Ime "atom" prevedeno je s grčkog kao "nedjeljiv". Sve oko nas - krute tvari, tekućine i zrak - izgrađeno je od milijardi ovih čestica.
Izgled verzije o atomu
Atomi su prvi put postali poznati u 5. stoljeću prije Krista, kada je grčki filozof Demokrit sugerirao da se materija sastoji od pokretnih sićušnih čestica. Ali tada nije bilo moguće provjeriti verziju njihovog postojanja. I premda nitko nije mogao vidjeti te čestice, o toj ideji se raspravljalo, jer su jedino na taj način znanstvenici mogli objasniti procese koji se događaju u stvarnom svijetu. Stoga su vjerovali u postojanje mikročestica mnogo prije nego što su uspjeli dokazati tu činjenicu.
Samo u 19. stoljeću. počeli su se analizirati kao najmanji sastojci kemijskih elemenata, koji imaju specifična svojstva atoma – sposobnost ulaska u spojeve s drugima u strogo propisanoj količini. Početkom 20. stoljeća vjerovalo se da su atomi najmanje čestice materije, sve dok nije dokazano da se sastoje od još manjih jedinica.
Od čega se sastoji kemijski element?
Atom kemijskog elementa je mikroskopski građevni blok materije. Molekularna težina atoma postala je odlučujuća značajka ove mikročestice. Tek otkriće Mendeljejevljevog periodičnog zakona potvrdilo je da su njihovi tipovi različiti oblici jedne materije. Toliko su male da se ne mogu vidjeti običnim mikroskopom, već samo najmoćnijim elektroničkim uređajima. Za usporedbu, dlaka na ljudskoj ruci je milijun puta šira.
Elektronska struktura atoma ima jezgru, koja se sastoji od neutrona i protona, kao i elektrona, koji se vrte oko središta u stalnim orbitama, poput planeta oko svojih zvijezda. Sve ih zajedno drži elektromagnetska sila, jedna od četiri glavne sile u svemiru. Neutroni su čestice s neutralnim nabojem, protoni su obdareni pozitivnim, a elektroni negativnim. Potonji privlače pozitivno nabijeni protoni, pa imaju tendenciju da ostanu u orbiti.
struktura atoma
U središnjem dijelu nalazi se jezgra koja ispunjava minimalni dio cijelog atoma. No, studije pokazuju da se u njemu nalazi gotovo cijela masa (99,9%). Svaki atom sadrži protone, neutrone, elektrone. Broj rotirajućih elektrona u njemu jednak je pozitivnom središnjem naboju. Čestice s istim nuklearnim nabojem Z, ali različitom atomskom masom A i brojem neutrona u jezgri N nazivaju se izotopi, a s istim A i različitim Z i N nazivaju se izobare. Elektron je najmanja čestica materije s negativomelektrični naboj e=1,6 10-19 kulona. Naboj iona određuje broj izgubljenih ili dobivenih elektrona. Proces metamorfoze neutralnog atoma u nabijeni ion naziva se ionizacija.
Nova verzija modela atoma
Fizičari su do danas otkrili mnoge druge elementarne čestice. Elektronička struktura atoma ima novu verziju.
Vjeruje se da se protoni i neutroni, koliko god mali bili, sastoje od najmanjih čestica zvanih kvarkovi. Oni predstavljaju novi model za konstrukciju atoma. Kako su znanstvenici nekada prikupljali dokaze za postojanje prethodnog modela, danas pokušavaju dokazati postojanje kvarkova.
RTM je uređaj budućnosti
Moderni znanstvenici mogu vidjeti atomske čestice tvari na monitoru računala, kao i pomicati ih po površini pomoću posebnog alata zvanog skenirajući tunelski mikroskop (RTM).
Ovo je kompjuterizirani alat s vrhom koji se vrlo nježno pomiče blizu površine materijala. Kako se vrh pomiče, elektroni se kreću kroz jaz između vrha i površine. Iako materijal izgleda savršeno glatko, zapravo je neravnomjeran na atomskoj razini. Računalo pravi kartu površine materije, stvarajući sliku njezinih čestica, i tako znanstvenici mogu vidjeti svojstva atoma.
Radioaktivne čestice
Negativno nabijeni ioni kruže oko jezgre na dovoljno velikoj udaljenosti. Struktura atoma je takva da je cjelinaje uistinu neutralan i nema električni naboj jer su sve njegove čestice (protoni, neutroni, elektroni) u ravnoteži.
Radioaktivni atom je element koji se lako može podijeliti. Njegovo središte se sastoji od mnogih protona i neutrona. Jedina iznimka je dijagram atoma vodika, koji ima jedan jedini proton. Jezgra je okružena oblakom elektrona, njihova privlačnost ih tjera da rotiraju oko središta. Protoni s istim nabojem odbijaju jedni druge.
Ovo nije problem za većinu malih čestica koje ih imaju nekoliko. Ali neki od njih su nestabilni, posebno veliki poput urana koji ima 92 protona. Ponekad njegov centar ne može izdržati takvo opterećenje. Nazivaju se radioaktivnim jer iz svoje jezgre emitiraju nekoliko čestica. Nakon što se nestabilna jezgra riješi protona, preostali protoni formiraju novu kćer. Može biti stabilan ovisno o broju protona u novoj jezgri, ili se može dalje dijeliti. Ovaj se proces nastavlja sve dok ne ostane stabilna podređena jezgra.
