Atom: az anyag alapegysége — definíció, szerkezete és tulajdonságai

Az "atom" szó a görög (ἀτόμος) "atomos", oszthatatlan, a (ἀ)-, nem, és τόμος, vágás szóból származik. Az atom szó első történelmi említése Démokritosz görög filozófus műveiből származik, i. e. 400 körül. Az atomelmélet az 1650-es évekig, a kémia kialakulásáig, többnyire filozófiai témaként maradt fenn, tényleges tudományos vizsgálat vagy tanulmányozás nélkül.

1777-ben Antoine Lavoisier francia kémikus definiálta először az elem fogalmát. Azt mondta, hogy elem minden olyan alapanyag, amelyet a kémia módszereivel nem lehet más anyagokra bontani. Minden olyan anyag, amely lebontható, vegyületnek minősül.

1803-ban John Dalton angol filozófus felvetette, hogy az elemek apró, szilárd gömbök, amelyek atomokból állnak. Dalton úgy vélte, hogy ugyanazon elem minden atomjának azonos a tömege. Azt mondta, hogy vegyületek akkor keletkeznek, amikor egynél több elem atomjai egyesülnek. Dalton szerint egy bizonyos vegyületben a vegyület elemeihez tartozó atomok mindig ugyanúgy egyesülnek.

1827-ben Robert Brown brit tudós mikroszkóp alatt vizsgálta a vízben lévő pollenszemeket. A pollenszemek úgy tűntek, mintha rázkódnának. Brown Dalton atomelméletét használta fel arra, hogy leírja a mozgásuk mintázatát. Ezt nevezte Brown-mozgásnak. 1905-ben Albert Einstein matematikával bebizonyította, hogy a látszólag véletlenszerű mozgásokat az atomok reakciói okozzák, és ezzel végérvényesen bebizonyította az atom létezését. 1869-ben Dmitrij Mendelejev orosz tudós közzétette a periódusos rendszer első változatát. A periódusos rendszer az elemeket az atomszámuk (hány protonjuk van. Ez általában megegyezik az elektronok számával). Az azonos oszlopban, azaz periódusban lévő elemek általában hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a hélium, a neon, az argon, a kripton és a xenon mind ugyanabban az oszlopban vannak, és nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek az elemek mind gázok, amelyeknek nincs színük és szaguk. Emellett nem képesek más atomokkal vegyületeket alkotni. Együttesen a nemesgázok néven ismertek.

J. J. Thomson fizikus volt az első, aki felfedezte az elektronokat. Ez akkor történt, amikor 1897-ben katódsugarakkal dolgozott. Rájött, hogy negatív töltéssel rendelkeznek, ellentétben a protonokkal (pozitív) és a neutronokkal (nincs töltésük). Thomson megalkotta a szilvapuding-modellt, amely szerint az atom olyan, mint a szilvapuding: a szárított gyümölcs (elektronok) egy pudingmasszában (protonok) ragadtak. 1909-ben egy Ernest Rutherford nevű tudós a Geiger-Marsden-kísérlettel bebizonyította, hogy az atom nagy része egy nagyon kis térben, az atommagban van. Rutherford fogott egy fotólemezt, beborította aranyfóliával, majd alfa-részecskéket lőtt rá (amelyek két protonból és két neutronból állnak, amelyek összetapadtak). A részecskék közül sok átment az aranyfólián, ami bebizonyította, hogy az atomok nagyrészt üres térből állnak. Az elektronok olyan kicsik, hogy az atom tömegének mindössze 1%-át teszik ki.

1913-ban Niels Bohr bemutatta a Bohr-modellt. Ez a modell azt mutatta, hogy az elektronok rögzített körpályán mozognak az atommag körül. Ez pontosabb volt, mint a Rutherford-modell. Azonban még mindig nem volt teljesen helyes. A Bohr-modell bevezetése óta számos javítást végeztek rajta.

