Czym jest atom? Budowa, przykłady i modele atomu

Z czego składa się atom?

Z trzech rodzajów cząstek. Dwa siedzą w jądrze, jeden porusza się wokół niego.

Najbardziej uderzającą liczbą w tabeli jest masa elektronu: proton jest od niego cięższy około 1836 razy. Dlatego w praktyce masę atomu liczy się wyłącznie z jądra — wkład elektronów nie sięga nawet jednej tysięcznej.

Bilans ładunków jest równie prosty. W atomie obojętnym liczba protonów równa się liczbie elektronów, plusy i minusy znoszą się, a atom z zewnątrz wydaje się nienaładowany. Gdy przyjmie lub odda elektron, równowaga pęka i atom staje się jonem.

Jądro atomowe

Jądro odkrył w 1911 roku nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford. Skupia się w nim niemal cała masa atomu, a mimo to jego objętość jest znikoma: średnica jądra wynosi od około 1,7 femtometra (wodór) do 15 femtometrów (uran), czyli jest dziesięć tysięcy do stu tysięcy razy mniejsza od samego atomu.

Pomaga tu klasyczne porównanie: powiększ atom do rozmiarów stadionu piłkarskiego, a jądro będzie ziarnkiem ciecierzycy na środku boiska. Cała przestrzeń między nimi jest pusta, przemierzają ją tylko elektrony. Każdy ciały stały, którego dotykasz, jest więc objętościowo niemal całkiem pusty; ręka nie przechodzi przez stół nie dlatego, że materia jest «pełna», lecz dlatego, że chmury elektronowe się odpychają.

Dlaczego więc jądro się nie rozlatuje, skoro protony o tym samym ładunku odpychają się nawzajem? Dzięki oddziaływaniu silnemu, które na bardzo małych odległościach zdecydowanie pokonuje odpychanie elektryczne, ale którego zasięg kończy się mniej więcej na rozmiarze jądra. Im większe jądro, tym bardziej odpychanie odzyskuje przewagę — właśnie dlatego ciężkie pierwiastki bywają nietrwałe i promieniotwórcze.

Protony

Protony to dodatnio naładowane cząstki jądra i to one niosą tożsamość atomu. Ich liczba to liczba atomowa (Z) i nigdy się nie zmienia: każdy atom z 6 protonami jest węglem, każdy z 79 protonami — złotem. Dodaj jeden proton, a masz już inny pierwiastek.

Dokładnie na tym opiera się układ okresowy, w którym pierwiastki ustawia się według rosnącej liczby protonów. Angielski fizyk Henry Moseley udowodnił to w 1913 roku pomiarami rentgenowskimi, po czym porządkowanie przeszło z masy atomowej na liczbę atomową.

Neutrony

Neutrony to pozbawione ładunku cząstki jądra. Rutherford przewidział je w 1920 roku, a jego uczeń James Chadwick potwierdził doświadczalnie w 1932, bombardując beryl cząstkami alfa.

Neutrony nie zmieniają tego, jakim pierwiastkiem jest atom, ale zmieniają jego masę i trwałość. Odmiany tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami. Gdy stosunek neutronów do protonów wyjdzie poza wąski pas trwałości, jądro staje się nietrwałe i zaczyna się rozpadać. Znany wyjątek od reguły, że jądra zawierają neutrony, to zwykły wodór: jego jądro to pojedynczy proton.

Elektrony

Elektrony mają ładunek ujemny i są niezwykle lekkie. Odkrył je w 1897 roku J. J. Thomson za pomocą lamp katodowych — był to pierwszy dowód, że atom w ogóle da się rozbić.

