Atom

Atom helijuma
Osnovno stanje atoma helijuma.
Ilustracija atoma helijuma. Prikazan je nukleus (ljubičasto) i distribucija elektronskog oblaka (crno). Nukleus (gore desno) u helijumu-4 je u realnosti sferno simetričan i blisko je sličan elektronskom oblaku, mada kod komplikovanijih nukleusa to nije slučaj. Crna linja predstavlja jedan angstrom (10−10 m ili 100 pm).
Klasifikacija
Najmanja podela hemijskog elementa
Svojstva
Maseni opseg:1,67×10−27 do 4,52×10−25 kg
Električno naelektrisanje:nula (neutralno), ili jonsko naelektrisanje
Opseg dijametra:62 pm (He) to 520 pm (Cs)
Komponente:Elektroni i kompaktni nukleus protona i neutrona

Atom je najmanja jedinica materije koja definiše hemijske elemente. Materija u čvrstom, tečnom, gasovitom stanju, ili u obliku plazme se sastoji od neutralnih ili jonizovanih atoma. Atomi su veoma mali: veličina atoma se meri u pikometrima — bilionitim delovima (10−12) metra.[1] Atom ima 7 energetskih nivoa Svaki atom se sastoji od jezgra i jednog ili više elektrona koji kruže oko nukleusa. Nukleus se sastoji od jednog ili više protona i tipično sličnog broja neutrona (vodonik-1 nema neutrona). Protoni i neutroni se nazivaju nukleonima. Preko 99,94% atomske mase je u jezgru.[2] Protoni imaju pozitivno električno naelektrisanje, elektroni imaju negativno električno naelektrisanje, a neutroni nisu naelektrisani. Ako je broj protona i elektrona jednak, taj atom je električno neutralan. Ako atom ima višak ili manjak elektrona u odnosu na protone, onda on ima sveukupno pozitivno ili negativno naelektrisanje, i naziva se jon.

Elektrone atoma privlače protoni atomskog nukleusa posredstvom elektromagnetne sile. Protoni i neutroni u nukleusu se međusobno privlače dejstvom različitih sila, nuklearnih sila, koje su obično jače od elektromagnetne sile međusobnog odbijanja pozitivno naelektrisanih protona. Pod određenim okolnostima odbijajuća elektromagnetna sila postaje jača od nuklearne sile, i nukleoni mogu da budu izbačeni iz jezgra, ostavljajući iza sebe različiti element: nuklearno raspadanje dovodi do nuklearne transmutacije.

Broj protona u jezgru definiše kojem hemijskom elementu atom pripada: na primer, svi atomi bakra sadrže 29 protona. Broj neutrona definiše izotop elementa.[3] Broj elektrona utiče na magnetna svojstva atoma. Atomi se mogu vezati za jedan ili više drugih atoma putem hemijskih veza čime se formiraju hemijska jedinjenja kao što su molekuli. Sposobnost atoma da se asocira i disocira je odgovorna za većinu fizičkih promena primetnih u prirodi, i tema je nauke hemije.

Nisu sve mase u svemiru sastavljene od atoma. Tamna materija se sastoji od ne samo materije, već i od čestica koje su trenutno nepoznatog tipa. Takođe, klasična Njutnova fizika ne objašnjava mnoge od osobina i ponašanja atoma i subatomiskih čestica: polje kvantne mehanike je razvijeno radi toga. Atom se sastojim od 7 energetskih nivoa.*

Struktura

Atom je stabilni elektro neutralni sastav jezgra i elektronskog omotača.

Sastoji se od jezgra i elektronskog omotača. Jezgra sadrži pozitivno nabijene protone i nenabijene neutrone, a elektronski oblak je građen od negativno nabijenih elektrona. Elektroni su raspoređeni u ljuskama odnosno orbitalama. Nisu sve orbitale jednako velike. U orbitalama bližim jezgri stane manji broj elektrona, a u onim daljim od jezgre stane veći broj elektrona. Svojstvo atoma da popuni posljednju (najudaljeniju) orbitalu naziva se afinitet prema elektronu.