1925-ben Frederick Soddy kémikus megállapította, hogy a periódusos rendszer egyes elemei egynél többféle atomot tartalmaznak. Például minden olyan atom, amelynek 2 protonja van, héliumatomnak kell lennie. Általában a héliummag két neutront is tartalmaz. Néhány héliumatomnak azonban csak egy neutronja van. Ez azt jelenti, hogy ezek valóban hélium, hiszen egy elemet a protonok száma határoz meg, de ezek sem normál hélium. Soddy az ilyen, eltérő számú neutronokkal rendelkező atomot izotópnak nevezte. Az izotóp nevéhez megnézzük, hogy hány proton és hány neutron van az atommagjában, és ezt hozzáadjuk az elem nevéhez. Így egy héliumatomot, amelynek két protonja és egy neutronja van, hélium-3-nak, egy szénatomot pedig, amelynek hat protonja és hat neutronja van, szén-12-nek nevezünk. Amikor azonban elméletét kidolgozta, Soddy nem lehetett biztos abban, hogy a neutronok valóban léteznek. Hogy bebizonyítsa, hogy léteznek, James Chadwick fizikus és egy csapat társával létrehozta a tömegspektrométert. A tömegspektrométer valójában az egyes atomok tömegét és súlyát méri. Ezzel Chadwick bebizonyította, hogy ahhoz, hogy az atom teljes tömegét a neutronoknak kell létezniük.

1937-ben Otto Hahn német kémikus volt az első, aki laboratóriumban létrehozta a maghasadást. Ezt véletlenül fedezte fel, amikor neutronokat lőtt egy uránatomra, egy új izotóp létrehozásának reményében. Azonban észrevette, hogy új izotóp helyett az urán egyszerűen átváltozott egy báriumatommá, amely kisebb atom, mint az urán. Úgy tűnik, Hahn "összetörte" az uránatomot. Ez volt a világ első feljegyzett maghasadási reakciója. Ez a felfedezés végül az atombomba megalkotásához vezetett.

A 20. században a fizikusok egyre mélyebbre hatoltak az atom rejtelmeibe. Részecskegyorsítók segítségével felfedezték, hogy a protonok és neutronok valójában más részecskékből, úgynevezett kvarkokból állnak.

Az eddigi legpontosabb modell a Schrödinger-egyenletből származik. Schrödinger felismerte, hogy az elektronok az atommag körül egy felhőben, az úgynevezett elektronfelhőben léteznek. Az elektronfelhőben nem lehet pontosan tudni, hogy hol vannak az elektronok. A Schrödinger-egyenletet arra használják, hogy kiderítsék, hol lehet egy elektron. Ezt a területet nevezzük az elektron pályájának.

Alkatrészek

Az összetett atom három fő részecskéből áll: a protonból, a neutronból és az elektronból. A hidrogén hidrogén-1 izotópjában nincsenek neutronok, csak egy proton és egy elektron. A pozitív hidrogénionnak nincsenek elektronjai, csak az egy proton és egy neutron. Ez a két példa az egyetlen ismert kivétel az alól a szabály alól, hogy minden más atomnak van legalább egy-egy protonja, neutronja és elektronja.

Az elektronok a három atomi részecske közül messze a legkisebbek, tömegük és méretük túl kicsi ahhoz, hogy a jelenlegi technológiával mérni lehessen őket. Negatív töltéssel rendelkeznek. A protonok és a neutronok hasonló méretűek és tömegűek, a protonok pozitív töltésűek, a neutronoknak nincs töltésük. A legtöbb atom semleges töltéssel rendelkezik; mivel a protonok (pozitív) és az elektronok (negatív) száma megegyezik, a töltések kiegyenlítődnek nullára. Az ionoknál (eltérő számú elektron) azonban ez nem mindig van így, és ezek pozitív vagy negatív töltéssel rendelkezhetnek. A protonok és a neutronok kvarkokból állnak, kétféle kvarkból: felfelé és lefelé irányuló kvarkokból. A proton két felfelé irányuló kvarkból és egy lefelé irányuló kvarkból, a neutron pedig két lefelé irányuló kvarkból és egy felfelé irányuló kvarkból áll.