Ich rozmieszczenie nie ma nic wspólnego z «małym układem słonecznym» ze starych podręczników. Zgodnie z mechaniką kwantową nie da się jednocześnie dokładnie znać położenia i pędu elektronu; znamy jedynie prawdopodobieństwo znalezienia go w danym obszarze. Te mapy prawdopodobieństwa nazywamy orbitalami, a wszystkie razem tworzą chmurę elektronową. To, jak ułożone są w niej elektrony najbardziej zewnętrzne, decyduje o całej chemii atomu: z czym się połączy i czy materiał będzie przewodnikiem, czy izolatorem.

Liczba atomowa, liczba masowa i liczba neutronów

Trzy liczby opisują atom w komplecie:

• Liczba atomowa (Z) = liczba protonów. Wyznacza pierwiastek.
• Liczba masowa (A) = protony + neutrony, czyli wszystkie nukleony.
• Liczba neutronów (N) = A − Z.

Zapis wygląda tak: ^AX_Z, a w codziennym użyciu «węgiel-14». Czternastka to liczba masowa; ponieważ liczba atomowa węgla wynosi 6, neutronów jest 14 − 6 = 8.

Rozwiązany przykład. Dla sodu-23 mamy Z = 11 i A = 23, więc N = 23 − 11 = 12. Jeśli atom jest obojętny, ma też 11 elektronów. Gdy odda jeden elektron i stanie się Na⁺, protonów wciąż jest 11, elektronów 10, a liczba masowa w ogóle się nie zmienia — masa elektronu jest na to zdecydowanie za mała.

Jak rozmieszczone są elektrony?

Elektrony nie układają się przypadkowo; zapełniają po kolei poziomy energetyczne (powłoki). Maksymalną obsadę każdej powłoki wyznacza reguła 2n²:

• Powłoka 1: 2 elektrony
• Powłoka 2: 8 elektronów
• Powłoka 3: 18 elektronów
• Powłoka 4: 32 elektrony

Elektrony z powłoki najbardziej zewnętrznej to elektrony walencyjne i to o nich opowiada niemal cała chemia. Atomy zachowują się tak, by uzupełnić tę powłokę do ośmiu elektronów (do dwóch w przypadku pierwszej powłoki) — to reguła oktetu.

Sód ma na powłoce zewnętrznej jeden elektron i opłaca mu się go oddać. Chlor ma siedem i opłaca mu się jeden przyjąć. Gdy się spotkają, sód przekazuje elektron chlorowi i powstaje sól kuchenna. Gazy szlachetne, jak neon, mają powłokę zewnętrzną już zapełnioną i dlatego nie reagują z niczym.

Przykłady atomów

Najczęściej wyszukiwane przykłady wraz z najpowszechniejszym izotopem:

Najprostszym i najpowszechniejszym atomem we Wszechświecie jest wodór: jeden proton, jeden elektron, zero neutronów. Masowo Wszechświat to około 74 % wodoru i 24 % helu; wszystkie pozostałe pierwiastki dzielą między siebie jakieś 2 %. Hel jest drugi w skali kosmicznej, ale rzadki na Ziemi, bo jest na tyle lekki, że ucieka z atmosfery.

Poczucie skali

W szklance wody znajduje się rzędu 10²⁵ atomów. Ciało dorosłego człowieka składa się z około 7 × 10²⁷ atomów. W kropce postawionej ołówkiem są miliardy atomów węgla. Żeby operować takimi liczbami, chemicy używają mola: 1 mol = 6,022 × 10²³ cząstek (liczba Avogadra).

Atom, cząsteczka, pierwiastek, związek

Rozdzielenie tych czterech pojęć odpowiada na połowę tego, o co naprawdę pyta ktoś szukający «przykładów atomów»:

• Atom: pojedyncza cząstka. Przykład: jeden atom tlenu (O).
• Cząsteczka: dwa lub więcej połączonych atomów. Przykład: tlen, którym oddychamy, to w rzeczywistości O₂.
• Pierwiastek: substancja prosta zbudowana z jednego rodzaju atomów. Przykład: złoto, miedź, żelazo.
• Związek: różne pierwiastki połączone w stałym stosunku. Przykład: woda (H₂O), sól (NaCl).