Protoni i neutroni imaju podjednaku masu, te su oko 2000 puta teži od elektrona čiju masu zanemarujemo, pa zbog toga jezgra čini 99,95 %[4] mase atoma. Masa elektrona me, masa protona mp i masa neutrona mn su fundamentalne konstante, i mogu se pronaći u tablici periodni sustav elemenata. Teže čestice (protoni i neutroni) locirani su u atomskoj jezgri (nukleusu), elektroni zauzimaju mnogo veći volumen oko jezgre (elektronski oblak).

Jezgro je definisano:

  • Atomskim, protonskim ili rednim brojem Z = broj protona = broj elektrona, ili Z = N(p) = N(e)
  • Masenim ili nukleonskim brojem A = broj protona + broj neutrona, ili A = N(p) + N(n)

Subatomske čestice

Glavni članak: Subatomske čestice

Mada je reč atom originalno označavala ćestice koje se ne mogu podeliti u manje čestice, u modernoj naučnoj upotrebi atom se sastoji od raznih subatomskih čestica. Konstituentne čestice atoma su elektron, proton i neutron; sva tri su fermioni. Atom vodonika nema neutrona, dok hidronski jon nema elektrona.

Electron je daleko najmanje masivna čestica među ovim česticama, 9,11×10−31 kg sa negativnim električnim naelektrisanjem i veličinom koja je suviše mala da bi se mogla izmeriti dostupnim tehnikama.[5] On je najlakša čestica. Pod normalnim okolnostima, elektroni su vezani za pozitivno naelektrisane jedra putem privlačenja suprotno naelektrisanih naboja. Ako atom ima više ili manje elektrona od svog atomskog broja, onda on postaje respektivno negativno ili pozitivno naelektrisan; naelektrisani atom se zove jon. Elektroni su poznati od kasnog 19-tog veka, uglavnom zahvaljujući radu Tomsona; pogledajte istoriju subatomske fizike za detalje.

Protoni imaju pozitivno naelektrisanje i masu koja je 1.836 puta veća od elektrona, 1,6726×10−27 kg. Broj protona u atomu se naziva atomskim brojem. Ernest Rutherford (1919) je uočio da kad se azot bombarduje alfa-česticama dolazi do izbacivanja jezgra vodonika. Do 1920. on je usvojio da je jezgro vodonika zasebna čestica unutar atoma i dao mu je ime proton.

Neutroni nemaju električno naelektrisanje i imaju slobodnu masu koja je 1.839 puta veća od mase elektrona,[6] ili 1,6929×10−27 kg, te su najteža od tri konstituentne čestice, mada njihova masa može da bude redukovana dejstvom nuklearne energije vezivanja. Neutroni i protoni (kolektivno poznati kao nukleoni) imaju slične dimenzije reda veličine 2,5×10−15 m, mada 'površina' tih čestica nije jasno definisana.[7] Neutron je otkrio engleski fizičar Džejms Čedvik 1932. godine.

U fizičkom standardnom modelu, elektroni su istinske elementarne čestice bez unutrašnje strukture. Protoni i neutroni su kompozitne čestice koje se sastoje od elementarnih čestica zvanih kvarkovi. Postoji dva tipa kvarkova u atomima, svaki od kojih ima frakciono električno naelektrisanje. Protoni se sastoje od dva gornja kvarka (svaki sa naelektrisanjem od +2⁄3) i jednog donjeg kvarka (sa naelektrisanjem od −1⁄3). Neutroni se sastoje od jednog gornjeg kvarka i dva donja kvarka. Ta razlika uzrokuje razliku u masi i naelektrisanju između dve čestice.[8][9]

Kvarkovi se održavaju zajedno dejstvom jake interakcije (ili jake sile), koja je posredovana gluonima. Protoni i neutroni se održavaju zajedno u jezgru dejstvom nuklearne sile, koja je ostatak jake sile koji ima donekle različite opsege - svojstva (vidite članak o nuklearnoj sili za dodatne informacije). Gluon je član familije baždarnih bozona, koji su elementarne čestice koje posreduju fizičke sile.[8][9]

Nukleus

Glavni članak: Atomsko jezgro
Energija vezivanja koji nukleon treba da prevlada da bi izašao iz jezgra, za različite izotope

