Atom

Historie

Slovo "atom" pochází z řeckého (ἀτόμος) "atomos", nedělitelný, od (ἀ)-, ne, a τόμος, řez. První historická zmínka o slově atom pochází z děl řeckého filozofa Démokrita z doby kolem roku 400 př. n. l.. Teorie atomu zůstala až do rozvoje chemie v padesátých letech 16. století převážně filozofickým tématem, které se příliš nezabývalo skutečným vědeckým zkoumáním a studiem.

V roce 1777 francouzský chemik Antoine Lavoisier poprvé definoval pojem prvek. Řekl, že prvek je jakákoli základní látka, kterou nelze rozložit na jiné látky metodami chemie. Každá látka, kterou lze rozložit, je sloučenina.

V roce 1803 anglický filozof John Dalton navrhl, že prvky jsou malé pevné kuličky složené z atomů. Dalton se domníval, že všechny atomy stejného prvku mají stejnou hmotnost. Tvrdil, že sloučeniny vznikají, když se spojí atomy více prvků. Podle Daltona se v určité sloučenině atomy prvků této sloučeniny spojují vždy stejným způsobem.

V roce 1827 pozoroval britský vědec Robert Brown pod mikroskopem pylová zrna ve vodě. Zdálo se, že se pylová zrna houpou. Brown použil Daltonovu atomovou teorii, aby popsal zákonitosti jejich pohybu. Tento jev nazval Brownův pohyb. V roce 1905 Albert Einstein pomocí matematiky dokázal, že zdánlivě náhodné pohyby jsou způsobeny reakcemi atomů, a tím definitivně prokázal existenci atomu. V roce 1869 zveřejnil ruský vědec Dmitrij Mendělejev první verzi periodické tabulky prvků. Periodická tabulka seskupuje prvky podle jejich atomového čísla (kolik mají protonů. To je obvykle stejné jako počet elektronů). Prvky ve stejném sloupci neboli periodě mají obvykle podobné vlastnosti. Například helium, neon, argon, krypton a xenon jsou všechny ve stejném sloupci a mají velmi podobné vlastnosti. Všechny tyto prvky jsou plyny, které nemají barvu ani zápach. Také se nedokážou spojovat s jinými atomy a vytvářet sloučeniny. Společně se označují jako vzácné plyny.

Fyzik J. J. Thomson jako první objevil elektrony. Stalo se tak při práci s katodovými paprsky v roce 1897. Uvědomil si, že na rozdíl od protonů (kladné) a neutronů (bez náboje) mají záporný náboj. Thomson vytvořil model švestkového pudinku, podle kterého se atom podobá švestkovému pudinku: sušené ovoce (elektrony) uvízlo v hmotě pudinku (protony). V roce 1909 vědec Ernest Rutherford pomocí Geigerova-Marsdenova experimentu dokázal, že většina atomu se nachází ve velmi malém prostoru zvaném atomové jádro. Rutherford vzal fotografickou desku, pokryl ji zlatou fólií a pak na ni vystřelil částice alfa (tvořené dvěma protony a dvěma neutrony slepenými dohromady). Mnoho částic prošlo zlatou fólií, což dokázalo, že atomy jsou z větší části prázdný prostor. Elektrony jsou tak malé, že tvoří pouze 1 % hmotnosti atomu.

V roce 1913 představil Niels Bohr Bohrův model. Tento model ukázal, že elektrony obíhají kolem jádra po pevných kruhových drahách. Byl přesnější než Rutherfordův model. Stále však nebyl zcela správný. Od doby, kdy byl Bohrův model poprvé představen, došlo k jeho vylepšení.

V roce 1925 chemik Frederick Soddy zjistil, že některé prvky v periodické tabulce mají více než jeden druh atomu. Například každý atom se dvěma protony by měl být atomem helia. Jádro helia obvykle obsahuje také dva neutrony. Některé atomy helia však mají pouze jeden neutron. To znamená, že jsou skutečně héliem, protože prvek je definován počtem protonů, ale nejsou ani normálním héliem. Soddy takový atom s jiným počtem neutronů nazval izotopem. Abychom získali název izotopu, podíváme se na to, kolik protonů a neutronů má ve svém jádře, a tento údaj přidáme k názvu prvku. Takže atom helia se dvěma protony a jedním neutronem se nazývá helium-3 a atom uhlíku se šesti protony a šesti neutrony se nazývá uhlík-12. Když však Soddy svou teorii rozvíjel, nemohl si být jistý, zda neutrony skutečně existují. Aby dokázal, že jsou skutečné, vytvořil fyzik James Chadwick s týmem dalších lidí hmotnostní spektrometr. Hmotnostní spektrometr skutečně měří hmotnost a váhu jednotlivých atomů. Tím Chadwick dokázal, že aby neutrony odpovídaly celé hmotnosti atomu, musí existovat.

