Atóm: definícia, štruktúra a základné vlastnosti

Slovo "atóm" pochádza z gréckeho (ἀτόμος) "atomos", nedeliteľný, z (ἀ)-, nie, a τόμος, rez. Prvá historická zmienka o slove atóm pochádza z diel gréckeho filozofa Demokrita okolo roku 400 pred Kr. Teória atómu zostala až do rozvoja chémie v 50. rokoch 16. storočia prevažne filozofickou témou, ktorej sa nevenovalo veľa skutočného vedeckého skúmania a štúdia.

V roku 1777 francúzsky chemik Antoine Lavoisier prvýkrát definoval pojem prvok. Povedal, že prvok je akákoľvek základná látka, ktorá sa nedá rozložiť na iné látky metódami chémie. Každá látka, ktorá sa dá rozložiť, je zlúčenina.

V roku 1803 anglický filozof John Dalton navrhol, že prvky sú malé pevné guľôčky zložené z atómov. Dalton veril, že všetky atómy toho istého prvku majú rovnakú hmotnosť. Tvrdil, že zlúčeniny vznikajú, keď sa atómy viacerých prvkov spájajú. Podľa Daltona sa v určitej zlúčenine atómy prvkov zlúčeniny vždy spájajú rovnakým spôsobom.

V roku 1827 sa britský vedec Robert Brown pozrel na peľové zrnká vo vode pod mikroskopom. Zdalo sa, že peľové zrná sa hýbu. Brown použil Daltonovu atómovú teóriu na opis zákonitostí v ich pohybe. Nazval to Brownovým pohybom. V roku 1905 Albert Einstein pomocou matematiky dokázal, že zdanlivo náhodné pohyby sú spôsobené reakciami atómov, a tým definitívne dokázal existenciu atómu. V roku 1869 ruský vedec Dmitrij Mendelejev uverejnil prvú verziu periodickej tabuľky prvkov. Periodická tabuľka zoskupuje prvky podľa ich atómového čísla (koľko protónov majú. Toto číslo je zvyčajne rovnaké ako počet elektrónov). Prvky v rovnakom stĺpci alebo perióde majú zvyčajne podobné vlastnosti. Napríklad hélium, neón, argón, kryptón a xenón sú v tom istom stĺpci a majú veľmi podobné vlastnosti. Všetky tieto prvky sú plyny, ktoré nemajú farbu ani zápach. Taktiež sa nedokážu spájať s inými atómami a vytvárať zlúčeniny. Spoločne sú známe ako vzácne plyny.

Fyzik J. J. Thomson ako prvý objavil elektróny. Stalo sa tak počas jeho práce s katódovými lúčmi v roku 1897. Zistil, že na rozdiel od protónov (kladné) a neutrónov (bez náboja) majú záporný náboj. Thomson vytvoril model slivkového pudingu, podľa ktorého sa atóm podobá slivkovému pudingu: sušené ovocie (elektróny) uviazlo v hmote pudingu (protóny). V roku 1909 vedec Ernest Rutherford pomocou Geigerovho-Marsdenovho experimentu dokázal, že väčšina atómu sa nachádza vo veľmi malom priestore nazývanom atómové jadro. Rutherford vzal fotografickú platňu, pokryl ju zlatou fóliou a potom do nej vystrelil častice alfa (zložené z dvoch protónov a dvoch neutrónov prilepených k sebe). Mnohé z častíc prešli cez zlatú fóliu, čo dokázalo, že atómy sú väčšinou prázdny priestor. Elektróny sú také malé, že tvoria len 1 % hmotnosti atómu.

V roku 1913 Niels Bohr predstavil Bohrov model. Tento model ukázal, že elektróny sa pohybujú okolo jadra po pevných kruhových dráhach. Bol presnejší ako Rutherfordov model. Stále však nebol úplne správny. Od jeho prvého predstavenia sa Bohrov model vylepšil.