Svi vezani protoni i neutroni u atomu sačinjavaju sićušno atomsko jezgro, i kolektivno se nazivaju nukleonima. Radijus nukleusa je aproksimativno jednak 1,07 3A fm, gde je A totalni broj nukleona.[10] To je znatno manje od prečnika atoma, koji je reda veličine 105 fm. Nukleoni su vezani zajedno atraktivnim potencijalom kratkog raspona zvanim rezidualna jaka sila. Na rastojanjima manjim od 2,5 fm ta sila je daleko jača od elektrostatičke sile koja uzrokuje međusobno odbijanje pozitivno naelektrisanih protona.[11]

Atomi istog elementa imaju isti broj protona, koji se naziva atomskim brojem. Unutar jednog elementa, broj neutrona može da varira, određujući izotope tog elementa. Totalni broj protona i neutrona određuje nuklid. Broj neutrona relativno na broj protona određuje stabilnost jezgra. Pojedini izotopi podležu radioaktivnom raspadu.[12]

Proton, elektron, i neutron se klasifikuju kao fermioni. Fermioni podležu Paulijevom principu isključenja koji nalaže da identični fermioni, kao što su višestruki protoni, ne mogu da imaju isto kvantno stanje u isto vreme. Stoga svaki proton u nukleusu mora da ima kvantno stanje koje je različito od svih drugih protona, a isto pravilo važi i za sve neutrone u nukleusu i sve elektrone u elektronskom oblaku. Međutim, proton i neutron mogu da imaju isto kvantno stanje.[13]

Kod atoma sa niskim atomskim brojevima, nukleus koji ima više neutrona nego protona ima tendenciju zauzimanja nižeg energetskog stanja putem radioaktivnog raspada tako da se odnos neutrona i protona približava jedinici. Sa povećanjem atomskog broja veći udeo neutrona je neophodan da bi se umanjilo međusobno odbijanje protona. Stoga se ne javljaju stabilna jezgra sa jednakim brojem protona i neutrana iznad atomskog broja Z = 20 (kalcijum) i sa povećanjem atomskog broja odnos neutrona i protona stabilnih izotopa se povećava.[13] Stabilni izotop sa najvišim odnosom protona i neutrona je olovo-208 (oko 1,5).

Ilustracija procesa nuklearne fuzije kojim se formira deuterijumsko jezgro, koje se sastoji od protona i neutrona, iz dva protona. Pozitron (e+) — elektron antimaterije — se emituje zajedno sa elektronskim neutrinom.

Broj protona i neutrona u atomskom jezgru se može promeniti, mada su za to potrebne velike energije zbog dejstava jake sile. Nuklearna fuzija se odvija kad se višestruke atomske čestice spoje i formiraju teže jezgro, na primer putem energetske kolizije dva nukleusa. U jezgru Sunca protonima su potrebne energije od 3–10 keV da bi se prevazišlo njihovo prirodno odbijanje — Kulonova barijera — i da bi se spojili u zajedničko jezgro.[14] Nuklearna fisija je suprotni proces, koji uzrokuje cepanje jezgra u dva manja jezgra — obično putem radioaktivnog raspada. Jezgra se isto tako mogu modifikovati putem bombardovanja subatomskim česticama visoke energije ili fotonima. Ako se time promeni broj protona u jezgru, atom prelazi u različiti hemijski element.[15][16]

Ako je masa jezgra nakon reakcije fuzije manja od sume masa zasebnih čestica, onda razlika između tih vrednosti može da bude emitovana kao vid upotrebljive energije (kao što su gama zraci, ili kinetička energija beta čestica), u skladu sa Ajnštajnovom formulom ekvivalencije mase i energije, E = mc2, gde je m gubitak mase, a c je brzina svetlosti. Taj deficit je deo energije vezivanja novog jezgra, i predstavlja nepovratni gubitak energije koji uzrokuje da spojena jezgra ostanu zajedno u stanju kome je neophodna ta energiju da bi došlo do razvajanja.[17]

Fuzija dva jezgra kojom se formira veće jezgro sa manjim atomskim brojevima od gvožđa i nikla — total broj nukleona od oko 60 — je obično egzotermni proces u kome se otpušta više energije nego što je potrebno za spajanje.[18] Taj proces otpuštanja energije čini nuklearnu fuziju u zvezdama samo održivom reakcijom. Za teža jezgra, energija vezivanja po nukleonu u jezgru počinje da opada. Konsekventno, fuzioni procesi kojima se formiraju jezgra sa atomskim brojem većim od oko 26, i atomskim masama većim od oko 60, su endotermni procesi. Ta masivnija jezgra ne podležu fuziji pri kojoj se otpušta energija tako da se može održati hidrostatička ravnoteža zvezde.[13]

