Atomer är de materiella grundenheterna och den definierande strukturen för elementen. Termen "atom" kommer från det grekiska ordet för odelbar, eftersom det en gång troddes att atomer var de minsta sakerna i universum och inte kunde delas. Vi vet nu att atomer består av tre partiklar: protoner, neutroner och elektroner - som består av ännu mindre partiklar, som kvarkar.
Atomer skapades efter Big Bang för 13,7 miljarder år sedan. När det heta, täta nya universum kyldes blev förhållandena lämpliga för att bilda kvarkar och elektroner. Quarks samlades för att bilda protoner och neutroner, och dessa partiklar kombinerades till kärnor. Allt detta skedde inom de första minuterna av universums existens, enligt CERN.
Det tog 380 000 år för universum att svalna tillräckligt för att bromsa elektronerna så att kärnorna kunde fånga dem för att bilda de första atomerna. De tidigaste atomerna var främst väte och helium, som fortfarande är de vanligaste elementen i universum, enligt Jefferson Lab. Tyngdekraften förorsakade så småningom gasmoln att förena sig och bilda stjärnor, och tyngre atomer skapades (och är fortfarande) i stjärnorna och skickades över hela universum när stjärnan exploderade (supernova).
Atompartiklar
Protoner och neutroner är tyngre än elektroner och bor i kärnan i mitten av atomen. Elektroner är extremt lätta och finns i ett moln som kretsar kring kärnan. Elektronmolnet har en radie som är 10 000 gånger större än kärnan enligt Los Alamos National Laboratory.
Protoner och neutroner har ungefär samma massa. En proton är emellertid cirka 1 835 gånger massivare än en elektron. Atomer har alltid lika många protoner och elektroner, och antalet protoner och neutroner är vanligtvis samma. Att lägga till en proton till en atom gör ett nytt element, medan du lägger till en neutron gör en isotop, eller tyngre version, av den atomen.
Nucleus
Kärnan upptäcktes 1911 av Ernest Rutherford, en fysiker från Nya Zeeland. 1920 föreslog Rutherford namnet proton för atomens positivt laddade partiklar. Han teoretiserade också att det fanns en neutral partikel i kärnan, som James Chadwick, en brittisk fysiker och student av Rutherford's, kunde bekräfta 1932.
I stort sett all massa hos en atom ligger i dess kärna, enligt Chemistry LibreTexts. Protonerna och neutronerna som utgör kärnan är ungefär samma massa (protonen är något mindre) och har samma vinkelmoment eller snurr.
Kärnan hålls samman av den starka kraften, en av de fyra grundkrafterna i naturen. Denna kraft mellan protonerna och neutronerna övervinner den avvisande elektriska kraften som annars skulle skjuta protonerna isär, enligt reglerna för elektricitet. Vissa atomkärnor är instabila eftersom bindningskraften varierar för olika atomer baserat på kärnans storlek. Dessa atomer sönderfaller sedan till andra element, till exempel kol-14 som sönderfaller till kväve-14.
Protoner
Protoner är positivt laddade partiklar som finns i atomkärnor. Rutherford upptäckte dem i experiment med katodstrålerör som genomfördes mellan 1911 och 1919. Protoner är cirka 99,86% lika massiva som neutroner.
Antalet protoner i en atom är unikt för varje element. Till exempel har kolatomer sex protoner, väteatomer har en och syreatomer har åtta. Antalet protoner i en atom benämns det atomens antalet. Antalet protoner bestämmer också det kemiska beteendet hos elementet. Element är arrangerade i den periodiska tabellen över elementen i ordning för att öka atomantalet.
Tre kvarkar utgör varje proton - två "upp" -kvarkar (var och en med en två tredjedelars positiv laddning) och en "ner" -kvark (med en tredjedel negativ laddning) - och de hålls samman av andra subatomära partiklar som kallas gluoner, som är masslösa.
Elektroner
Elektroner är små jämfört med protoner och neutroner, över 1 800 gånger mindre än antingen en proton eller en neutron. Elektroner är cirka 0,054% lika massiva som neutroner, enligt Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, en brittisk fysiker, upptäckte elektronen 1897, enligt Science History Institute. Ursprungligen känd som "kroppar", elektroner har en negativ laddning och lockas elektriskt till de positivt laddade protonerna. Elektroner omger atomkärnan i banor som kallas orbitaler, en idé som presenterades av Erwin Schrödinger, en österrikisk fysiker, på 1920-talet. Idag är denna modell känd som kvantmodellen eller elektronmolnmodellen. De inre orbitalerna som omger atomen är sfäriska men de yttre orbitalerna är mycket mer komplicerade.
En atoms elektronkonfiguration hänvisar till platserna för elektronerna i en typisk atom. Med hjälp av elektronkonfiguration och fysikprinciper kan kemister förutsäga en atoms egenskaper, såsom stabilitet, kokpunkt och konduktivitet, enligt Los Alamos National Laboratory.