Woda nie jest zatem atomem; to cząsteczka złożona z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Powietrze też nie jest atomem, tylko mieszaniną cząsteczek azotu i tlenu.

Rodzaje atomów: izotopy, izotony, izobary, jony

Mówiąc o «rodzajach atomów», zwykle ma się na myśli te cztery klasyfikacje, a wszystkie opisują te same trzy liczby (Z, N, A):

• Izotopy
  Tyle samo protonów, różna liczba neutronów. Ten sam pierwiastek, chemia praktycznie identyczna, różni się tylko masa. Przykład: węgiel-12, węgiel-13, węgiel-14.
• Izotony
  Tyle samo neutronów, różna liczba protonów. To już różne pierwiastki. Przykład: węgiel-13 i azot-14, oba po 7 neutronów.
• Izobary
  Ta sama liczba masowa, różna liczba protonów. Również różne pierwiastki. Przykład: argon-40 i wapń-40.
• Jony
  Liczba elektronów przestaje odpowiadać liczbie protonów. Atom, który oddaje elektrony, staje się dodatni (kation, Na⁺); ten, który je przyjmuje — ujemny (anion, Cl⁻).

Izotopy pracują w codziennym życiu znacznie więcej, niż sugeruje ich reputacja. Węgiel-14 ma okres połowicznego rozpadu 5730 lat i stanowi podstawę datowania radiowęglowego. Diagnostyka obrazowa korzysta ze znaczników promieniotwórczych. Elektrownie jądrowe potrzebują z kolei uranu-235, którego w uranie naturalnym jest zaledwie 0,7 % — podnoszenie tego udziału nazywa się wzbogacaniem.

Atomy nietrwałe i promieniotwórczość

Nie każde jądro trwa wiecznie. Gdy stosunek neutronów do protonów wypada poza pas trwałości, jądro prędzej czy później emituje cząstkę albo energię i przekształca się w inne. To rozpad promieniotwórczy, występujący w trzech głównych postaciach: alfa (wyrzucenie jądra helu), beta (neutron zamienia się w proton i emituje elektron) oraz gamma (promieniowanie czystej energii).

Tempo mierzy się okresem połowicznego rozpadu, czyli czasem, w którym rozpada się połowa atomów próbki. Rozpiętość jest ogromna: 5730 lat dla węgla-14, 4,47 miliarda lat dla uranu-238 i milionowe części sekundy dla niektórych pierwiastków sztucznych.

Rozbicie ciężkiego jądra to rozszczepienie, łączenie lekkich jąder to synteza (fuzja). Elektrownie jądrowe pracują na rozszczepieniu; Słońce ogrzewa Układ Słoneczny, zamieniając co sekundę setki milionów ton wodoru w hel. W obu przypadkach źródło energii jest to samo: produkty ważą nieco mniej niż substraty, a brakująca masa pojawia się jako energia zgodnie z E = mc².

Jak atomy się łączą?

Nic wokół nas nie składa się z pojedynczych atomów. Sposoby łączenia są trzy.

• Wiązanie jonowe: elektron przechodzi z jednego atomu na drugi, a przeciwnie naładowane jony przyciągają się. Klasycznym przykładem jest sól kuchenna — stąd jej wysoka temperatura topnienia i przewodzenie prądu po rozpuszczeniu.
• Wiązanie kowalencyjne: atomy dzielą się elektronami. Tak zbudowane są woda, dwutlenek węgla i wszystkie cząsteczki organiczne.
• Wiązanie metaliczne: atomy metalu oddają elektrony walencyjne do wspólnego «morza». To z niego biorą się przewodnictwo, kowalność i połysk metali.

Modele atomu: jak idea dotarła do dziś

Atomu nie odkrył jeden człowiek. To łańcuch poprawek rozciągnięty na dwa tysiące lat.

