował wytłumaczenie okresowości właściwości pierwiastków jako efekt grupowania się elektronów na pewnych orbitach tworzących powłoki elektronowe [37] [46].

W 1922 roku doświadczenie Sterna-Gerlacha pokazało, że kierunek wektora magnetycznego momentu dipolowego atomów jest skwantowany. Specjalnie ukształtowane pole magnetyczne dzieliło strumień przelatujących przez nie atomów srebra na dwie rozdzielone wiązki. Zgodnie z mechaniką klasyczną takie zjawisko nie powinno mieć miejsca, ponieważ moment magnetyczny każdego atomu powinien móc być skierowany w dowolnym kierunku i oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym mogło jedynie rozciągnąć strumień atomów w jakimś kierunku. Zamiast tego atomy zostały rozdzielone na dwie grupy, w których wektor momentu magnetycznego skierowany był w górę lub w dół [47].

W 1924 roku Louis de Broglie zaproponował, że wszystkie cząstki mogą zachowywać się jak fale. W 1926 roku Erwin Schrödinger rozwinął tę ideę, przedstawiając matematyczny model atomu, w którym ruch elektronów został opisany funkcjami fal stojących. Konsekwencją opisywania cząstek jako fali było to, że matematycznie niemożliwe stało się jednoczesne określenie ich położenia i pędu, co zostało sformułowane jako zasada nieoznaczoności przez Wernera Heisenberga w 1926 roku. Zgodnie z nią, zwiększając precyzję pomiaru położenia, zmniejsza się jednocześnie precyzję pomiaru pędu i vice versa. Model Schrödingera umożliwił rozwiązanie problemów, które napotykały wcześniejsze modele przy wyjaśnianiu linii spektralnych atomów cięższych od wodoru. Obecnie przyjmuje się go za obowiązujący [48] [49].

Schemat działania spektrometru mas

Wynalezienie spektrometru mas umożliwiło dokładne zmierzenie bezwzględnych mas atomowych. Urządzenie to wykorzystuje pole magnetyczne do odchylenia trajektorii jonów, a stopień odchylenia zależy od stosunku ładunku jonu do jego masy. Francis William Aston jako pierwszy udowodnił przy jego użyciu, że izotopy mają różne masy i że różnice w ich masach są wielokrotnościami tej samej masy. W 1932 roku fizyk James Chadwick wyjaśnił te różnice odkrywając neutron – elektrycznie obojętną cząstkę podobną do protonu. Izotopy okazały się atomami o tej samej liczbie protonów, ale różniącymi się liczbą neutronów w jądrze [50].

Rozbicie atomu i fizyka materii skondensowanej

W 1938 roku niemiecki chemik Otto Hahn skierował strumień neutronów na atomy uranu próbując uzyskać cięższe pierwiastki. Produktem okazał się lżejszy pierwiastek bar [51]. Rok później Lise Meitner i Otto Frisch potwierdzili, że ten eksperyment był pierwszym sztucznie wywołanym rozbiciem jądra atomowego [52] [53]. Po 1950 roku budowa akceleratorów cząstek i detektorów cząstek pozwoliła fizykom badać wyniki zderzeń atomów poruszających się z dużymi prędkościami [54]. Odkryto w ten sposób dziesiątki, a później setki nowych cząstek. Ich strukturę wyjaśnili niezależnie od siebie Gell-Mann i G. Zweig w 1964 roku, wprowadzając pojęcie kwarków. Neutrony i protony okazały się być hadronami – cząsteczkami zbudowanymi z kwarków. Na bazie tego stworzono model standardowy, wyjaśniający strukturę jądra atomowego w oparciu o kwarki i siły, jakim podlegają [55].

