Άτομο

Η λέξη "άτομο" προέρχεται από το ελληνικό (ἀτόμος) "ατομός", αδιαίρετος, από το (ἀ)-, όχι, και το τόμος, τομή. Η πρώτη ιστορική αναφορά της λέξης άτομο προέρχεται από έργα του Έλληνα φιλοσόφου Δημόκριτου, γύρω στο 400 π.Χ. Η ατομική θεωρία παρέμεινε ως ένα κυρίως φιλοσοφικό θέμα, χωρίς πολλές πραγματικές επιστημονικές έρευνες ή μελέτες, μέχρι την ανάπτυξη της χημείας τη δεκαετία του 1650.

Το 1777 ο Γάλλος χημικός Antoine Lavoisier όρισε για πρώτη φορά τον όρο στοιχείο. Είπε ότι στοιχείο είναι κάθε βασική ουσία που δεν μπορεί να διασπαστεί σε άλλες ουσίες με τις μεθόδους της χημείας. Κάθε ουσία που μπορούσε να διασπαστεί ήταν ένωση.

Το 1803, ο Άγγλος φιλόσοφος Τζον Ντάλτον πρότεινε ότι τα στοιχεία είναι μικροσκοπικές, στερεές μπάλες που αποτελούνται από άτομα. Ο Ντάλτον πίστευε ότι όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου έχουν την ίδια μάζα. Είπε ότι οι ενώσεις σχηματίζονται όταν συνδυάζονται άτομα περισσότερων του ενός στοιχείων. Σύμφωνα με τον Ντάλτον, σε μια συγκεκριμένη ένωση, τα άτομα των στοιχείων της ένωσης συνδυάζονται πάντα με τον ίδιο τρόπο.

Το 1827, ο Βρετανός επιστήμονας Robert Brown εξέτασε στο μικροσκόπιό του κόκκους γύρης μέσα στο νερό. Οι γυρεόκοκκοι φαινόταν να κουνιούνται. Ο Μπράουν χρησιμοποίησε την ατομική θεωρία του Ντάλτον για να περιγράψει μοτίβα στον τρόπο που κινούνταν. Αυτό ονομάστηκε κίνηση Μπράουν. Το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τα μαθηματικά για να αποδείξει ότι οι φαινομενικά τυχαίες κινήσεις προκαλούνταν από τις αντιδράσεις των ατόμων, και με τον τρόπο αυτό απέδειξε οριστικά την ύπαρξη του ατόμου. Το 1869, ο Ρώσος επιστήμονας Ντμίτρι Μεντελέγιεφ δημοσίευσε την πρώτη εκδοχή του περιοδικού πίνακα. Ο περιοδικός πίνακας ομαδοποιεί τα στοιχεία με βάση τον ατομικό τους αριθμό (πόσα πρωτόνια έχουν. Αυτός είναι συνήθως ο ίδιος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων). Τα στοιχεία στην ίδια στήλη ή περίοδο έχουν συνήθως παρόμοιες ιδιότητες. Για παράδειγμα, το ήλιο, το νέον, το αργό, το κρυπτόν και το ξένον βρίσκονται όλα στην ίδια στήλη και έχουν πολύ παρόμοιες ιδιότητες. Όλα αυτά τα στοιχεία είναι αέρια που δεν έχουν χρώμα και οσμή. Επίσης, δεν μπορούν να ενωθούν με άλλα άτομα για να σχηματίσουν ενώσεις. Μαζί είναι γνωστά ως ευγενή αέρια.

Ο φυσικός J.J. Thomson ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε τα ηλεκτρόνια. Αυτό συνέβη ενώ εργαζόταν με καθοδικές ακτίνες το 1897. Συνειδητοποίησε ότι είχαν αρνητικό φορτίο, σε αντίθεση με τα πρωτόνια (θετικά) και τα νετρόνια (χωρίς φορτίο). Ο Thomson δημιούργησε το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου, το οποίο ανέφερε ότι το άτομο μοιάζει με την πουτίγκα δαμάσκηνου: τα αποξηραμένα φρούτα (ηλεκτρόνια) είναι κολλημένα σε μια μάζα πουτίγκας (πρωτόνια). Το 1909, ένας επιστήμονας ονόματι Ernest Rutherford χρησιμοποίησε το πείραμα Geiger-Marsden για να αποδείξει ότι το μεγαλύτερο μέρος ενός ατόμου βρίσκεται σε έναν πολύ μικρό χώρο που ονομάζεται ατομικός πυρήνας. Ο Ράδερφορντ πήρε μια φωτογραφική πλάκα, την κάλυψε με φύλλο χρυσού και στη συνέχεια την εκτόξευσε με σωματίδια άλφα (που αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια κολλημένα μεταξύ τους). Πολλά από τα σωματίδια πέρασαν μέσα από το φύλλο χρυσού, γεγονός που απέδειξε ότι τα άτομα είναι ως επί το πλείστον κενός χώρος. Τα ηλεκτρόνια είναι τόσο μικρά που αποτελούν μόνο το 1% της μάζας ενός ατόμου.