V roku 1925 chemik Frederick Soddy zistil, že niektoré prvky v periodickej tabuľke majú viac ako jeden druh atómu. Napríklad každý atóm s dvoma protónmi by mal byť atómom hélia. Jadro hélia zvyčajne obsahuje aj dva neutróny. Niektoré atómy hélia však majú len jeden neutrón. To znamená, že sú skutočne héliom, pretože prvok je definovaný počtom protónov, ale nie sú ani normálnym héliom. Soddy nazval takýto atóm s iným počtom neutrónov izotopom. Aby sme získali názov izotopu, pozrieme sa na to, koľko protónov a neutrónov má vo svojom jadre, a pridáme to k názvu prvku. Atóm hélia s dvoma protónmi a jedným neutrónom sa teda nazýva hélium-3 a atóm uhlíka so šiestimi protónmi a šiestimi neutrónmi sa nazýva uhlík-12. Keď však Soddy vypracoval svoju teóriu, nemohol si byť istý, či neutróny skutočne existujú. Aby dokázal, že sú skutočné, fyzik James Chadwick a tím ďalších ľudí vytvorili hmotnostný spektrometer. Hmotnostný spektrometer v skutočnosti meria hmotnosť a váhu jednotlivých atómov. Tým Chadwick dokázal, že na to, aby neutróny zodpovedali celej hmotnosti atómu, musia existovať.

V roku 1937 sa nemeckému chemikovi Ottovi Hahnovi ako prvému podarilo v laboratóriu uskutočniť jadrové štiepenie. Objavil to náhodou, keď strieľal neutróny na atóm uránu v nádeji, že vytvorí nový izotop. Všimol si však, že namiesto nového izotopu sa urán jednoducho zmenil na atóm bária, ktorý je menší ako urán. Hahn zrejme "rozbil" atóm uránu. Išlo o prvú zaznamenanú štiepnu jadrovú reakciu na svete. Tento objav nakoniec viedol k vytvoreniu atómovej bomby.

V 20. storočí fyzici hlbšie prenikali do tajomstiev atómu. Pomocou urýchľovačov častíc zistili, že protóny a neutróny sa v skutočnosti skladajú z iných častíc, tzv. kvarkov.

Zatiaľ najpresnejší model vychádza zo Schrödingerovej rovnice. Schrödinger si uvedomil, že elektróny existujú v oblaku okolo jadra, ktorý sa nazýva elektrónový oblak. V elektrónovom oblaku nie je možné presne zistiť, kde sa elektróny nachádzajú. Schrödingerova rovnica sa používa na zistenie, kde sa elektrón pravdepodobne nachádza. Táto oblasť sa nazýva orbitál elektrónu.

Diely

Zložitý atóm sa skladá z troch hlavných častíc: protónu, neutrónu a elektrónu. Izotop vodíka Vodík-1 nemá žiadne neutróny, iba jeden protón a jeden elektrón. Kladný ión vodíka nemá žiadne elektróny, len jeden protón a jeden neutrón. Tieto dva príklady sú jedinými známymi výnimkami z pravidla, že všetky ostatné atómy majú každý aspoň jeden protón, jeden neutrón a jeden elektrón.

Elektróny sú zďaleka najmenšie z troch atómových častíc, ich hmotnosť a veľkosť sú príliš malé na to, aby sa dali zmerať súčasnou technológiou. Majú záporný náboj. Protóny a neutróny majú navzájom podobnú veľkosť a hmotnosť, protóny sú kladne nabité a neutróny nemajú náboj. Väčšina atómov má neutrálny náboj; pretože počet protónov (kladných) a elektrónov (záporných) je rovnaký, náboje sa vyrovnávajú na nulu. V iónoch (rôzny počet elektrónov) to však nie je vždy tak a môžu mať kladný alebo záporný náboj. Protóny a neutróny sa skladajú z kvarkov, a to z dvoch typov: z kvarkov nahor a z kvarkov nadol. Protón sa skladá z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku a neutrón sa skladá z dvoch down kvarkov a jedného up kvarku.