• ok. 440 p.n.e. · Demokryt
  Dowodził, że wielokrotny podział musi skończyć się na czymś niepodzielnym, i nazwał to atomos. Czyste rozumowanie, bez eksperymentu. Przeważył arystotelesowski pogląd o czterech żywiołach, więc idea leżała odłogiem przez jakieś 2000 lat.
• 1803 · John Dalton
  Pierwsza naukowa teoria atomowa oparta na pomiarach chemicznych: każdy pierwiastek ma atomy o charakterystycznej masie, a związki powstają w stałych stosunkach. Słabość: wyobrażał sobie atom jako pełną, niepodzielną kulkę.
• 1897 · J. J. Thomson
  Odkrył elektron w lampie katodowej, co pokazało, że atom ma części składowe. W 1904 zaproponował model «ciasta z rodzynkami»: elektrony zatopione w dodatnim cieście. Słabość: nie było w nim jądra.
• 1909-1911 · Ernest Rutherford
  W doświadczeniu ze złotą folią znikoma część cząstek alfa odbiła się do tyłu — dowód na gęste, dodatnie jądro i na to, że atom jest w większości pusty. Słabość: wedle fizyki klasycznej krążący elektron powinien wypromieniować energię i spaść na jądro.
• 1913 · Niels Bohr
  Założył, że elektrony mogą zajmować tylko określone poziomy energetyczne, pochłaniając lub emitując energię przy przeskoku. Po raz pierwszy wyjaśnił widmo liniowe wodoru. Słabość: dla atomów bardziej złożonych model nie działał.
• 1926 · Erwin Schrödinger
  Jego równanie falowe dało model kwantowy (chmury elektronowej): elektron nie ma określonej orbity, tylko rozkład prawdopodobieństwa. Razem z zasadą nieoznaczoności Heisenberga z 1927 roku to model używany do dziś.
• 1932 · James Chadwick
  Wykrył neutron doświadczalnie, dzięki czemu wyjaśniła się zarówno niezrozumiała nadwyżka masy jądra, jak i istnienie izotopów.
• 1964-1969 · Model kwarkowy
  Murray Gell-Mann i George Zweig przewidzieli kwarki; eksperymenty rozproszeniowe w SLAC potwierdziły punktowe struktury wewnątrz protonu. Proton to dwa kwarki górne i jeden dolny, neutron — jeden górny i dwa dolne.

Czy można zobaczyć atom?

Światło widzialne ma długość fali 400-700 nanometrów, tysiące razy większą od atomu, więc zobaczenie go w mikroskopie optycznym jest fizycznie niemożliwe. Są jednak inne drogi:

• 1955 — polowy mikroskop jonowy Erwina Müllera dał pierwsze obrazy pojedynczych atomów.
• 1981 — Gerd Binnig i Heinrich Rohrer zbudowali skaningowy mikroskop tunelowy (STM), który mapuje atomy powierzchni pojedynczo. Dostali za to Nagrodę Nobla z fizyki w 1986 roku.
• 1989 — badacze IBM przesunęli 35 atomów ksenonu, układając z nich logo firmy, i pokazali, że atomy można nie tylko oglądać, ale i przemieszczać.

Żaden z tych obrazów nie jest fotografią w zwykłym sensie. To mapy prądu albo siły między powierzchnią a bardzo cienkim ostrzem.

Skąd wzięły się atomy?

Pierwsze atomy powstały mniej więcej 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Wcześniej Wszechświat był zbyt gorący, by jądra utrzymały elektrony; gdy dostatecznie ostygł, jądra je przechwyciły i pojawiły się pierwsze obojętne atomy — niemal wyłącznie wodór i hel.

Cięższe pierwiastki wyprodukowały wnętrza gwiazd, które łączą wodór w hel, a potem krok po kroku w węgiel, tlen i dalej aż do żelaza. Większość tego, co cięższe od żelaza, powstała w wybuchach supernowych i zderzeniach gwiazd neutronowych, po czym została rozrzucona w przestrzeni. Wapń w twoich kościach, żelazo we krwi i złoto na palcu pochodzą z gwiazd, które zgasły miliardy lat temu.

