Atom
Från Rilpedia
- Atom i serievärlden hittas på Atom (serier). XML-språket Atom hittas på Atom (XML-format), För Intels processorer, se Intel Atom.
En atom, från grekiskans ἄτομος, átomos, vilket betyder "odelbar", är den minsta enheten av ett grundämne som definierar dess kemiska egenskaper. Namnet skapades eftersom den antika atomteorin såg atomen som odelbar, men sedan länge vet man att så inte är fallet.
En atom består av positivt laddade protoner, neutrala neutroner, samt negativt laddade elektroner. Protonerna och neutronerna befinner sig i atomkärnan och kallas sammantaget för nukleoner. Atomkärnan innehåller nästan all massa i atomen, då protoner och neutroner båda är cirka 1800 gånger tyngre än elektronerna. Elektronerna befinner sig i elektronmolnet som omger kärnan och detta elektronmoln är många gånger större än denna kärna. En atom är ungefär 0,1 nanometer (1 ångström) i diameter. Atomers massa mäts av praktiska skäl ofta i atommassenheten (u), som är ungefär 1,66·10-27 kg. Den lättaste atomen är väte, som väger cirka 1 u, vilket innebär att det går nära 6·1023 väteatomer på ett gram väte. De tyngsta atomerna som har studerats väger nära 300 u.
Antalet protoner i kärnan kallas atomnummer, och bestämmer vilket grundämne det rör sig om. Den enklaste atomen är väte som har atomnummer ett och består av en proton och en elektron.
Antalet nukleoner, protoner plus neutroner, kallas masstal. Atomer med samma atomnummer men olika masstal kallas isotoper. Deuterium är en isotop av väte med masstalet två, och består av en proton, en neutron (totalt två nukleoner) och en elektron. Antalet elektroner i en atom är lika med antalet protoner, så totalt sett är atomen oladdad. Om en atom får fler eller färre elektroner blir den en jon, som är elektriskt laddad.
Atomer kan även förekomma i jongitter. När atomer joniseras och därefter bildar ett salt så ser det där saltet ut på ett särskilt sätt. Det har bildats ett jongitter bestående av olika atomer och det brukar visa hur atomerna sitter i saltet.
Innehåll |
Atomens fysik
Atomens fysik studeras på två olika plan: dels kvantmekaniskt, där elektronerna och deras rörelser är i fokus, och dels i den subatomära fysiken, där främst kärnan är i fokus.
Elektroner
Man kan via kvantmekanik och med hjälp av pauliprincipen visa att varje elektron kommer att befinna sig i ett av flera "skal" eller "band". Till skillnad mot vad många enklare illustrationer ger sken av (som till exempel modellen av en heliumatom ovan) cirkulerar inte elektronerna snällt kring kärnan likt planeterna i ett solsystem. Istället far elektronen omkring på ett oförutsägbart sätt som dock kan beskrivas med hjälp av en vågfunktion, som dock har ett sådant utseende att man kan hitta ett begränsat område där elektronen befinner sig med hög sannolikhet vid en viss tidpunkt. På grund av pauliprincipen kan varje sådant tillstånd endast upptas av två elektroner med olika spinn, men då flera tillstånd liknar varandra har de samma sannolikhetsmaxima, och de områden där dessa inträffar kallas elektronskal. Det skal med högst energi som innehåller elektroner i atomens grundtillstånd kallas valensskal, och de elektroner som ingår i detta kallas valenselektroner.
Elektroner kan även exciteras upp till skal med högre energi. När de sedan faller tillbaka utsänder de elektromagnetisk strålning. Om denna har en frekvens i den synliga delen av spektrat upplever vi att ämnet har denna färg.
Kärnan
Antalet protoner och/eller neutroner kan förändras via fission, fusion eller radioaktivt sönderfall, och atomen övergår då i en eller flera nya atomer.