Elektronski oblak

Distribucija potencijala u skladu sa klasičnom mehanikom, minimalna energija V(x) potrebna da se dostigne svaka pozicija x. Klasično, čestica sa energijom E je formirana sa opsegom pozicija između x1 i x2.
Talasne funkcije prvih pet atomskih orbitala. Svaka od tri 2p orbitale prikazuje jedan ugaoni čvor koji ima orijentaciju i minimum u centru.
Kako su atomi konstruisani od elektronskih orbitala i veza sa periodnom tabelom

Elektrone u atomu privlače protoni u jezgru dejstsvom elektromagnetske sile. Ta sila vezuje elektrone unutar elektrostatičke jame potencijala koja okružuje malo jezgro, što znači da je spoljašnji izvor energije neophodan da bi se odvojili elektroni. Što je elektron bliže jezgru, to je veća sila privlaćenja. Otuda je elektronima vezanim u blizini centra jame potencijala potrebeno više energije da se odvoje od onih na većim rastojanjima.

Elektroni, poput drugih čestica, imaju dvojna svojstva čestica i talasa. Elektronski oblak je region unutar jame potencijala, pri čemu svaki elektron formira tip trodimenzionog stajaćeg talasa — forme talasa koji se ne pokreće relativno na jezgro. Takvo ponašanje se definiše kao atomska orbitala, matematička funkcija koja opisuje verovatnoču da će elektron boraviti na datoj lokaciji kad se njegova pozicija meri.[19] Jedino diskretni (ili kvantizovani) set tih orbitala postoji oko jezgra, pošto drugi mogući talasni paterni brzo prelaze u stabilniju formu.[20] Orbitale mogu da imaju jedan ili više prsenova ili čvornih struktura, i one se međusobno razlikuju po veličini, obliku i orijentaciji.[21]

Svaka atomska orbitala odgovara specifičnom energetskom nivou elektrona. Elektron može da promeni svoje stanje do višeg energetskog nivoa putem apsorbovanja fotona sa dovoljnom energijom da omogući prelaz u novo kvantno stanje. Slično tome, putem spontane emisije, elektron u višem energetskom stanju može da se spusti na niže energetsko stanje uz emitovanje suvišne energije u obliku fotona. Te karakteristične energetske vrednosti, definisane razlikama energija kvantnih stanja, su odgovorne za atomske spektralne linijs.[20]

Količina energija koja je neophodna za uklanjanje ili dodavanje elektrona — elektronska energija vezivanja — je daleko manja od energije vezivanja nukleona. Na primer, neophodno je samo 13,6 eV da bi se odvojio elektron u stacionarnom stanju iz atoma vodonika,[22] u poređenju sa 2,23 miliona eV za cepanje jezgra deuterijuma.[23] Atomi su električno neutralni, ako imaju jednak broj protan i elektrona. Atomi koji imaju bilo deficit ili suficit elektrona se nazivaju jonima. Elektroni koji su najudaljeniji od jezgra se mogu preneti na obližnje atome ili ih atomi mogu deliti. Putem tog mehanizma, atomi se mogu vezati u molekule i druge tipove hemijskih jedinjenja, kao što su jonske i kovalentne mreže kristala.[24]