V roce 1937 se německému chemikovi Otto Hahnovi jako prvnímu podařilo v laboratoři uskutečnit jaderné štěpení. Přišel na to náhodou, když střílel neutrony na atom uranu v naději, že vytvoří nový izotop. Všiml si však, že místo nového izotopu se uran jednoduše změnil na atom barya, který je menší než uran. Hahn zřejmě "rozbil" atom uranu. Jednalo se o první zaznamenanou štěpnou reakci na světě. Tento objev nakonec vedl k vytvoření atomové bomby.

Ve 20. století fyzikové pronikali hlouběji do tajemství atomu. Pomocí urychlovačů částic zjistili, že protony a neutrony se ve skutečnosti skládají z jiných částic, tzv. kvarků.

Zatím nejpřesnější model vychází ze Schrödingerovy rovnice. Schrödinger si uvědomil, že elektrony existují v oblaku kolem jádra, který se nazývá elektronový oblak. V elektronovém mračnu nelze přesně určit, kde se elektrony nacházejí. Schrödingerova rovnice se používá k určení, kde se elektron pravděpodobně nachází. Tato oblast se nazývá orbital elektronu.

Ernest Rutherford

Struktura a části

Díly

Složitý atom se skládá ze tří hlavních částic: protonu, neutronu a elektronu. Izotop vodíku Vodík-1 nemá žádné neutrony, pouze jeden proton a jeden elektron. Kladný iont vodíku nemá žádné elektrony, pouze jeden proton a jeden neutron. Tyto dva příklady jsou jedinými známými výjimkami z pravidla, že všechny ostatní atomy mají každý alespoň jeden proton, jeden neutron a jeden elektron.

Elektrony jsou zdaleka nejmenší ze tří atomových částic, jejich hmotnost a velikost je příliš malá na to, aby se dala změřit současnou technologií. Mají záporný náboj. Protony a neutrony mají podobnou velikost a hmotnost jako ostatní částice, protony jsou kladně nabité a neutrony nemají žádný náboj. Většina atomů má neutrální náboj; protože počet protonů (kladných) a elektronů (záporných) je stejný, náboje se vyrovnávají na nulu. U iontů (s různým počtem elektronů) tomu tak však vždy není a mohou mít kladný nebo záporný náboj. Protony a neutrony jsou tvořeny kvarky, a to dvěma typy: kvarky nahoru a kvarky dolů. Proton je tvořen dvěma kvarky nahoru a jedním kvarkem dolů a neutron je tvořen dvěma kvarky dolů a jedním kvarkem nahoru.

Nucleus

Jádro se nachází uprostřed atomu. Skládá se z protonů a neutronů. V přírodě se obvykle dvě věci se stejným nábojem odpuzují nebo od sebe odstřelují. Proto bylo pro vědce dlouho záhadou, jak se kladně nabité protony v jádře udrží pohromadě. Vyřešili to objevem částice zvané gluon. Její název pochází od slova glue, protože gluony se chovají jako atomové lepidlo a lepí protony k sobě pomocí silné jaderné síly. Tato síla drží pohromadě také kvarky, které tvoří protony a neutrony.

Počet neutronů v poměru k protonům určuje, zda je jádro stabilní, nebo prochází radioaktivním rozpadem. Když je neutronů nebo protonů příliš mnoho, atom se snaží jejich počet vyrovnat tím, že se zbaví přebytečných částic. Dělá to tak, že vysílá záření ve formě rozpadu alfa, beta nebo gama. Jádra se mohou měnit i jinými způsoby. Štěpení jádra nastává, když se jádro rozštěpí na dvě menší jádra, čímž se uvolní velké množství nahromaděné energie. Díky tomuto uvolnění energie je štěpení jader užitečné pro výrobu bomb a elektřiny v podobě jaderné energie. Dalším způsobem, jak se mohou jádra měnit, je jaderná fúze, kdy se dvě jádra spojí neboli fúzují a vytvoří těžší jádro. Tento proces vyžaduje extrémní množství energie k překonání elektrostatického odpuzování mezi protony, protože mají stejný náboj. Takto vysoké energie se nejčastěji vyskytují u hvězd, jako je naše Slunce, které spalují vodík jako palivo.