Jadro

Jadro sa nachádza v strede atómu. Skladá sa z protónov a neutrónov. V prírode sa zvyčajne dve veci s rovnakým nábojom navzájom odpudzujú alebo od seba odstreľujú. Preto bolo pre vedcov dlho záhadou, ako sa kladne nabité protóny v jadre udržali pohromade. Vyriešili to objavením častice nazývanej gluón. Jej názov pochádza zo slova glue, pretože gluóny sa správajú ako atómové lepidlo a lepia protóny pomocou silnej jadrovej sily. Táto sila drží pohromade aj kvarky, ktoré tvoria protóny a neutróny.

Počet neutrónov v pomere k protónom určuje, či je jadro stabilné, alebo prechádza rádioaktívnym rozpadom. Keď je neutrónov alebo protónov príliš veľa, atóm sa snaží vyrovnať ich počet tým, že sa zbaví nadbytočných častíc. Robí to vysielaním žiarenia vo forme alfa, beta alebo gama rozpadu. Jadrá sa môžu meniť aj inými spôsobmi. Štiepenie jadra nastáva vtedy, keď sa jadro rozštiepi na dve menšie jadrá, pričom sa uvoľní veľké množstvo nahromadenej energie. Vďaka tomuto uvoľneniu energie je štiepenie jadier užitočné na výrobu bômb a elektriny v podobe jadrovej energie. Ďalším spôsobom, ako sa môžu jadrá meniť, je jadrová fúzia, keď sa dve jadrá spoja alebo zlúčia a vytvoria ťažšie jadro. Tento proces si vyžaduje extrémne množstvo energie na prekonanie elektrostatického odpudzovania medzi protónmi, pretože majú rovnaký náboj. Takéto vysoké energie sa najčastejšie vyskytujú vo hviezdach, ako je naše Slnko, ktoré spaľuje vodík ako palivo.

Elektróny

Elektróny obiehajú okolo jadra. Nazývajú sa elektrónový oblak atómu. K jadru ich priťahuje elektromagnetickásila. Elektróny majú záporný náboj a jadro má vždy kladný náboj, preto sa navzájom priťahujú. Okolo jadra sú niektoré elektróny ďalej ako iné, v rôznych vrstvách. Tieto vrstvy sa nazývajú elektrónové obaly. Vo väčšine atómov má prvá škrupina dva elektróny a všetky ďalšie majú osem elektrónov. Výnimky sú zriedkavé, ale vyskytujú sa a je ťažké ich predpovedať. Čím ďalej je elektrón od jadra, tým slabšia je príťažlivosť jadra naň. Preto väčšie atómy s väčším počtom elektrónov ľahšie reagujú s inými atómami. Elektromagnetizmus jadra nie je dostatočne silný na to, aby si udržal svoje elektróny, a atómy strácajú elektróny v dôsledku silnej príťažlivosti menších atómov.

Niektoré prvky a mnohé izotopy majú tzv. nestabilné jadro. To znamená, že jadro je buď príliš veľké na to, aby sa udržalo pohromade, alebo má príliš veľa protónov alebo neutrónov. Keď sa to stane, jadro sa musí zbaviť prebytočnej hmotnosti alebo častíc. Robí to prostredníctvom žiarenia. Atóm, ktorý to robí, možno nazvať rádioaktívnym. Nestabilné atómy sú naďalej rádioaktívne, kým nestratia dostatok hmoty/častíc, aby sa stali stabilnými. Všetky atómy s atómovým číslom nad 82 (82 protónov, olovo) sú rádioaktívne.

Existujú tri hlavné typy rádioaktívneho rozpadu: alfa, beta a gama.