Neutroner
Neutronens existens teoretiserades av Rutherford 1920 och upptäcktes av Chadwick 1932, enligt American Physical Society. Neutroner hittades under experiment när atomer sköts på ett tunt ark beryllium. Subatomiska partiklar utan laddning släpptes - neutronen.
Neutroner är oladdade partiklar som finns i alla atomkärnor (förutom väte). En neutronmassa är något större än för en proton. Liksom protoner är neutroner också gjorda av kvarkar - en "upp" -kvark (med en positiv 2/3-laddning) och två "ned-" kvarkar (var och en med en negativ tredjedels laddning).
Atomens historia
Atomteorin går åtminstone så långt tillbaka som 440 f.Kr. till Democritus, en grekisk forskare och filosof. Democritus byggde troligen sin teori om atomer på tidigare filosofers arbete, enligt Andrew G. Van Melsen, författare till "Från Atomos till Atom: The History of the Concept Atom" (Duquesne University Press, 1952).
Demokritos förklaring av atomen börjar med en sten. En sten i två delar ger två halvor av samma sten. Om stenen skulle skäras kontinuerligt skulle det vid någon tidpunkt existera en bit av stenen så liten att den inte längre kunde skäras. Termen "atom" kommer från det grekiska ordet för odelbarhet, vilket Democritus drog slutsatsen måste vara den punkt där ett väsen (någon form av materia) inte kan delas längre.
Hans förklaring inkluderade idéerna att atomer existerar separat från varandra, att det finns en oändlig mängd atomer, att atomer kan röra sig, att de kan kombinera tillsammans för att skapa materia men inte smälter samman för att bli en ny atom, och att de kan inte delas, enligt Universe Today. Eftersom de flesta filosofer på den tiden - särskilt den mycket inflytelserika Aristoteles - trodde att all materia skapades från jord, luft, eld och vatten, läggs Democritus atomteori åt sidan.
John Dalton, en brittisk kemist, byggde på Democritus idéer 1803 när han lade fram sin egen atomteori enligt kemiavdelningen vid Purdue University. Daltons teori inkluderade flera idéer från Democritus, som atomer är odelbara och oförstörbara och att olika atomer bildas tillsammans för att skapa all materia. Daltons tillägg till teorin inkluderade följande idéer: Att alla atomer i ett visst element var identiska, att atomer i ett element kommer att ha olika vikter och egenskaper än atomer i ett annat element, att atomer inte kan skapas eller förstöras och att materien bildas av atomer som kombinerar i enkla heltal.
Thomson, den brittiska fysikern som upptäckte elektronen 1897, bevisade att atomer kan delas, enligt Chemical Heritage Foundation. Han kunde bestämma förekomsten av elektroner genom att studera egenskaperna för elektrisk urladdning i katodstrålerör. Enligt Thomsons papper från 1897 avleddes strålarna inuti röret, vilket bevisade att det fanns något som var negativt laddat i vakuumröret. År 1899 publicerade Thomson en beskrivning av sin version av atomen, allmänt känd som "plommapuddingmodellen." Ett utdrag av det här dokumentet finns på Chem Team-webbplatsen. Thomsons modell av atomen inkluderade ett stort antal elektroner upphängda i något som gav en positiv laddning vilket gav atomen en total neutral laddning. Hans modell liknade plommapudding, en populär brittisk efterrätt som hade russin upphängd i en rund kakliknande boll.
Nästa forskare som ytterligare modifierade och avancerade atommodellen var Rutherford, som studerade under Thomson, enligt kemiavdelningen vid Purdue University. 1911 publicerade Rutherford sin version av atomen, som inkluderade en positivt laddad kärna som kretsades av elektroner. Denna modell uppstod när Rutherford och hans assistenter avfyrade alfapartiklar på tunna guldark. En alfapartikel består av två protoner och två neutroner som alla hålls samman av samma starka kärnkraft som binder kärnan, enligt Jefferson Lab.
Forskarna märkte att en liten procentdel av alfapartiklarna spriddes i mycket stora vinklar till den ursprungliga rörelseriktningen medan majoriteten passerade rakt igenom knappast störd. Rutherford kunde närma sig storleken på kärnan i guldatomen och fann att den var minst 10.000 gånger mindre än storleken på hela atomen med mycket av atomen som tomt utrymme. Rutherfords modell av atomen är fortfarande den grundläggande modellen som används idag.
Flera andra forskare främjade atommodellen, inklusive Niels Bohr (byggd på Rutherfords modell för att inkludera egenskaper hos elektroner baserade på vätespektrumet), Erwin Schrödinger (utvecklade atomens kvantmodell), Werner Heisenberg (uppgav att man inte kan känna till båda en elektrons position och hastighet samtidigt) och Murray Gell-Mann och George Zweig (oberoende utvecklade teorin om att protoner och neutroner var sammansatta av kvarkar).