Inne języki
Afrikaans: Atoom
Alemannisch: Atom
አማርኛ: አቶም
Ænglisc: Mot
العربية: ذرة
aragonés: Atomo
অসমীয়া: পৰমাণু
asturianu: Átomu
Avañe'ẽ: Tuminguaave'ỹ
azərbaycanca: Atom
تۆرکجه: آتوم
বাংলা: পরমাণু
Bân-lâm-gú: Goân-chú
Basa Banyumasan: Atom
башҡортса: Атом
беларуская: Атам
беларуская (тарашкевіца)‎: Атам
भोजपुरी: परमाणु
български: Атом
Boarisch: Atom
bosanski: Atom
brezhoneg: Atom
буряад: Атом
català: Àtom
Cebuano: Atom
čeština: Atom
corsu: Atomu
Cymraeg: Atom
dansk: Atom
Deutsch: Atom
dolnoserbski: Atom
eesti: Aatom
Ελληνικά: Άτομο
English: Atom
español: Átomo
Esperanto: Atomo
estremeñu: Átomu
euskara: Atomo
فارسی: اتم
Fiji Hindi: Parmaanu
føroyskt: Atom
français: Atome
Frysk: Atoom
Gaeilge: Adamh
Gaelg: Breneen
Gàidhlig: Atam
galego: Átomo
贛語: 原子
Gĩkũyũ: Atomu
ગુજરાતી: અણુ
客家語/Hak-kâ-ngî: Ngièn-chṳ́
хальмг: Атом
한국어: 원자
Hawaiʻi: ʻĀtoma
Հայերեն: Ատոմ
हिन्दी: परमाणु
hornjoserbsce: Atom
hrvatski: Atom
Ido: Atomo
Ilokano: Atomo
Bahasa Indonesia: Atom
interlingua: Atomo
Ирон: Атом
íslenska: Frumeind
italiano: Atomo
עברית: אטום
Basa Jawa: Atom
ಕನ್ನಡ: ಪರಮಾಣು
Kapampangan: Atom
ქართული: ატომი
қазақша: Атом
Kiswahili: Atomi
Kreyòl ayisyen: Atòm
Kurdî: Atom
Кыргызча: Атом
лезги: Атом
Latina: Atomus
latviešu: Atoms
Lëtzebuergesch: Atom
lietuvių: Atomas
Limburgs: Atoeam
lingála: Atome
Livvinkarjala: Atomu
la .lojban.: ratni
lumbaart: Atum
magyar: Atom
मैथिली: परमाणु
македонски: Атом
Malagasy: Atôma
മലയാളം: അണു
मराठी: अणू
مصرى: ذره
Bahasa Melayu: Atom
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: Nguòng-cṳ̄
Mirandés: Átomo
монгол: Атом
မြန်မာဘာသာ: အက်တမ်
Nāhuatl: Nantzintetl
Nederlands: Atoom
नेपाली: अणु
नेपाल भाषा: अणु
日本語: 原子
Napulitano: Atomo
Nordfriisk: Atoom
Norfuk / Pitkern: Etem
norsk: Atom
norsk nynorsk: Atom
Nouormand: Atôme
Novial: Atome
occitan: Atòm
олык марий: Атом
ଓଡ଼ିଆ: ପରମାଣୁ
Oromoo: Atamii
oʻzbekcha/ўзбекча: Atom
ਪੰਜਾਬੀ: ਪਰਮਾਣੂ
پنجابی: ایٹم
پښتو: اټوم
Patois: Atam
ភាសាខ្មែរ: បរមាណូ
Piemontèis: Àtom
Plattdüütsch: Atom
português: Átomo
română: Atom
Runa Simi: Iñuku
русиньскый: Атом
русский: Атом
саха тыла: Атом
संस्कृतम्: परमाणुः
Scots: Atom
Seeltersk: Atom
shqip: Atomi
sicilianu: Àtumu
සිංහල: පරමාණු
Simple English: Atom
سنڌي: ائٽم
slovenčina: Atóm
slovenščina: Atom
ślůnski: Atům
Soomaaliga: Atom
کوردی: گەردیلە
Sranantongo: Atomi
српски / srpski: Атом
srpskohrvatski / српскохрватски: Atom
Basa Sunda: Atom
suomi: Atomi
svenska: Atom
Tagalog: Atomo
தமிழ்: அணு
татарча/tatarça: Атом
తెలుగు: అణువు
ไทย: อะตอม
тоҷикӣ: Атом
ᏣᎳᎩ: ᎠᏓᎻ
Türkçe: Atom
ᨅᨔ ᨕᨘᨁᨗ: Atong
українська: Атом
اردو: جوہر
ئۇيغۇرچە / Uyghurche: ئاتوم
vèneto: Àtomo
Tiếng Việt: Nguyên tử
Võro: Aadom
walon: Atôme
文言: 原子
Winaray: Atomo
吴语: 原子
Xitsonga: Athomu
ייִדיש: אטאם
Yorùbá: Átọ̀mù
粵語: 原子
žemaitėška: Atuoms
中文: 原子