Nucleus

Az atommag az atom közepén található. Protonokból és neutronokból áll. A természetben általában két azonos töltéssel rendelkező dolog taszítja vagy ellöki egymástól. Ezért sokáig rejtély volt a tudósok számára, hogy a magban lévő pozitív töltésű protonok hogyan maradnak együtt. Ezt úgy oldották meg, hogy megtalálták a gluon nevű részecskét. A neve a ragasztó szóból ered, mivel a gluonok úgy viselkednek, mint az atomragasztó, az erős magerő segítségével ragasztják össze a protonokat. Ez az erő tartja össze a kvarkokat is, amelyek a protonokat és a neutronokat alkotják.

A neutronok protonokhoz viszonyított száma határozza meg, hogy az atommag stabil vagy radioaktív bomláson megy keresztül. Ha túl sok a neutron vagy a proton, az atom megpróbálja a számokat a felesleges részecskéktől való megszabadulással kiegyenlíteni. Ezt alfa-, béta- vagy gamma-bomlás formájában történő sugárzás kibocsátásával teszi. Az atommagok más módon is változhatnak. Atommaghasadásról akkor beszélünk, amikor az atommag két kisebb atommagra hasad, sok tárolt energiát felszabadítva. Ez az energiafelszabadulás teszi az atommaghasadást hasznossá a bombák és az elektromosság előállításához, az atomenergia formájában. A másik módja az atommagok változásának a magfúzió, amikor két atommag egyesül, vagyis fuzionál, és egy nehezebb atommagot hoz létre. Ehhez a folyamathoz rendkívül nagy mennyiségű energiára van szükség, hogy a protonok közötti elektrosztatikus taszítást leküzdjék, mivel azonos töltéssel rendelkeznek. Az ilyen nagy energiák leginkább a Naphoz hasonló csillagokban fordulnak elő, amelyek hidrogént fuzionálnak üzemanyagként.

Elektronok

Az elektronok az atommag körül keringenek, vagyis körbejárják azt. Ezeket nevezzük az atom elektronfelhőjének. Az elektromágneseserő miatt vonzódnak az atommaghoz. Az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, az atommag pedig mindig pozitív töltéssel, ezért vonzzák egymást. Az atommag körül egyes elektronok távolabb helyezkednek el, mint mások, különböző rétegekben. Ezeket nevezzük elektronhéjaknak. A legtöbb atomban az első héjban két elektron van, az utána következőben pedig nyolc. A kivételek ritkák, de előfordulnak, és nehéz megjósolni őket. Minél távolabb van az elektron az atommagtól, annál gyengébb az atommag vonzása rá. Ezért van az, hogy a nagyobb, több elektronnal rendelkező atomok könnyebben reagálnak más atomokkal. Az atommag elektromágnesessége nem elég erős ahhoz, hogy megtartsa az elektronjaikat, és az atomok elektronokat veszítenek a kisebb atomok erős vonzása miatt.

Egyes elemek és számos izotóp úgynevezett instabil atommaggal rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy az atommag vagy túl nagy ahhoz, hogy összetartsa magát, vagy túl sok proton vagy neutron van benne. Ilyenkor az atommagnak meg kell szabadulnia a felesleges tömegtől vagy részecskéktől. Ezt sugárzás útján teszi. Egy atomot, amely ezt teszi, radioaktívnak nevezhetünk. Az instabil atomok mindaddig radioaktívak maradnak, amíg elég tömeget/részecskét nem veszítenek ahhoz, hogy stabilakká váljanak. A 82-es atomszám (82 proton, ólom) felett minden atom radioaktív.

A radioaktív bomlásnak három fő típusa van: alfa, béta és gamma.

