Атомите са основните единици на материята и определящата структура на елементите. Терминът "атом" идва от гръцката дума за неделимост, защото някога се е смятало, че атомите са най-малките неща във Вселената и не могат да бъдат разделени. Вече знаем, че атомите са изградени от три частици: протони, неутрони и електрони, които са съставени от още по-малки частици, като кварки.
Атомите са създадени след Големия взрив преди 13,7 милиарда години. Докато горещата, плътна нова вселена се охлади, условията станаха подходящи за формиране на кварки и електрони. Кварките се събраха, за да образуват протони и неутрони, и тези частици се комбинираха в ядра. Всичко това се е случило в рамките на първите минути от съществуването на Вселената, според CERN.
Трябваха 380 000 години, за да може Вселената да се охлади достатъчно, за да забави електроните, така че ядрата да могат да ги улавят, за да образуват първите атоми. Най-ранните атоми са предимно водород и хелий, които все още са най-изобилните елементи във Вселената, според Джеферсън Лаборатория. Гравитацията в крайна сметка накара газовите облаци да се слеят и да образуват звезди, а по-тежки атоми са създадени (и все още са) създадени в рамките на звездите и изпратени в цялата Вселена, когато звездата избухна (свръхнова).
Атомни частици
Протоните и неутроните са по-тежки от електроните и се намират в ядрото в центъра на атома. Електроните са изключително леки и съществуват в облак, обикалящ около ядрото. Електронният облак има радиус 10 000 пъти по-голям от ядрото, според Националната лаборатория в Лос Аламос.
Протоните и неутроните имат приблизително една и съща маса. Въпреки това, един протон е около 1835 пъти по-масивен от електрон. Атомите винаги имат равен брой протони и електрони, а броят на протоните и неутроните обикновено е еднакъв. Добавянето на протона към атом прави нов елемент, а добавянето на неутрон прави изотоп или по-тежка версия на този атом.
Ядро
Ядрото е открито през 1911 г. от Ърнест Ръдърфорд, физик от Нова Зеландия. През 1920 г. Ръдърфорд предложи името протон за положително заредените частици на атома. Той също така теоретизира, че в ядрото има неутрална частица, което през 1932 г. Джеймс Чадуик, британски физик и студент от Ръдърфорд, успя да потвърди.
Почти цялата маса на атом пребивава в ядрото му, според химията LibreTexts. Протоните и неутроните, които съставят ядрото, са приблизително една и съща маса (протонът е малко по-малък) и имат еднакъв ъглов импулс или спин.
Ядрото се държи заедно от силната сила, една от четирите основни сили в природата. Тази сила между протоните и неутроните преодолява отблъскващата електрическа сила, която в противен случай би избутала протоните на разстояние, съгласно правилата за електричество. Някои атомни ядра са нестабилни, тъй като силата на свързване варира за различните атоми в зависимост от размера на ядрото. След това тези атоми ще се разпадат в други елементи, като въглерод-14, разпадащ се в азот-14.
Протоните
Протоните са положително заредени частици, намиращи се в атомните ядра. Ръдърфорд ги откри при експерименти с катодни лъчи, проведени между 1911 и 1919 г. Протоните са с около 99,86% масивни като неутрони.
Броят на протоните в един атом е уникален за всеки елемент. Например въглеродните атоми имат шест протона, водородните атоми имат един, а кислородните атоми имат осем. Броят на протоните в един атом се нарича атомното число на този елемент. Броят на протоните също определя химичното поведение на елемента. Елементите са подредени в периодичната таблица на елементите в реда на увеличаване на атомното число.
Три кварка съставят всеки протон - два "нагоре" кварка (всеки с две трети позитивен заряд) и един "надолу" кварк (с една трета отрицателен заряд) - и те се държат заедно от други субатомни частици, наречени глуони, т.е. които са масови.
Електроните
Електроните са мънички в сравнение с протоните и неутроните, над 1800 пъти по-малки от протона или неутрона. Електроните са около 0.054% по-масивни от неутроните, според Jefferson Lab.
Джоузеф Джон (Дж. Дж. Дж.) Томсън, британски физик, е открил електрона през 1897 г., според Института за научна история. Първоначално известни като "корпускули", електроните имат отрицателен заряд и са електрически привлечени към положително заредените протони. Електроните заобикалят атомното ядро по пътища, наречени орбитали, идея, която е представена от Ервин Шрьодингер, австрийски физик през 20-те години. Днес този модел е известен като квантов модел или модел на електронния облак. Вътрешните орбитали около атома са сферични, но външните орбитали са много по-сложни.
Електронната конфигурация на атома се отнася до местоположението на електроните в типичния атом. Използвайки електронната конфигурация и принципите на физиката, химиците могат да предвидят свойствата на атома, като стабилност, точка на кипене и проводимост, според Националната лаборатория в Лос Аламос.