Svojstva atoma
Fizička i kemijska svojstva atoma prirodno se mijenjaju iz jednog elementa u drugi. Oni su definirani sljedećim glavnim parametrima.
Atomska masa. Budući da glavno mjesto mikročestica zauzimaju protoni i neutroni, njihov zbroj određuje broj koji se izražava u jedinicama atomske mase (amu) Formula: A=Z + N.
Atomski radijus. Polumjer ovisi o položaju elementa u sustavu Mendeljejev, kemijskiveze, broj susjednih atoma i kvantno mehaničko djelovanje. Polumjer jezgre je sto tisuća puta manji od polumjera samog elementa. Struktura atoma može izgubiti elektrone i postati pozitivni ion, ili dodati elektrone i postati negativni ion.
U periodičnom sustavu Mendeljejeva, svaki kemijski element zauzima svoje mjesto. U tablici se veličina atoma povećava kako se krećete odozgo prema dolje i smanjuje se kako se krećete s lijeva na desno. Od toga je najmanji element helij, a najveći cezij.
Valencija. Vanjska elektronska ljuska atoma naziva se valentna ljuska, a elektroni u njoj dobili su odgovarajući naziv - valentni elektroni. Njihov broj određuje kako je atom povezan s ostalima pomoću kemijske veze. Metodom stvaranja posljednje mikročestice pokušavaju ispuniti svoje vanjske valentne ljuske.
Gravitacija, privlačnost je sila koja drži planete u orbiti, zbog nje predmeti pušteni iz ruku padaju na pod. Osoba više primjećuje gravitaciju, ali je elektromagnetsko djelovanje višestruko snažnije. Sila koja privlači (ili odbija) nabijene čestice u atomu je 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 puta snažnija od gravitacije u atomu. Ali u središtu jezgre postoji još jača sila koja može držati protone i neutrone zajedno.
Reakcije u jezgrama stvaraju energiju kao u nuklearnim reaktorima gdje se atomi dijele. Što je element teži, to su njegovi atomi izgrađeni od više čestica. Ako zbrojimo ukupan broj protona i neutrona u elementu, saznat ćemo tomasa. Na primjer, uran, najteži element pronađen u prirodi, ima atomsku masu od 235 ili 238.
Podjela atoma na razine
Razine energije atoma su veličina prostora oko jezgre, gdje se elektron kreće. Ukupno ima 7 orbitala, što odgovara broju perioda u periodnom sustavu. Što je elektron udaljeniji od jezgre, to ima značajniju rezervu energije. Broj razdoblja označava broj atomskih orbitala oko njegove jezgre. Na primjer, kalij je element 4. perioda, što znači da ima 4 energetske razine atoma. Broj kemijskog elementa odgovara njegovom naboju i broju elektrona oko jezgre.
Atom je izvor energije
Vjerojatno najpoznatiju znanstvenu formulu otkrio je njemački fizičar Einstein. Ona tvrdi da masa nije ništa drugo nego oblik energije. Na temelju ove teorije moguće je materiju pretvoriti u energiju i po formuli izračunati koliko se toga može dobiti. Prvi praktični rezultat ove transformacije bile su atomske bombe, koje su prvo testirane u pustinji Los Alamos (SAD), a zatim eksplodirale nad japanskim gradovima. I premda se samo sedmina eksploziva pretvorila u energiju, razorna snaga atomske bombe bila je strašna.
Da bi jezgra oslobodila svoju energiju, mora se srušiti. Da bismo ga razdvojili, potrebno je djelovati neutronom izvana. Tada se jezgra raspada na dvije druge, lakše, uz veliko oslobađanje energije. Propadanje dovodi do oslobađanja drugih neutrona,i nastavljaju cijepati druge jezgre. Proces se pretvara u lančanu reakciju, što rezultira ogromnom količinom energije.
Za i protiv upotrebe nuklearne reakcije u naše vrijeme
Destruktivnu silu, koja se oslobađa tijekom transformacije materije, čovječanstvo pokušava ukrotiti u nuklearnim elektranama. Ovdje se nuklearna reakcija ne odvija u obliku eksplozije, već kao postupno oslobađanje topline.
Proizvodnja atomske energije ima svoje prednosti i nedostatke. Prema znanstvenicima, kako bismo održali našu civilizaciju na visokoj razini, potrebno je koristiti ovaj golemi izvor energije. Ali također treba uzeti u obzir da ni najmoderniji razvoj ne može jamčiti potpunu sigurnost nuklearnih elektrana. Osim toga, radioaktivni otpad proizveden tijekom proizvodnje energije, ako se nepravilno skladišti, može utjecati na naše potomke desetcima tisuća godina.
Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, sve više ljudi smatra da je proizvodnja nuklearne energije vrlo opasna za čovječanstvo. Jedina sigurna elektrana ove vrste je Sunce sa svojom ogromnom nuklearnom energijom. Znanstvenici razvijaju sve vrste modela solarnih ćelija, a možda će u bliskoj budućnosti čovječanstvo moći sebi osigurati sigurnu atomsku energiju.