• Az alfa-bomlás az, amikor az atom két protonból és két neutronból álló részecskét lövell ki. Ez lényegében egy héliummag. Az eredmény egy olyan elem, amelynek atomi száma kettővel kevesebb, mint korábban. Így például, ha egy berilliumatom (4-es atomi szám) alfa-bomláson menne keresztül, héliummá (2-es atomi szám) válna. Az alfa-bomlás akkor történik, amikor egy atom túl nagy, és meg kell szabadulnia egy kis tömegétől.
• A béta-bomlás az, amikor egy neutronból proton lesz, vagy egy protonból neutron. Az első esetben az atom kilő egy elektront. A második esetben egy pozitron (mint egy elektron, de pozitív töltéssel). A végeredmény egy olyan elem, amelynek egyel magasabb vagy egyel alacsonyabb az atomszáma, mint korábban. A béta-bomlás akkor következik be, ha egy atomnak vagy túl sok protonja, vagy túl sok neutronja van.
• A gamma-bomlás az, amikor egy atom gammasugarat vagy hullámot lövell ki. Ez akkor történik, amikor az atommag energiájában változás következik be. Ez általában azután történik, hogy az atommag már átment alfa- vagy béta-bomláson. Nem változik az atom tömege vagy atomi száma, csak az atommagban tárolt energia.

Minden radioaktív elemnek vagy izotópnak van egy úgynevezett felezési ideje. Ez az az időtartam, amely alatt az adott típusú atomok bármely mintájának fele bomlik, amíg egy másik stabil izotóppá vagy elemmé alakul. A nagyméretű atomoknak, illetve a protonok és neutronok száma között nagy különbséggel rendelkező izotópoknak tehát hosszú felezési idejük van, mivel több neutront kell elveszíteniük ahhoz, hogy stabilakká váljanak.

Marie Curie felfedezte a sugárzás első formáját. Megtalálta az elemet, és elnevezte rádiumnak. Ő volt az első női Nobel-díjas is.

Frederick Soddy kísérletet végzett annak megfigyelésére, hogy mi történik a rádium bomlásakor. Egy mintát egy izzóba helyezett, és megvárta, amíg bomlik. Hirtelen hélium (amely 2 protont és 2 neutront tartalmaz) jelent meg az izzóban, és ebből a kísérletből felfedezte, hogy ez a fajta sugárzás pozitív töltéssel rendelkezik.

James Chadwick fedezte fel a neutront, különböző típusú radioaktív izotópok bomlástermékeinek megfigyelésével. Chadwick észrevette, hogy az elemek atomi száma kisebb, mint az atom teljes atomtömege. Arra a következtetésre jutott, hogy az elektronok nem lehetnek a többlettömeg okozói, mivel alig van tömegük.

Enrico Fermi, a neutronokat az urániumra lőtte. Felfedezte, hogy az urán a szokásosnál sokkal gyorsabban bomlik, és sok alfa- és béta-részecskét termel. Azt is hitte, hogy az urán egy új elemmé változott, amelyet hesperiumnak nevezett el.

Otto Hanh és Fritz Strassmann megismételték Fermi kísérletét, hogy kiderítsék, valóban létrejött-e az új elem, a hesperium. Két új dolgot fedeztek fel, amit Fermi nem figyelt meg. A sok neutron felhasználásával az atommag kettéhasadna, ami sok hőenergiát termel. Az urán hasadási termékeit is felfedezték már: tórium, palládium, rádium, rádon és ólom.

Fermi ekkor vette észre, hogy egy uránatom hasadása több neutront lövellt ki, amelyek aztán más atomokat hasítottak fel, láncreakciókat hozva létre. Rájött, hogy ezt a folyamatot maghasadásnak nevezik, és hatalmas mennyiségű hőenergiát hozhat létre.

Fermi felfedezése vezetett az első atombomba kifejlesztéséhez, amelynek a "Trinity" kódnevet adták.