Τα άτομα είναι οι βασικές μονάδες της ύλης και η καθοριστική δομή των στοιχείων. Ο όρος "άτομο" προέρχεται από την ελληνική λέξη για αδιαίρετο, επειδή κάποτε θεωρήθηκε ότι τα άτομα ήταν τα μικρότερα πράγματα στο σύμπαν και δεν μπορούσαν να χωριστούν. Τώρα γνωρίζουμε ότι τα άτομα αποτελούνται από τρία σωματίδια: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια - τα οποία αποτελούνται από ακόμα μικρότερα σωματίδια, όπως τα κουάρκ.
Τα άτομα δημιουργήθηκαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Καθώς το ζεστό, πυκνό νέο σύμπαν ψύχθηκε, οι συνθήκες έγιναν κατάλληλες για να σχηματίσουν κουάρκ και ηλεκτρόνια. Τα κουάρκ ήρθαν μαζί για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια και αυτά τα σωματίδια συνδυάστηκαν σε πυρήνες. Όλα αυτά έγιναν μέσα στα πρώτα λεπτά της ύπαρξης του σύμπαντος, σύμφωνα με το CERN.
Χρειάστηκαν 380.000 χρόνια για να κρυώσει το σύμπαν αρκετά για να επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια, έτσι ώστε οι πυρήνες να μπορούν να τα συλλάβουν για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα. Τα πρώτα άτομα ήταν κυρίως υδρογόνο και ήλιο, τα οποία εξακολουθούν να είναι τα πιο άφθονα στοιχεία του σύμπαντος, σύμφωνα με το Εργαστήριο Jefferson. Η βαρύτητα προκάλεσε τελικά σύννεφα αερίου να συνενωθούν και να σχηματίσουν αστέρια και βαρύτερα άτομα δημιουργήθηκαν (και εξακολουθούν να) μέσα στα αστέρια και έστειλαν σε όλο το σύμπαν όταν το αστέρι εξερράγη (σουπερνόβα).
Ατομικά σωματίδια
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια και βρίσκονται στον πυρήνα στο κέντρο του ατόμου. Τα ηλεκτρόνια είναι εξαιρετικά ελαφριά και υπάρχουν σε ένα σύννεφο γύρω από τον πυρήνα. Το νέφος των ηλεκτρονίων έχει ακτίνα 10.000 φορές μεγαλύτερη από τον πυρήνα, σύμφωνα με το Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν περίπου την ίδια μάζα. Ωστόσο, ένα πρωτόνιο είναι περίπου 1.835 φορές πιο μαζικό από ένα ηλεκτρόνιο. Τα άτομα έχουν πάντα ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων και ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων είναι συνήθως ο ίδιος. Η προσθήκη ενός πρωτονίου σε ένα άτομο κάνει ένα νέο στοιχείο, ενώ προσθέτοντας ένα νετρόνιο κάνει ένα ισότοπο ή μια βαρύτερη έκδοση αυτού του ατόμου.
Πυρήνας
Ο πυρήνας ανακαλύφθηκε το 1911 από τον Ernest Rutherford, φυσικό από τη Νέα Ζηλανδία. Το 1920, ο Rutherford πρότεινε το πρωτόνιο όνομα για τα θετικά φορτισμένα σωματίδια του ατόμου. Θεωρούσε επίσης ότι υπήρχε ουδέτερο σωματίδιο στον πυρήνα, τον οποίο ο James Chadwick, ένας βρετανός φυσικός και φοιτητής του Rutherford, κατάφερε να επιβεβαιώσει το 1932.
Σχεδόν όλη η μάζα ενός ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα του, σύμφωνα με το Chemistry LibreTexts. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα είναι περίπου η ίδια μάζα (το πρωτόνιο είναι ελαφρώς μικρότερο) και έχουν την ίδια γωνιακή ορμή, ή την περιστροφή.