Το 1913, ο Niels Bohr εισήγαγε το μοντέλο Bohr. Αυτό το μοντέλο έδειξε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές κυκλικές τροχιές. Αυτό ήταν πιο ακριβές από το μοντέλο Rutherford. Ωστόσο, εξακολουθούσε να μην είναι απολύτως σωστό. Από τότε που πρωτοπαρουσιάστηκε το μοντέλο Bohr έχουν γίνει βελτιώσεις.

Το 1925, ο χημικός Frederick Soddy διαπίστωσε ότι ορισμένα στοιχεία του περιοδικού πίνακα είχαν περισσότερα από ένα είδη ατόμων. Για παράδειγμα, κάθε άτομο με 2 πρωτόνια θα έπρεπε να είναι άτομο ηλίου. Συνήθως, ένας πυρήνας ηλίου περιέχει επίσης δύο νετρόνια. Ωστόσο, ορισμένα άτομα ηλίου έχουν μόνο ένα νετρόνιο. Αυτό σημαίνει ότι είναι πραγματικά ήλιο, επειδή ένα στοιχείο ορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων, αλλά δεν είναι ούτε κανονικό ήλιο. Ο Soddy ονόμασε ένα τέτοιο άτομο, με διαφορετικό αριθμό νετρονίων, ισότοπο. Για να πάρουμε το όνομα του ισοτόπου εξετάζουμε πόσα πρωτόνια και νετρόνια έχει στον πυρήνα του και το προσθέτουμε στο όνομα του στοιχείου. Έτσι, ένα άτομο ηλίου με δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο ονομάζεται ήλιο-3 και ένα άτομο άνθρακα με έξι πρωτόνια και έξι νετρόνια ονομάζεται άνθρακας-12. Ωστόσο, όταν ανέπτυξε τη θεωρία του, ο Soddy δεν μπορούσε να είναι σίγουρος ότι τα νετρόνια υπήρχαν στην πραγματικότητα. Για να αποδείξει ότι ήταν πραγματικά, ο φυσικός Τζέιμς Τσάντγουικ και μια ομάδα άλλων δημιούργησαν το φασματόμετρο μάζας. Το φασματόμετρο μάζας μετρά στην πραγματικότητα τη μάζα και το βάρος μεμονωμένων ατόμων. Με τον τρόπο αυτό ο Chadwick απέδειξε ότι για να εξηγείται όλο το βάρος του ατόμου, πρέπει να υπάρχουν νετρόνια.

Το 1937, ο Γερμανός χημικός Otto Hahn έγινε ο πρώτος άνθρωπος που δημιούργησε πυρηνική σχάση σε εργαστήριο. Το ανακάλυψε τυχαία, όταν έριχνε νετρόνια σε ένα άτομο ουρανίου, ελπίζοντας να δημιουργήσει ένα νέο ισότοπο. Ωστόσο, παρατήρησε ότι αντί για ένα νέο ισότοπο το ουράνιο απλώς μετατράπηκε σε ένα άτομο βαρίου, ένα μικρότερο άτομο από το ουράνιο. Προφανώς, ο Hahn είχε "σπάσει" το άτομο του ουρανίου. Αυτή ήταν η πρώτη καταγεγραμμένη αντίδραση πυρηνικής σχάσης στον κόσμο. Η ανακάλυψη αυτή οδήγησε τελικά στη δημιουργία της ατομικής βόμβας.

Πιο μέσα στον 20ό αιώνα, οι φυσικοί εμβάθυναν περισσότερο στα μυστήρια του ατόμου. Χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων ανακάλυψαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνταν στην πραγματικότητα από άλλα σωματίδια, τα λεγόμενα κουάρκ.

