Atomo sandara
Mintį, kad medžiaga susideda iš atskirų dalelių, pirmą kartą iškėlė
Leukipas Miletietis I a. m. e. Šią idėją išplėtojo jo mokinys Demokritas, pradėjęs vartoti žodį „atomas“ (kilusį iš graikų kalbos žodžio „atomas“ –
nedalomas). Džonas Daltonas (1766-1844) atgaivino šio žodžio vartoseną, moksliškai pagrindęs paprastą graikų idėją. Pasak Daltono, atomas yra mažytė nedaloma dalelė; medžiagos bazinis elementas, dalyvaujantis cheminėse reakcijose.
Atomas ir elektra
Daltono pažiūros į atomą buvo sugriautos 1897 m., kai Dž. Dž. Tomsonas
(1856-1940) atrado, kad atomai gali skleisti dar mažesnes neigiamas elektringąsias daleles, vėliau pavadintas elektronais. Paaiškėjo, kad atomui būdinga tam tikra vidinė sandara. Tomsono atradimas rodė, jog atomas turi turėti ir teigiamų elektrintųjų dalelių.
Mokslininkai iškėlė prielaidą, kad elektronai yra išsisklaidę teigiamame atome kaip razinos saldžioje bandelėje. Remiantis šiuo modeliu, buvo sunku paaiškinti kai kurias atomų savybes. Tobulesnis modelis buvo sukurtas, atradus radioaktyvumą.
Jį atrado Antuanas Anri Bakeris (1852-1908) pastebėjęs, kad kai kurie sunkiųjų elementų atomai skleidžia savaiminį spinduliavimą. Yra trys šio spinduliavimo rūšys: beta dalelių (elektronų), alfa dalelių (teigiamų helio branduolių, susidedančių iš dviejų neutronų) ir gama spindulių kvantų (trumpabangių elektromagnetinių spindulių) spinduliavimas.
Rezerfofdo atomo modelis
1911 m. Ernestas Rezerfordas (1871-1937)sukūrė visiškai naują atomo modelį, pagrįst jo paties ir Hanso Geigerio (1882-1945) bei jo bendradarbių eksperimentais (jie išmatavo alfa dalelių aukso folijoje). Pasak
Reazerfordo modelio, atomo teigiamas krūvis ir masė sutelkti centriniame branduolyje, apie kurį juda elektronai. Šiandien žinoma, kad atomas yra beveik tuščia erdvė, kurios centre – mažytis branduolys, jis dešimtis tūkstančių kartų mažesnis už atomą. Patys atomai taip pat labai maži:
dešimt milijonų atomų, sudėtų vienas greta kito, sudarytų 1 mm ilgio grandinėlę. Rezerfordas vėliau atrado, kad branduolio dalelė, turinti teigiamą krūvį, yra 1836 kartus sunkesnė už elektroną. Šias daleles jis pavadino protonais. Protono krūvis lygus elektrono krūviui, tik yra teigiamas. Paprasčiausias atomas – vandenilio – susideda iš vieno protono (branduolio) ir vieno elektrono, orbita judančio aplink jį. Sunkesni atomai turi daugiau protonų, bet protonų skaičius branduolyje (vadinamas atominiu skaičiumi) visada lygus branduolio elektronų skaičiui. Vėliau buvo numatyta, kad visų atomų branduoliai, išskyrus vandenilio, turi kitokių dalelių. Tai – neturinčios krūvio dalelės (todėl vadinamos neutronais);
šios dalelės masė beveik lygi protono masei.
Kvantinė teorija ir spektroskopija
Kvantinė teorija ir spektroskopija padėjo danų fizikui Nilsui Borui
(1885-1962) sukurti dar vieną svarbų atomo modelį. Kvantinės teorijos pagrindus sukūrė Maksas Plankas (1898-1947) 1900 m., nagrinėdamas įkaitusio kietojo kūno šiluminį spinduliavimą. Jis įrodė, kad energija skleidžiama ir sugeriama tik tam tikromis porcijomis, kurios buvo pavadintos kvantais.