Ο πυρήνας συγκρατείται από την ισχυρή δύναμη, μια από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις στη φύση. Αυτή η δύναμη μεταξύ των πρωτονίων και των νετρονίων υπερνικά την απωστική ηλεκτρική δύναμη που διαφορετικά θα έσπρωχνε τα πρωτόνια χωριστά, σύμφωνα με τους κανόνες ηλεκτρισμού. Μερικοί ατομικοί πυρήνες είναι ασταθής επειδή η δύναμη σύνδεσης ποικίλει για διαφορετικά άτομα με βάση το μέγεθος του πυρήνα. Αυτά τα άτομα θα αποσυντεθούν έπειτα σε άλλα στοιχεία, όπως ο άνθρακας-14 που αποσυντίθεται σε άζωτο-14.
Πρωτόνια
Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα σωματίδια που βρίσκονται μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Ο Ράδερφορντ τους ανακάλυψε σε πειράματα με σωλήνες καθοδικών ακτίνων που διεξήχθησαν μεταξύ 1911 και 1919. Τα πρωτόνια είναι περίπου 99,86% τόσο μαζικά όσο τα νετρόνια.
Ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο είναι μοναδικός για κάθε στοιχείο. Για παράδειγμα, τα άτομα άνθρακα έχουν έξι πρωτόνια, τα άτομα υδρογόνου έχουν ένα και τα άτομα οξυγόνου έχουν οκτώ. Ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο αναφέρεται ως ατομικός αριθμός αυτού του στοιχείου. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει επίσης τη χημική συμπεριφορά του στοιχείου. Τα στοιχεία διατάσσονται στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων κατά σειρά αυξανόμενου ατομικού αριθμού.
Τα τρία κουάρκ συνθέτουν κάθε πρωτόνιο - δύο κουάρκ "πάνω" (το καθένα με θετικό φορτίο δύο τρίτων) και ένα κουάρκ "κάτω" (με ένα τρίτο αρνητικό φορτίο) - και συγκρατούνται από άλλα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται γλουόνια, τα οποία είναι άστεγα.
Ηλεκτρονίων
Τα ηλεκτρόνια είναι μικροσκοπικά σε σύγκριση με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, πάνω από 1.800 φορές μικρότερα από τα πρωτόνια ή τα νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι περίπου 0,054% τόσο μαζικά όσο τα νετρόνια, σύμφωνα με τον Jefferson Lab.
Ο Joseph John (J.J.) Thomson, ένας βρετανός φυσικός, ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο το 1897, σύμφωνα με το Ινστιτούτο Ιστορικής Επιστήμης. Αρχικά γνωστά ως "σωματίδια", τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και ηλεκτρικά έλκονται από τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν τον ατομικό πυρήνα στα μονοπάτια που ονομάζονται τροχιακά, μια ιδέα που τέθηκε από τον Erwin Schrödinger, αυστριακό φυσικό, τη δεκαετία του 1920. Σήμερα, αυτό το μοντέλο είναι γνωστό ως το κβαντικό μοντέλο ή το μοντέλο σύννεφων ηλεκτρονίων. Τα εσωτερικά τροχιακά γύρω από το άτομο είναι σφαιρικά αλλά τα εξωτερικά τροχιακά είναι πολύ πιο περίπλοκα.
Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων ενός ατόμου αναφέρεται στις θέσεις των ηλεκτρονίων σε ένα τυπικό άτομο. Χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων και τις αρχές της φυσικής, οι χημικοί μπορούν να προβλέψουν τις ιδιότητες ενός ατόμου, όπως η σταθερότητα, το σημείο βρασμού και η αγωγιμότητα, σύμφωνα με το Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos.
Neutrons
Η ύπαρξη νετρονίων θεωρήθηκε από τον Rutherford το 1920 και ανακαλύφθηκε από τον Chadwick το 1932, σύμφωνα με την Αμερικανική Φυσική Εταιρεία. Τα νετρόνια βρέθηκαν κατά τη διάρκεια πειραμάτων όταν πυροβολήθηκαν άτομα σε ένα λεπτό φύλλο βηρυλλίου. Τα υποατομικά σωματίδια χωρίς φορτίο απελευθερώθηκαν - το νετρόνιο.