För ett grundämne gäller att antalet protoner är konstant men antalet neutroner kan variera. Till exempel klor har 17 protoner i kärnan men har stabila isotoper med 18 och 20 neutroner. Ett annat exempel är väte med en proton i kärnan samt 0, 1 eller 2 neutroner, där de olika varianterna begåvats med egna namn: protium, deuterium respektive tritium.
Kemi
Kemiska reaktioner beror på att atomer utbyter elektroner med varandra. En självständig atom har lika många elektroner som protoner, så att den är elektriskt neutral. För ädelgaserna är detta tillstånd stabilt och dessa är också mycket obenägna att reagera kemiskt.
För övriga atomslag kan energiinnehållet minskas om atomen får 'låna' eller 'låna ut' en elektron till en granne, och naturen strävar efter så lågt energiinnehåll som möjligt; jämför en boll som gärna vill rulla ner i botten av ett hål. Således är till exempel Natrium mycket benäget låna ut en elektron, och Klor mycket benägen låna en, varför NaCl är en stabil kemisk förening bestående av två atomslag.
Helt avgörande för de kemiska egenskaperna är antalet valenselektroner för atomslaget. Detta beror endast på atomnummer, varför olika isotoper av ett ämne i princip har samma kemiska egenskaper.
I lösningar är det vanligt att atomer lånat ut/lånat en elektron, och ändå inte har något fast föhållande till låntagaren/givaren. Atomen är då laddad och kallas jon. En sådan lösning leder elektricitet.
Optik
Optik behandlar ljus, som uppstår av förändringar i elektronernas energi. Exempelvis kan man värma ett ämne, varvid elektronerna rör sig livligare och livligare. Men de strävar efter att återta sina lägre energiniåver; när detta sker avges en foton vars våglängd bestäms av ämnets möjliga energinåver. Olika våglängder uppfattar vårt öga som färg, varför vi säger att olika ämnen har olika färg.
Historik
Filosofiska funderingar om atomer återfinns i antikens Grekland och hos indierna på 400- och 500-talen f.Kr. Det var grekerna som gav atomen sitt namn, efter det grekiska ordet atomos, som betyder "odelbar".
De tidigaste kända idéerna om något som liknar atomer utvecklades av Demokritos i Grekland runt 450 f.Kr. Idén dök inte upp igen förrän under renässansen.
År 1803 använde John Dalton konceptet. Han lade fram en teori om att alla grundämnen består av atomer av ett enda, unikt slag, och att dessa atomer kunde slås samman och forma kemiska föreningar.
År 1897 upptäckte J.J. Thomson elektronen, vilket motbevisade konceptet att atomer är odelbara. Thomson upptäckte senare även förekomsten av isotoper.
Thomson trodde att elektronerna var jämnt distribuerade i atomen, balanserade av en oföränderlig sjö av positiv laddning. Detta var emellertid felaktigt, menade Ernest Rutherford då han 1909 lade fram teorin att en atoms positiva laddning, och större delen av dess massa, återfinns i mitten av atomen, i kärnan, och att elektronernas är mindre partiklar som rör sig likt planeter runt en stjärna. År 1913 lade Niels Bohr fram sin kvantfysiska teori, som sade att elektronernas omloppsbana var bestämd och orubblig.
År 1926 hävdade Erwin Schrödinger att elektroner inte beter sig som partiklar utan som vågor. En konsekvens av detta, påpekade Werner Heisenberg ett år senare, är att det är matematiskt omöjligt att finna exakta värden för både positionen och rörelsen av en partikel vid en specifik tidpunkt. Istället kunde man hitta ett antal möjliga värden för dess rörelse, för en angiven position, och tvärtom. Således övergavs de tidigare modellen av en atom, och istället menades det att en elektron har ett visst område inom vilket den är mest sannolik att befinna sig, beskrivet med hjälp av en vågfunktion.
Se även
- Grundämne
- Niels Bohrs atommodell
- Kvantmekanik
- Periodiska systemet
- Demokritos
- Ernest Rutherford
- John Dalton
- Niels Bohr
