Atomi su osnovne jedinice materije i definirajuća struktura elemenata. Izraz "atom" dolazi od grčke riječi za nedjeljiv, jer se nekoć mislilo da su atomi najmanje stvari u svemiru i da ih se ne može podijeliti. Sada znamo da se atomi sastoje od tri čestice: protona, neutrona i elektrona - koje su sastavljene od još manjih čestica, poput kvarkova.
Atomi su stvoreni nakon Velikog praska prije 13,7 milijardi godina. Kako se vrući, gusti novi svemir hladio, postali su uvjeti prikladni za stvaranje kvakova i elektrona. Kvarkovi su se udružili u tvorbu protona i neutrona, a te se čestice kombinirale u jezgre. Sve se ovo dogodilo u prvih nekoliko minuta postojanja svemira, navodi CERN.
Bilo je potrebno 380.000 godina da se svemir dovoljno ohladi da uspori elektrone kako bi ih jezgre mogle zarobiti da bi formirale prve atome. Najraniji atomi bili su prije svega vodik i helij, koji su i dalje najzastupljeniji elementi u svemiru, prema Jefferson Lab. Gravitacija je na kraju uzrokovala da se oblaci plina sakupljaju i oblikuju zvijezde, a teži atomi su (i još uvijek postoje) stvoreni unutar zvijezda i poslani u svemir kada je zvijezda eksplodirala (supernova).
Atomske čestice
Protoni i neutroni su teži od elektrona i nalaze se u jezgri u središtu atoma. Elektroni su izrazito lagani i postoje u oblaku koji orbitira oko jezgre. Oblak elektrona ima polumjer 10.000 puta veći od jezgre, prema podacima Nacionalnog laboratorija u Los Alamosu.
Protoni i neutroni imaju približno istu masu. Međutim, jedan je proton otprilike 1.835 puta masivniji od elektrona. Atomi uvijek imaju jednak broj protona i elektrona, a obično je i broj protona i neutrona. Dodavanje protona atomu čini novi element, dok dodavanje neutrona čini izotop ili težu verziju tog atoma.
Jezgra
Jedro je 1911. godine otkrio Ernest Rutherford, fizičar s Novog Zelanda. Rutherford je 1920. godine predložio ime protona za pozitivno nabijene čestice atoma. Također je teoretizirao da unutar jezgre postoji neutralna čestica, što je James Chadwick, britanski fizičar i student Rutherforda, uspio potvrditi 1932. godine.
Gotovo sva masa atoma nalazi se u njegovom jezgru, prema časopisu Chemistry LibreTexts. Protoni i neutroni koji čine jezgro su približno iste mase (protona je nešto manje) i imaju isti kutni zamah, odnosno centrifugiranje.
Jezgro drži zajedno snažna sila, jedna od četiri osnovne sile u prirodi. Ova sila između protona i neutrona nadvladava odbojnu električnu silu koja bi inače gurnula protone prema pravilima električne energije. Neka atomska jezgra su nestabilna jer sila vezivanja varira za različite atome u zavisnosti od veličine jezgre. Ti će se atomi raspadati u druge elemente, poput ugljika-14 koji propada u dušik-14.
Protoni
Protoni su pozitivno nabijene čestice koje se nalaze u atomskim jezgrama. Rutherford ih je otkrio u eksperimentima s katodnim cijevima koji su vođeni između 1911. i 1919. Protoni su oko 99,86% masivni poput neutrona.
Broj protona u atomu jedinstven je za svaki element. Na primjer, atomi ugljika imaju šest protona, atomi vodika imaju jedan, a atomi kisika osam. Broj protona u nekom atomu naziva se atomskim brojem tog elementa. Broj protona također određuje kemijsko ponašanje elementa. Elementi su raspoređeni u periodičnoj tablici elemenata redoslijedom povećanja atomskog broja.
Tri kvarka čine svaki proton - dva "gore" kvarka (svaki s dvije trećine pozitivnog naboja) i jedan "donji" kvark (s trećinom negativnog naboja) - i drže ih zajedno druge subatomske čestice zvane gluoni, koji su bez masi.
Elektroni
Elektroni su maleni u usporedbi s protonovima i neutronima, preko 1800 puta manjim od protona ili neutrona. Elektroni su oko 0,054% masivni kao i neutroni, prema Jefferson Lab.
Joseph John (J. J.) Thomson, britanski fizičar, otkrio je elektron 1897. godine, objavio je Institute of Science History. Izvorno poznati pod nazivom "corpuscles", elektroni imaju negativan naboj i električno ih privlače pozitivno nabijeni protoni. Elektroni okružuju atomsko jezgro u putovima zvanim orbitale, što je ideja koju je iznio Erwin Schrödinger, austrijski fizičar, 1920-ih godina. Danas je ovaj model poznat kao kvantni model ili model elektronskog oblaka. Unutarnja orbitala koja okružuje atom je sferna, ali vanjska je orbitala mnogo složenija.
Konfiguracija elektrona atoma odnosi se na lokacije elektrona u tipičnom atomu. Koristeći elektronsku konfiguraciju i principe fizike, kemičari mogu predvidjeti svojstva atoma, kao što su stabilnost, vrelište i vodljivost, prema Los Alamos National Laboratory.