Spektroskopija pradėjo kurtis, kai Izoakas Niutonas (1643-1727) prizme išskleidė baltos šviesos spindulį į įvairių spalvų spindulius ir gavo regimosios šviesos spektrą. 1814 m. Jozefas fon Fraunhoferis (1787-1826)
pastebėjo šviesos spektre tamsias linijas, kurios, kaip buvo nustatyta vėliau, sutampa su elektros išlydžio sužadinto vandenilio dujų spektro spalvotomis linijomis. Boras postulavo, kad vandenilio atomo elektronas gali judėti tam tikromis stacionariomis orbitomis; tamsios spektro linijos atitinka energijos kvanto absorbciją, o spalvotos linijos – kvanto emisiją, elektronui peršokant iš vienos orbitos į kitą. Boro teorija, vėliau patobulinta Ornoldo Zomerfeldo (1868-1951), gerai paaiškino vandenilio spektrą. Šių laikų kvantinė teorija pakeitė požiūrį į Baro orbitas –
elektrono padėtį atome nusako tikimybė tam tikru momentu jį rasti tam tikroje vietoje. Tai suformulavo kvantinė mechanika. Ją sukūrė Verneris
Heizenbergas (1901-1976) ir Ervinas Šrėdingeris (1887-1961). Tikimybė rasti elektroną tam tikroje vietoje yra Heizenbergo iškelto neapibrėžtumo principo apraiška. Šis principas teigia: jei tiksliai žinoma dalelės energija, tai nėra tiksliai žinoma jos buvimo vieta. Pasak Luji de Broilio
(1892-1987) bangos-dalelės dualizmo principo, subatomines daleles galima nagrinėti ir kaip bangas, ir kaip daleles. Elektronų srautas, pavyzdžiui nagrinėjant katodinius spindulius, suvokiamas kaip dalelės, o elektroniniame mikroskope naudojamos elektronų srauto banginės savybės.
Tačiau chemijoje vyrauja atomo kaip medžiagos mažiausios dalelės, kuri dalyvauja cheminėse reakcijose, sąvoka.
Atomų sandara cheminiu požiūriu
Cheminiu požiūriu atomai susideda iš trijų rūšių smulkesnių subatominių dalelių – protonų, neutronų ir elektronų. Neutronas nuo protono skiriasi tuo, kad neturi elektrinio krūvio, tuo tarpu protonas turi vienintelį teigiamą krūvį. Tiksliai tokio pat dydžio, tik neigiamą krūvį turi elektronas, jis yra gerokai lengvesnis už protoną. Bet kokio atomo protonai ir neutronai sudaro branduolį, kuris yra atomo centre. Branduolį gaubia lengvi elektronai, sudarantys elektroninį apvalkalą. Elektriškai neutralūs atomo (jame elektronų yra tiek pat, kiek ir protonų) spindulys 10 000 kartų didesnis už branduolio spindulį. Taigi erdvė atomo viduje yra gana tuščia.
Kaip tik dėl to, suartėjus dviems atomams, jų elektronai sąveikaus, o branduoliai susidurs tik labai retai – t. y. Atomų elektronų sąveika labiau tikėtina negu tiesioginis branduolių sąlytis. Susijungus nevienodam skaičiui protonų, neutronų ir elektronų, susidaro įvairūs atomai.
Protonų skaičius atome yra lygus jo atominiam skaičiui, o įeinančių į atomo sudėtį subatominių dalelių (elektronų, protonų ir neutronų) masė sudaro atomo masę (svorį). Paprasčiausias atomas yra vandenilio atomas, kuris susideda iš vieno protono ir vieno elektrono. Prie vandenilio atomo pridėjus neutroną, susidato vandenilio atromo atmaina – deuteris.
Daugelis vandenilio ir deuterio savybių vienodos, to ir galima tikėtis iš dviejų atomų, turinčių po vieną elektroną. Dėl to tokius atomus – vandenilio atomą be neutrono (kartais vadinamą pročiu) ir deuterio atomą – chemikai laiko to paties elemento skirtingais izotopais. Yra ir trečias vandenilio izotopas –
tritis, kurio branduolys susideda iš vieno protono ir dviejų neutronų. Jei prie tričio pridėtume vieną protoną ir vieną elektroną, gautume atomą, kurio cheminės savybės visai kitokios, negu kitų vandenilio izotopų. Tai naujo elemento helio atomas.