Το πιο ακριβές μοντέλο μέχρι στιγμής προέρχεται από την εξίσωση Schrödinger. Ο Schrödinger συνειδητοποίησε ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε ένα νέφος γύρω από τον πυρήνα, που ονομάζεται νέφος ηλεκτρονίων. Στο νέφος ηλεκτρονίων, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε ακριβώς πού βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Η εξίσωση Schrödinger χρησιμοποιείται για να βρεθεί πού είναι πιθανό να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο. Η περιοχή αυτή ονομάζεται τροχιά του ηλεκτρονίου.

Ανταλλακτικά

Το σύνθετο άτομο αποτελείται από τρία κύρια σωματίδια: το πρωτόνιο, το νετρόνιο και το ηλεκτρόνιο. Το ισότοπο του υδρογόνου Υδρογόνο-1 δεν έχει νετρόνια, παρά μόνο ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Ένα θετικό ιόν υδρογόνου δεν έχει ηλεκτρόνια, μόνο το ένα πρωτόνιο και το ένα νετρόνιο. Αυτά τα δύο παραδείγματα είναι οι μόνες γνωστές εξαιρέσεις στον κανόνα ότι όλα τα άλλα άτομα έχουν τουλάχιστον ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο το καθένα.

Τα ηλεκτρόνια είναι μακράν τα μικρότερα από τα τρία ατομικά σωματίδια, η μάζα και το μέγεθός τους είναι πολύ μικρά για να μετρηθούν με την τρέχουσα τεχνολογία. Έχουν αρνητικό φορτίο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν παρόμοιο μέγεθος και βάρος μεταξύ τους, τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο. Τα περισσότερα άτομα έχουν ουδέτερο φορτίο- επειδή ο αριθμός των πρωτονίων (θετικά) και των ηλεκτρονίων (αρνητικά) είναι ο ίδιος, τα φορτία εξισορροπούνται στο μηδέν. Ωστόσο, στα ιόντα (διαφορετικός αριθμός ηλεκτρονίων) αυτό δεν ισχύει πάντα και μπορεί να έχουν θετικό ή αρνητικό φορτίο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από κουάρκ, δύο τύπων: up κουάρκ και down κουάρκ. Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο up κουάρκ και ένα down κουάρκ και ένα νετρόνιο αποτελείται από δύο down κουάρκ και ένα up κουάρκ.

Πυρήνας

Ο πυρήνας βρίσκεται στη μέση ενός ατόμου. Αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Συνήθως στη φύση, δύο πράγματα με το ίδιο φορτίο απωθούνται ή απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Έτσι, για μεγάλο χρονικό διάστημα αποτελούσε μυστήριο για τους επιστήμονες το πώς τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια στον πυρήνα παρέμεναν μαζί. Το έλυσαν βρίσκοντας ένα σωματίδιο που ονομάζεται γκλουόνιο. Το όνομά του προέρχεται από τη λέξη κόλλα, καθώς τα γλουόνια δρουν σαν ατομική κόλλα, κολλώντας τα πρωτόνια μεταξύ τους χρησιμοποιώντας την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Είναι αυτή η δύναμη που συγκρατεί επίσης τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

Ο αριθμός των νετρονίων σε σχέση με τα πρωτόνια καθορίζει εάν ο πυρήνας είναι σταθερός ή εάν υφίσταται ραδιενεργό διάσπαση. Όταν υπάρχουν πάρα πολλά νετρόνια ή πρωτόνια, το άτομο προσπαθεί να κάνει τους αριθμούς ίδιους με το να απαλλαγεί από τα επιπλέον σωματίδια. Αυτό το κάνει εκπέμποντας ακτινοβολία με τη μορφή διάσπασης άλφα, βήτα ή γάμμα. Οι πυρήνες μπορούν να αλλάξουν και με άλλους τρόπους. Η πυρηνική σχάση είναι όταν ο πυρήνας διασπάται σε δύο μικρότερους πυρήνες, απελευθερώνοντας πολλή αποθηκευμένη ενέργεια. Αυτή η απελευθέρωση ενέργειας είναι που κάνει την πυρηνική σχάση χρήσιμη για την κατασκευή βομβών και ηλεκτρικής ενέργειας, με τη μορφή της πυρηνικής ενέργειας. Ο άλλος τρόπος με τον οποίο οι πυρήνες μπορούν να αλλάξουν είναι η πυρηνική σύντηξη, όταν δύο πυρήνες ενώνονται ή συντήκονται για να δημιουργήσουν έναν βαρύτερο πυρήνα. Αυτή η διαδικασία απαιτεί εξαιρετικά μεγάλα ποσά ενέργειας προκειμένου να ξεπεραστεί η ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ των πρωτονίων, καθώς έχουν το ίδιο φορτίο. Τέτοιες υψηλές ενέργειες είναι συνηθέστερες σε αστέρια όπως ο Ήλιος μας, ο οποίος συντήκει υδρογόνο για καύσιμο.