Other Languages
Afrikaans: Atoom
Alemannisch: Atom
አማርኛ: አቶም
aragonés: Atomo
Ænglisc: Mot
العربية: ذرة
مصرى: ذره
অসমীয়া: পৰমাণু
asturianu: Átomu
azərbaycanca: Atom
تۆرکجه: آتوم
башҡортса: Атом
Boarisch: Atom
žemaitėška: Atuoms
беларуская: Атам
беларуская (тарашкевіца)‎: Атам
български: Атом
भोजपुरी: परमाणु
বাংলা: পরমাণু
brezhoneg: Atom
bosanski: Atom
ᨅᨔ ᨕᨘᨁᨗ: Atong
буряад: Атом
català: Àtom
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: Nguòng-cṳ̄
Cebuano: Atom
ᏣᎳᎩ: ᎠᏓᎻ
کوردی: گەردیلە
corsu: Atomu
čeština: Atom
Cymraeg: Atom
dansk: Atom
Deutsch: Atom
dolnoserbski: Atom
Ελληνικά: Άτομο
English: Atom
Esperanto: Atomo
español: Átomo
eesti: Aatom
euskara: Atomo
estremeñu: Átomu
فارسی: اتم
suomi: Atomi
Võro: Aadom
føroyskt: Atom
français: Atome
Nordfriisk: Atoom
Frysk: Atoom
Gaeilge: Adamh
贛語: 原子
Gàidhlig: Atam
galego: Átomo
Avañe'ẽ: Tuminguaave'ỹ
ગુજરાતી: અણુ
Gaelg: Breneen
客家語/Hak-kâ-ngî: Ngièn-chṳ́
Hawaiʻi: ʻĀtoma
עברית: אטום
हिन्दी: परमाणु
Fiji Hindi: Parmaanu
hrvatski: Atom
hornjoserbsce: Atom
Kreyòl ayisyen: Atòm
magyar: Atom
Հայերեն: Ատոմ
interlingua: Atomo
Bahasa Indonesia: Atom
Ilokano: Atomo
Ido: Atomo
íslenska: Frumeind
italiano: Atomo
日本語: 原子
Patois: Atam
la .lojban.: ratni
Basa Jawa: Atom
ქართული: ატომი
Kabɩyɛ: Sisiŋ tʋ
Gĩkũyũ: Atomu
қазақша: Атом
ភាសាខ្មែរ: បរមាណូ
ಕನ್ನಡ: ಪರಮಾಣು
한국어: 원자
kurdî: Atom
Кыргызча: Атом
Latina: Atomus
Lëtzebuergesch: Atom
лезги: Атом
Lingua Franca Nova: Atom
Limburgs: Atoeam
Ligure: Atomo
lumbaart: Atum
lingála: Atome
lietuvių: Atomas
latviešu: Atoms
मैथिली: परमाणु
Basa Banyumasan: Atom
Malagasy: Atôma
олык марий: Атом
македонски: Атом
മലയാളം: അണു
монгол: Атом
मराठी: अणू
Bahasa Melayu: Atom
Mirandés: Átomo
မြန်မာဘာသာ: အက်တမ်
Nāhuatl: Nantzintetl
Napulitano: Atomo
Plattdüütsch: Atom
नेपाली: अणु
नेपाल भाषा: अणु
Nederlands: Atoom
norsk nynorsk: Atom
norsk: Atom
Novial: Atome
Nouormand: Atôme
occitan: Atòm
Livvinkarjala: Atomu
Oromoo: Atamii
ଓଡ଼ିଆ: ପରମାଣୁ
Ирон: Атом
ਪੰਜਾਬੀ: ਪਰਮਾਣੂ
Kapampangan: Atom
Norfuk / Pitkern: Etem
polski: Atom
Piemontèis: Àtom
پنجابی: ایٹم
پښتو: اټوم
português: Átomo
Runa Simi: Iñuku
română: Atom
русский: Атом
русиньскый: Атом
संस्कृतम्: परमाणुः
саха тыла: Атом
sardu: Àtomu
sicilianu: Àtumu
Scots: Atom
سنڌي: ائٽم
සිංහල: පරමාණු
Simple English: Atom
slovenčina: Atóm
slovenščina: Atom
Soomaaliga: Atom
shqip: Atomi
српски / srpski: Атом
Sranantongo: Atomi
Seeltersk: Atom
Basa Sunda: Atom
svenska: Atom
Kiswahili: Atomi
ślůnski: Atům
தமிழ்: அணு
తెలుగు: అణువు
тоҷикӣ: Атом
ไทย: อะตอม
Tagalog: Atomo
Türkçe: Atom
Xitsonga: Athomu
татарча/tatarça: Атом
ئۇيغۇرچە / Uyghurche: ئاتوم
українська: Атом
اردو: جوہر
oʻzbekcha/ўзбекча: Atom
vèneto: Àtomo
Tiếng Việt: Nguyên tử
walon: Atôme
Winaray: Atomo
吴语: 原子
хальмг: Атом
ייִדיש: אטאם
Yorùbá: Átọ̀mù
中文: 原子
文言: 原子
Bân-lâm-gú: Goân-chú
粵語: 原子