Τα νετρόνια είναι αφόρτιστα σωματίδια που βρίσκονται σε όλους τους ατομικούς πυρήνες (εκτός από το υδρογόνο). Η μάζα νετρονίων είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από εκείνη ενός πρωτονίου. Όπως και τα πρωτόνια, τα νετρόνια κατασκευάζονται επίσης από κουάρκ - ένα κουάρκ "up" (με θετικό φορτίο 2/3) και δύο κουάρκ "κάτω" (το καθένα με αρνητικό ένα τρίτο φορτίο).
Ιστορία του ατόμου
Η θεωρία του ατόμου χρονολογείται τουλάχιστον από το 440 π.Χ. στον Δημόκριτο, Έλληνα επιστήμονα και φιλόσοφο. Ο Δημόκριτος κατά πάσα πιθανότητα έχτισε τη θεωρία του για τα άτομα πάνω στο έργο των φιλοσόφων του παρελθόντος, σύμφωνα με τον Andrew G. Van Melsen, συγγραφέα του βιβλίου "From Atomos to Atom: The History of the Atom Concept" (Duquesne University Press, 1952).
Η εξήγηση του Δημόκριτου για το άτομο αρχίζει με μια πέτρα. Μια πέτρινη τομή στο μισό δίνει δύο μισά της ίδιας πέτρας. Αν η πέτρα έπρεπε να κοπεί συνεχώς, σε κάποιο σημείο θα υπήρχε ένα κομμάτι της πέτρας αρκετά μικρό ώστε να μην μπορεί πλέον να κοπεί. Ο όρος "άτομο" προέρχεται από την ελληνική λέξη για αδιαίρετο, που ο Δημόκριτος κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πρέπει να είναι το σημείο στο οποίο ένα ον (οποιαδήποτε μορφή ύλης) δεν μπορεί πλέον να χωριστεί.
Η εξήγησή του περιελάμβανε τις ιδέες ότι τα άτομα υπάρχουν χωριστά το ένα από το άλλο, ότι υπάρχει μια άπειρη ποσότητα ατόμων, ότι τα άτομα μπορούν να κινούνται, ότι μπορούν να συνδυάσουν μαζί για να δημιουργήσουν την ύλη, αλλά να μην συγχωνευθούν για να γίνουν ένα νέο άτομο και ότι δεν μπορεί να χωριστεί, σύμφωνα με το σύμπαν σήμερα. Ωστόσο, επειδή οι περισσότεροι φιλόσοφοι τότε - ειδικά ο πολύ επιτηδευμένος Αριστοτέλης - πίστευαν ότι όλη η ύλη δημιουργήθηκε από τη γη, τον αέρα, τη φωτιά και το νερό, η ατομική θεωρία του Δημόκριτου είχε τεθεί κατά μέρος.
Ο John Dalton, βρετανός χημικός, βασίστηκε στις ιδέες του Δημόκριτου το 1803, όταν εξέδωσε τη δική του ατομική θεωρία, σύμφωνα με το τμήμα χημείας στο Πανεπιστήμιο Purdue. Η θεωρία του Dalton περιλάμβανε διάφορες ιδέες από τον Δημόκριτο, όπως τα άτομα είναι αδιαίρετα και άφθαρτα και ότι διαφορετικά άτομα σχηματίζουν μαζί για να δημιουργήσουν όλα τα θέματα. Οι προσθήκες του Dalton στη θεωρία περιελάμβαναν τις ακόλουθες ιδέες: Ότι όλα τα άτομα ενός συγκεκριμένου στοιχείου ήταν πανομοιότυπα, ότι τα άτομα ενός στοιχείου θα έχουν διαφορετικά βάρη και ιδιότητες από τα άτομα ενός άλλου στοιχείου, ότι τα άτομα δεν μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν και ότι η ύλη σχηματίζεται από άτομα που συνδυάζουν σε απλούς αριθμούς.