Ηλεκτρόνια

Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Ονομάζονται ηλεκτρονιακό νέφος του ατόμου. Ελκύονται προς τον πυρήνα λόγω της ηλεκτρομαγνητικήςδύναμης. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και ο πυρήνας έχει πάντα θετικό φορτίο, οπότε έλκονται μεταξύ τους. Γύρω από τον πυρήνα, ορισμένα ηλεκτρόνια βρίσκονται πιο μακριά από άλλα, σε διαφορετικά στρώματα. Αυτά ονομάζονται κελύφη ηλεκτρονίων. Στα περισσότερα άτομα το πρώτο κέλυφος έχει δύο ηλεκτρόνια και όλα τα επόμενα έχουν οκτώ. Οι εξαιρέσεις είναι σπάνιες, αλλά συμβαίνουν και είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Όσο πιο μακριά βρίσκεται το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα, τόσο ασθενέστερη είναι η έλξη του πυρήνα πάνω του. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα μεγαλύτερα άτομα, με περισσότερα ηλεκτρόνια, αντιδρούν ευκολότερα με άλλα άτομα. Ο ηλεκτρομαγνητισμός του πυρήνα δεν είναι αρκετά ισχυρός για να συγκρατήσει τα ηλεκτρόνιά τους και τα άτομα χάνουν ηλεκτρόνια από την ισχυρή έλξη των μικρότερων ατόμων.

Ορισμένα στοιχεία, και πολλά ισότοπα, έχουν αυτό που ονομάζεται ασταθής πυρήνας. Αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας είναι είτε πολύ μεγάλος για να συγκρατηθεί είτε έχει πάρα πολλά πρωτόνια ή νετρόνια. Όταν συμβαίνει αυτό, ο πυρήνας πρέπει να απαλλαγεί από την περίσσεια μάζας ή σωματιδίων. Αυτό το κάνει μέσω ακτινοβολίας. Ένα άτομο που το κάνει αυτό μπορεί να ονομαστεί ραδιενεργό. Τα ασταθή άτομα συνεχίζουν να είναι ραδιενεργά μέχρι να χάσουν αρκετή μάζα/σωματίδια ώστε να γίνουν σταθερά. Όλα τα άτομα πάνω από τον ατομικό αριθμό 82 (82 πρωτόνια, μόλυβδος) είναι ραδιενεργά.

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι ραδιενεργών διασπάσεων: άλφα, βήτα και γάμμα.

• Η διάσπαση άλφα είναι όταν το άτομο εκτοξεύει ένα σωματίδιο με δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αυτό είναι ουσιαστικά ένας πυρήνας ηλίου. Το αποτέλεσμα είναι ένα στοιχείο με ατομικό αριθμό δύο μικρότερο από τον προηγούμενο. Έτσι, για παράδειγμα, αν ένα άτομο βηρυλλίου (ατομικός αριθμός 4) περνούσε από διάσπαση άλφα θα γινόταν ήλιο (ατομικός αριθμός 2). Η διάσπαση άλφα συμβαίνει όταν ένα άτομο είναι πολύ μεγάλο και πρέπει να απαλλαγεί από κάποια μάζα.
• Η διάσπαση βήτα είναι όταν ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο ή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο. Στην πρώτη περίπτωση το άτομο εκτοξεύει ένα ηλεκτρόνιο. Στη δεύτερη περίπτωση πρόκειται για ένα ποζιτρόνιο (όπως ένα ηλεκτρόνιο αλλά με θετικό φορτίο). Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα στοιχείο με έναν υψηλότερο ή έναν χαμηλότερο ατομικό αριθμό από πριν. Η διάσπαση βήτα συμβαίνει όταν ένα άτομο έχει είτε πάρα πολλά πρωτόνια, είτε πάρα πολλά νετρόνια.
• Η διάσπαση γάμμα είναι όταν ένα άτομο εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα ή ένα κύμα. Συμβαίνει όταν υπάρχει αλλαγή στην ενέργεια του πυρήνα. Αυτό συμβαίνει συνήθως αφού ο πυρήνας έχει ήδη υποστεί διάσπαση άλφα ή βήτα. Δεν υπάρχει καμία αλλαγή στη μάζα ή στον ατομικό αριθμό του ατόμου, παρά μόνο στην αποθηκευμένη ενέργεια στο εσωτερικό του πυρήνα.