Cztery częste nieporozumienia

1. «Atomu nie da się podzielić.» Tak mówi jego nazwa, ale to nieprawda — od 1897 roku wiemy, że można go rozbić. Poprawne sformułowanie brzmi: nie da się go podzielić metodami chemicznymi.
2. «Elektrony krążą wokół jądra jak planety.» To model Bohra z 1913 roku, dawno przekroczony. Elektron nie ma orbity, ma prawdopodobieństwo obecności.
3. «Atom jest najmniejszą rzeczą we Wszechświecie.» Protony i neutrony składają się z kwarków; wedle obecnej wiedzy to kwarki i elektrony są cząstkami naprawdę elementarnymi.
4. «Ciała stałe są lite na wskroś.» Objętościowo są niemal całkiem puste. Twardość bierze się z odpychania chmur elektronowych.

Najczęstsze pytania

Czym jest atom w prostych słowach? To najmniejszy element budulcowy zachowujący właściwości chemiczne pierwiastka: jądro z protonów i neutronów otoczone elektronami.

Z czego składa się atom? Z trzech cząstek — dodatnich protonów, obojętnych neutronów i ujemnych elektronów. Protony i neutrony tworzą jądro, elektrony zajmują chmurę wokół niego.

Kto odkrył atom? Ideę zgłosił Demokryt około 440 roku p.n.e., a naukową teorią uczynił ją John Dalton w 1803 roku. Budowę wewnętrzną odsłonili później Thomson (1897), Rutherford (1911) i Chadwick (1932).

Jakie są rodzaje atomów? Ta sama liczba protonów przy różnej liczbie neutronów to izotopy; ta sama liczba neutronów — izotony; ta sama liczba masowa — izobary. Atom, w którym liczba elektronów różni się od liczby protonów, to jon.

Co oznacza liczba atomowa? Liczbę protonów w jądrze, czyli tożsamość pierwiastka. W atomie obojętnym równa się także liczbie elektronów.

Jak obliczyć liczbę masową? Dodając protony i neutrony. Odwrotnie, liczbę neutronów uzyskasz, odejmując liczbę atomową od masowej.

Który atom jest najmniejszy? Wodór. Jego jądro to pojedynczy proton, a najczęstszy izotop nie ma ani jednego neutronu.

Czy atom jest w środku pusty? Objętościowo tak. Ponad 99,9 % masy mieści się w jądrze zajmującym znikomą część objętości atomu.

Czy woda jest atomem? Nie. Woda to cząsteczka złożona z dwóch atomów wodoru połączonych wiązaniami kowalencyjnymi z atomem tlenu.

Czy atom widać pod mikroskopem? Pod optycznym nie, bo długość fali światła jest tysiące razy za duża. Skaningowy mikroskop tunelowy potrafi jednak zmapować położenie atomów.

Ile jest pierwiastków? Układ okresowy definiuje 118; 94 z nich występują w przyrodzie, resztę wytworzono wyłącznie w laboratoriach.

Dlaczego prawie cała masa jest w jądrze? Bo proton i neutron są około 1836 razy cięższe od elektronu; wszystkie elektrony razem nie sięgają nawet tysięcznej części masy atomu.

Źródła

1. Britannica — Atom: budowa, historia i właściwości
2. Jefferson Lab — Porównanie mas cząstek subatomowych
3. Los Alamos National Laboratory — Układ okresowy i konfiguracja elektronowa
4. Chemistry LibreTexts — Teoria atomowa i budowa atomu
5. CERN — Model Standardowy i cząstki elementarne
6. Nobel Prize — Nagroda Nobla z fizyki 1986: skaningowy mikroskop tunelowy