Ο Thomson, ο βρετανικός φυσικός που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο το 1897, απέδειξε ότι τα άτομα μπορούν να χωριστούν, σύμφωνα με το Ίδρυμα Chemical Heritage. Ήταν σε θέση να προσδιορίσει την ύπαρξη ηλεκτρονίων μελετώντας τις ιδιότητες της ηλεκτρικής εκφόρτισης σε καθοδικούς σωλήνες. Σύμφωνα με το χαρτί Thomson 1897, οι ακτίνες εκτρέπονται μέσα στο σωλήνα, γεγονός που απέδειξε ότι υπήρχε κάτι που ήταν αρνητικά φορτισμένο μέσα στο σωλήνα κενού. Το 1899, ο Thomson δημοσίευσε μια περιγραφή της έκδοσής του για το άτομο, κοινώς γνωστή ως "μοντέλο πουτίγκας δαμάσκηνου". Ένα απόσπασμα αυτού του εγγράφου βρίσκεται στο site Chem Team. Το μοντέλο του ατόμου Thomson περιελάμβανε μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων που αιωρήθηκαν σε κάτι που παρήγαγε μια θετική φόρτιση δίνοντας στο άτομο ένα συνολικό ουδέτερο φορτίο. Το μοντέλο του έμοιαζε με τη δαμάσκηνο δαμάσκηνου, ένα δημοφιλές βρετανικό επιδόρπιο που είχε σταφίδες σε αιωρούμενη σφαίρα.
Ο επόμενος επιστήμονας για την περαιτέρω τροποποίηση και προώθηση του ατομικού μοντέλου ήταν ο Rutherford, ο οποίος σπούδασε στο Thomson, σύμφωνα με το τμήμα χημείας στο Πανεπιστήμιο Purdue. Το 1911, ο Ράδερφορντ δημοσίευσε την έκδοσή του για το άτομο, η οποία περιελάμβανε έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιστράφηκε από τα ηλεκτρόνια. Αυτό το μοντέλο προέκυψε όταν ο Rutherford και οι βοηθοί του πυροβόλησαν σωματίδια άλφα σε λεπτά φύλλα χρυσού. Ένα άλφα σωματίδιο αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, τα οποία συγκρατούνται από την ίδια ισχυρή πυρηνική δύναμη που δεσμεύει τον πυρήνα, σύμφωνα με το Εργαστήριο Jefferson.
Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι ένα μικρό ποσοστό των σωματιδίων άλφα ήταν διάσπαρτα σε πολύ μεγάλες γωνίες στην αρχική κατεύθυνση της κίνησης, ενώ η πλειοψηφία περνούσε δεξιά μέσα από τα δύσκολα διαταραγμένα. Ο Rutherford ήταν σε θέση να προσεγγίσει το μέγεθος του πυρήνα του ατόμου χρυσού, βρίσκοντας ότι είναι τουλάχιστον 10.000 φορές μικρότερο από το μέγεθος ολόκληρου του ατόμου με μεγάλο μέρος του ατόμου να είναι κενός χώρος. Το μοντέλο του ατόμου Rutherford είναι το βασικό μοντέλο που χρησιμοποιείται σήμερα.
Διάφοροι άλλοι επιστήμονες υποστήριξαν το ατομικό μοντέλο, όπως ο Niels Bohr (που βασίστηκε στο μοντέλο του Rutherford για να συμπεριλάβει ιδιότητες ηλεκτρόνων με βάση το φάσμα υδρογόνου), ο Erwin Schrödinger (ανέπτυξε το κβαντικό μοντέλο του ατόμου), Werner Heisenberg (δήλωσε ότι δεν μπορεί να γνωρίζει θέση και ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου ταυτόχρονα), και Murray Gell-Mann και George Zweig (ανέπτυξαν ανεξάρτητα τη θεωρία ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από κουάρκ).