Κάθε ραδιενεργό στοιχείο ή ισότοπο έχει αυτό που ονομάζεται χρόνος ημιζωής. Αυτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται το ήμισυ οποιουδήποτε δείγματος ατόμων αυτού του τύπου για να διασπαστεί μέχρι να μετατραπεί σε ένα διαφορετικό σταθερό ισότοπο ή στοιχείο. Τα μεγάλα άτομα ή τα ισότοπα με μεγάλη διαφορά μεταξύ του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων θα έχουν επομένως μεγάλο χρόνο ημιζωής, επειδή πρέπει να χάσουν περισσότερα νετρόνια για να γίνουν σταθερά.

Η Μαρί Κιουρί ανακάλυψε την πρώτη μορφή ακτινοβολίας. Βρήκε το στοιχείο και το ονόμασε ράδιο. Ήταν επίσης η πρώτη γυναίκα που έλαβε το βραβείο Νόμπελ.

Ο Frederick Soddy διεξήγαγε ένα πείραμα για να παρατηρήσει τι συμβαίνει κατά τη διάσπαση του ραδίου. Τοποθέτησε ένα δείγμα σε μια λάμπα και περίμενε να διασπαστεί. Ξαφνικά, εμφανίστηκε ήλιο (που περιέχει 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια) στο λαμπτήρα και από αυτό το πείραμα ανακάλυψε ότι αυτός ο τύπος ακτινοβολίας έχει θετικό φορτίο.

Ο Τζέιμς Τσάντγουικ ανακάλυψε το νετρόνιο, παρατηρώντας τα προϊόντα διάσπασης διαφόρων τύπων ραδιενεργών ισοτόπων. Ο Chadwick παρατήρησε ότι ο ατομικός αριθμός των στοιχείων ήταν μικρότερος από τη συνολική ατομική μάζα του ατόμου. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούσαν να είναι η αιτία της επιπλέον μάζας, διότι δεν έχουν σχεδόν καθόλου μάζα.

Ο Ενρίκο Φέρμι, χρησιμοποίησε τα νετρόνια για να τα ρίξει στο ουράνιο. Ανακάλυψε ότι το ουράνιο διασπάται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι συνήθως και παράγει πολλά σωματίδια άλφα και βήτα. Πίστευε επίσης ότι το ουράνιο μετατράπηκε σε ένα νέο στοιχείο που ονόμασε εσπέριο.

Ο Otto Hanh και ο Fritz Strassmann επανέλαβαν το πείραμα του Fermi για να διαπιστώσουν αν όντως δημιουργήθηκε το νέο στοιχείο hesperium. Ανακάλυψαν δύο νέα πράγματα που δεν είχε παρατηρήσει ο Φέρμι. Με τη χρήση πολλών νετρονίων ο πυρήνας του ατόμου θα διασπαστεί, παράγοντας πολλή θερμική ενέργεια. Επίσης είχαν ήδη ανακαλυφθεί τα προϊόντα σχάσης του ουρανίου: το θόριο, το παλλάδιο, το ράδιο, το ραδόνιο και ο μόλυβδος.

Ο Φέρμι παρατήρησε τότε ότι η σχάση ενός ατόμου ουρανίου εκτόξευε περισσότερα νετρόνια, τα οποία στη συνέχεια διασπούσαν άλλα άτομα, δημιουργώντας αλυσιδωτές αντιδράσεις. Συνειδητοποίησε ότι αυτή η διαδικασία ονομάζεται πυρηνική σχάση και μπορεί να δημιουργήσει τεράστια ποσά θερμικής ενέργειας.

Αυτή ακριβώς η ανακάλυψη του Φέρμι οδήγησε στην ανάπτυξη της πρώτης πυρηνικής βόμβας με την κωδική ονομασία "Trinity".