• Rozpad alfa nastáva vtedy, keď atóm vystrelí časticu s dvoma protónmi a dvoma neutrónmi. V podstate ide o jadro hélia. Výsledkom je prvok s atómovým číslom o dva menším ako predtým. Ak by teda napríklad atóm berýlia (atómové číslo 4) prešiel alfa rozpadom, stal by sa héliom (atómové číslo 2). K alfa rozpadu dochádza vtedy, keď je atóm príliš veľký a potrebuje sa zbaviť určitej hmotnosti.
• Beta rozpad nastáva vtedy, keď sa neutrón zmení na protón alebo protón na neutrón. V prvom prípade atóm vystrelí elektrón. V druhom prípade je to pozitrón (ako elektrón, ale s kladným nábojom). Konečným výsledkom je prvok s o jedno vyššie alebo o jedno nižšie atómové číslo ako predtým. Beta rozpad nastáva vtedy, keď má atóm buď príliš veľa protónov, alebo príliš veľa neutrónov.
• Rozpad gama žiarenia nastáva vtedy, keď atóm vystrelí gama žiarenie alebo vlnu. Dochádza k nemu vtedy, keď sa zmení energia jadra. Zvyčajne sa tak deje po tom, čo jadro už prešlo alfa alebo beta rozpadom. Nedochádza k zmene hmotnosti ani atómového čísla atómu, iba k zmene energie uloženej v jadre.

Každý rádioaktívny prvok alebo izotop má tzv. polčas rozpadu. Je to čas, za ktorý sa polovica akejkoľvek vzorky atómov daného typu rozpadne, kým sa z nich stane iný stabilný izotop alebo prvok. Veľké atómy alebo izotopy s veľkým rozdielom medzi počtom protónov a neutrónov majú preto dlhý polčas rozpadu, pretože musia stratiť viac neutrónov, aby sa stali stabilnými.

Marie Curie objavila prvú formu žiarenia. Objavila prvok a pomenovala ho rádium. Bola tiež prvou ženskou nositeľkou Nobelovej ceny.

Frederick Soddy uskutočnil experiment, v ktorom sledoval, čo sa deje pri rozpade rádia. Umiestnil vzorku do žiarovky a čakal, kým sa rozpadne. V žiarovke sa zrazu objavilo hélium (obsahujúce 2 protóny a 2 neutróny) a na základe tohto pokusu zistil, že tento typ žiarenia má kladný náboj.

James Chadwick objavil neutrón pozorovaním rozpadových produktov rôznych typov rádioaktívnych izotopov. Chadwick si všimol, že atómové číslo prvkov je nižšie ako celková atómová hmotnosť atómu. Dospel k záveru, že elektróny nemôžu byť príčinou dodatočnej hmotnosti, pretože takmer nemajú hmotnosť.

Enrico Fermi, použil neutróny a vystrelil ich na urán. Zistil, že urán sa rozpadá oveľa rýchlejšie ako zvyčajne a produkuje veľa častíc alfa a beta. Domnieval sa tiež, že urán sa zmenil na nový prvok, ktorý nazval hespérium.

Otto Hanh a Fritz Strassmann zopakovali Fermiho experiment, aby zistili, či skutočne vznikol nový prvok hespérium. Objavili dve nové veci, ktoré Fermi nepozoroval. Pri použití veľkého množstva neutrónov by sa jadro atómu rozštiepilo, čím by vzniklo veľké množstvo tepelnej energie. Taktiež už boli objavené produkty štiepenia uránu: tórium, paládium, rádium, radón a olovo.

Fermi si potom všimol, že štiepenie jedného atómu uránu vystrelí viac neutrónov, ktoré potom štiepia ďalšie atómy a vytvárajú reťazové reakcie. Uvedomil si, že tento proces sa nazýva jadrové štiepenie a môže vytvárať obrovské množstvo tepelnej energie.

Práve tento Fermiho objav viedol k vývoju prvej jadrovej bomby s krycím názvom "Trinity".