Неутроните
Съществуването на неутрона е теоретизирано от Ръдърфорд през 1920 г. и открито от Чадуик през 1932 г., според Американското физическо общество. Неутроните са открити по време на експерименти, когато атомите са били изстреляни върху тънък лист берилий. Освободени са субатомните частици без заряд - неутронът.
Неутроните са незаредени частици, намиращи се във всички атомни ядра (с изключение на водорода). Масата на неутрон е малко по-голяма от тази на протона. Подобно на протоните, неутроните също са направени от кварки - един кварк "нагоре" (с положителен заряд 2/3) и два кварка "надолу" (всеки с отрицателен заряд от една трета).
История на атома
Теорията на атома датира поне от 440 г. пр.н.е. до Демокрит, гръцки учен и философ. Демокрит най-вероятно е изградил теорията си за атомите върху работата на минали философи, според Андрю Г. Ван Мелсен, автор на „От Atomos to Atom: Историята на концепцията Atom“ (Duquesne University Press, 1952).
Разяснението на Демокрит за атома започва с камък. Изрязан на половина камък дава две половини от един и същи камък. Ако камъкът трябваше да се реже непрекъснато, в един момент щеше да съществува парче от камъка, достатъчно малко, че вече да не може да бъде отрязан. Терминът "атом" идва от гръцката дума за неделимост, която Демокрит заключи, трябва да бъде точката, в която едно същество (всяка форма на материя) вече не може да бъде разделено.
Неговото обяснение включваше идеите, че атомите съществуват отделно един от друг, че има безкрайно количество атоми, че атомите са в състояние да се движат, че могат да се комбинират заедно, за да създадат материя, но не се сливат, за да се превърнат в нов атом и че те не може да бъде разделен, според Вселената Днес. Въпреки това, тъй като повечето философи по онова време - особено много влиятелният Аристотел - вярвали, че цялата материя е създадена от земята, въздуха, огъня и водата, атомната теория на Демокрит е оставена настрана.
Джон Далтън, британски химик, изграден върху идеите на Демокрит през 1803 г., когато изложи собствената си атомна теория, според катедрата по химия в университета Пърдю. Теорията на Далтън включва няколко идеи от Демокрит, като например, че атомите са неделими и неразрушими и че различни атоми се образуват заедно, за да създадат цялата материя. Допълненията на Далтън към теорията включваха следните идеи: че всички атоми на определен елемент са идентични, че атомите на един елемент ще имат различни тегла и свойства от атомите на друг елемент, че атомите не могат да бъдат създадени или унищожени и тази материя се образува от атоми, комбиниращи се в прости цели числа.
Томсън, британският физик, открил електрона през 1897 г., доказа, че атомите могат да бъдат разделени, според Фондацията за химическо наследство. Той успя да определи съществуването на електрони, като изучи свойствата на електрическия разряд в катодните лъчи. Според книгата на Томсън от 1897 г. лъчите се отклоняват в тръбата, което доказва, че има нещо отрицателно заредено във вакуумната тръба. През 1899 г. Томсън публикува описание на своята версия на атома, обикновено известна като "модела на пудинг от сливи". Откъс от този документ се намира на сайта на Chem Team. Моделът на Томсън на атома включваше голям брой електрони, суспендирани в нещо, което произвежда положителен заряд, придаващ на атома общ неутрален заряд. Моделът му приличаше на сливов пудинг, популярен британски десерт, който имаше стафиди, окачени на кръгла топка, наподобяваща торта.
Следващият учен, който допълнително модифицира и усъвършенства атомния модел, е Ръдърфорд, който учи при Томсън, според катедрата по химия в университета Пърдю. През 1911 г. Ръдърфорд публикува своята версия на атома, която включва положително заредено ядро, орбитирано от електрони. Този модел възниква, когато Ръдърфорд и неговите помощници изстрелват алфа частици в тънки листове злато. Алфа-частицата е съставена от два протона и два неутрона, всичките държани заедно от една и съща силна ядрена сила, която свързва ядрото, според лабораторията на Джеферсън.
Учените забелязали, че малък процент от алфа частиците са разпръснати под много големи ъгли спрямо първоначалната посока на движение, докато болшинството преминава право през трудно нарушени. Ръдърфорд успя да приближи размера на ядрото на златния атом, като установи, че е поне 10 000 пъти по-малък от размера на целия атом, като голяма част от атома е празно пространство. Моделът на Ръдърфорд на атома все още е основният модел, който се използва днес.
Няколко други учени подкрепиха атомния модел, включително Нийлс Бор (изграден по модела на Ръдърфорд, за да включва свойствата на електрони, базирани на водородния спектър), Ервин Шрьодингер (разработил квантовия модел на атома), Вернер Хайзенберг (заяви, че не може да се знае и двете положение и скорост на електрон едновременно) и Мъри Гел-Ман и Джордж Цвайг (независимо разработиха теорията, че протоните и неутроните са съставени от кварки).