Neutroni
Postojanje neutrona teoretizirao je Rutherford 1920. godine, a otkrio Chadwick 1932. godine, prema Američkom fizičkom društvu. Neutroni su pronađeni tijekom pokusa kada su atomi gađani tankim listom berilija. Otpuštene su subatomske čestice bez naboja - neutron.
Neutroni su neispranjene čestice koje se nalaze u svim atomskim jezgrama (osim vodika). Masa neutrona je nešto veća od mase protona. Kao i protoni, neutroni su također napravljeni od kvarkova - jedan "gore" kvark (s pozitivnim nabojem 2/3) i dva kvarka "dolje" (svaki s negativnim nabojem od jedne trećine).
Povijest atoma
Teorija atoma seže bar do 440 B.C. do Demokrita, grčkog znanstvenika i filozofa. Democritus je najvjerojatnije gradio svoju teoriju o atomima na djelu prošlih filozofa, prema Andrewu G. Van Melsenu, autoru knjige "Od Atomosa do Atoma: Povijest koncepta Atoma" (Duquesne University Press, 1952).
Democritusovo objašnjenje atoma započinje kamenom. Kamen prerezan na pola daje dvije polovice istog kamena. Ako bi se kamen kontinuirano sjekao, u nekom bi trenutku postojao komad kamena dovoljno mali da se više nije mogao rezati. Izraz "atom" dolazi od grčke riječi za nedjeljivo, za koju je Demokrit zaključio da je točka na kojoj se biće (bilo koji oblik materije) više ne može podijeliti.
Njegovo objašnjenje uključivalo je ideje da atomi postoje odvojeno jedan od drugog, da postoji beskonačna količina atoma, da se atomi mogu kretati, da se mogu kombinirati da stvore materiju, ali se ne spajaju i postaju novi atom, i da oni prema Universe Todayu, nije ih moguće podijeliti. Međutim, budući da je većina tadašnjih filozofa - posebno vrlo utjecajni Aristotel - vjerovala da je sva materija stvorena iz zemlje, zraka, vatre i vode, Demokritova atomska teorija bila je stavljena na stranu.
John Dalton, britanski kemičar, gradio je na Demokritovim idejama 1803. kada je iznio vlastitu atomsku teoriju, prema odjelu za kemiju na sveučilištu Purdue. Daltonova teorija uključila je nekoliko ideja Demokrita, poput atoma koji su nedjeljivi i neuništiva i da se različiti atomi tvore zajedno kako bi stvorili svu materiju. Daltonovi su dodaci teoriji uključivali sljedeće ideje: Da su svi atomi određenog elementa identični, da će atomi jednog elementa imati drugačiju težinu i svojstva od atoma drugog elementa, da se atomi ne mogu stvoriti ili uništiti, a materiju formira atoma koji se kombiniraju u jednostavne cijele brojeve.
Thomson, britanski fizičar koji je 1897. otkrio elektron, dokazao je da se atomi mogu podijeliti, prema Zakladi za kemijsku baštinu. Mogao je utvrditi postojanje elektrona proučavanjem svojstava električnog pražnjenja u katodnim cijevima. Prema Thomsonovom radu iz 1897. godine, zrake su se odbijale unutar cijevi, što je dokazalo da unutar vakuumske cijevi postoji nešto što je negativno nabijeno. Thomson je 1899. objavio opis svoje verzije atoma, obično poznate kao "model pudinga od šljive". Ulomak ovog rada nalazi se na web-mjestu Chem Team-a. Thomson je model atoma uključivao veliki broj elektrona suspendiranih u nečemu što je proizvelo pozitivan naboj dajući atomu ukupni neutralni naboj. Njegov je model nalikovao pudingu od šljive, popularnom britanskom desertu koji je imao grožđice suspendirane u okrugloj kuglici poput kolača.
Sljedeći znanstvenik koji je dodatno modificirao i unaprijedio atomski model bio je Rutherford, koji je studirao pod Thomsonom, prema odjelu za kemiju na sveučilištu Purdue. Rutherford je 1911. objavio svoju verziju atoma, koja je sadržavala pozitivno nabijeno jezgro koje okružuju elektroni. Ovaj je model nastao kad su Rutherford i njegovi pomoćnici ispalili alfa čestice na tanke zlatne listove. Čestica alfa sastoji se od dva protona i dva neutrona, a sve zajedno drži ista snažna nuklearna sila koja veže jezgro, prema Jefferson Lab.
Znanstvenici su primijetili da se mali postotak alfa čestica raspršio pod vrlo velikim kutovima u odnosu na izvorni smjer kretanja, dok je većina prolazila pravo kroz jedva poremećeno. Rutherford je uspio približiti veličinu jezgre atoma zlata, otkrivši da je barem 10.000 puta manja od veličine cijelog atoma, a veći dio atoma je prazan. Rutherfordov model atoma i dalje je osnovni model koji se danas koristi.
Nekoliko drugih znanstvenika sudjelovalo je u atomskom modelu, među kojima je Niels Bohr (izgrađen po Rutherfordovom modelu koji uključuje svojstva elektrona na temelju spektra vodika), Erwin Schrödinger (razvio je kvantni model atoma), Werner Heisenberg (izjavio je da se ne može znati oba položaj i brzina elektrona istovremeno) i Murray Gell-Mann i George Zweig (koji su neovisno razvili teoriju da se protoni i neutroni sastoje od kvarkova).