Elektrony

Elektrony obíhají kolem jádra. Nazývají se elektronový oblak atomu. K jádru jsou přitahovány elektromagnetickousilou. Elektrony mají záporný náboj a jádro má vždy kladný náboj, takže se vzájemně přitahují. Kolem jádra jsou některé elektrony dále než jiné, v různých vrstvách. Ty se nazývají elektronové slupky. Ve většině atomů má první slupka dva elektrony a všechny následující jich mají osm. Výjimky jsou vzácné, ale stávají se a je obtížné je předvídat. Čím dále je elektron od jádra, tím slabší je přitažlivost jádra na něj. Proto větší atomy, které mají více elektronů, snadněji reagují s jinými atomy. Elektromagnetismus jádra není dostatečně silný, aby udržel jejich elektrony, a atomy ztrácejí elektrony kvůli silné přitažlivosti menších atomů.

Diagram znázorňující hlavní problém jaderné fúze - skutečnost, že protony, které mají kladný náboj, se při vzájemném přitlačení odpuzují.

Radioaktivní rozpad

Některé prvky a mnohé izotopy mají tzv. nestabilní jádro. To znamená, že jádro je buď příliš velké na to, aby se udrželo pohromadě, nebo má příliš mnoho protonů nebo neutronů. V takovém případě se jádro musí zbavit přebytečné hmoty nebo částic. To se děje prostřednictvím záření. Atom, který takto postupuje, lze nazvat radioaktivním. Nestabilní atomy jsou radioaktivní, dokud neztratí dostatek hmoty/částic, aby se staly stabilními. Všechny atomy nad atomovým číslem 82 (82 protonů, olovo) jsou radioaktivní.

Existují tři hlavní typy radioaktivního rozpadu: alfa, beta a gama.

• Rozpad alfa je rozpad, kdy atom vystřelí částici se dvěma protony a dvěma neutrony. V podstatě se jedná o jádro helia. Výsledkem je prvek s atomovým číslem o dva nižším než předtím. Pokud by tedy například atom berylia (atomové číslo 4) prošel alfa rozpadem, stal by se héliem (atomové číslo 2). K alfa rozpadu dochází, když je atom příliš velký a potřebuje se zbavit části hmoty.
• Beta rozpad probíhá tak, že se neutron mění na proton nebo proton na neutron. V prvním případě atom vystřelí elektron. V druhém případě je to pozitron (jako elektron, ale s kladným nábojem). Konečným výsledkem je prvek s o jedno atomové číslo vyšším nebo nižším než předtím. Beta rozpad nastává, když má atom buď příliš mnoho protonů, nebo příliš mnoho neutronů.
• Rozpad gama je rozpad, kdy atom vystřelí gama záření nebo vlnu. Dochází k němu při změně energie jádra. Obvykle k tomu dochází poté, co jádro již prošlo rozpadem alfa nebo beta. Nedochází ke změně hmotnosti ani atomového čísla atomu, pouze ke změně energie uložené uvnitř jádra.

Každý radioaktivní prvek nebo izotop má tzv. poločas rozpadu. Je to doba, za kterou se polovina vzorku atomů daného typu rozpadne, než se z nich stane jiný stabilní izotop nebo prvek. Velké atomy nebo izotopy s velkým rozdílem mezi počtem protonů a neutronů budou mít proto dlouhý poločas rozpadu, protože musí ztratit více neutronů, aby se staly stabilními.

Marie Curie objevila první formu záření. Objevila prvek a pojmenovala ho radium. Byla také první ženskou nositelkou Nobelovy ceny.

Frederick Soddy provedl experiment, při kterém sledoval, co se děje při rozpadu radia. Umístil vzorek do žárovky a čekal, až se rozpadne. Náhle se v žárovce objevilo helium (obsahující 2 protony a 2 neutrony) a na základě tohoto pokusu zjistil, že tento typ záření má kladný náboj.

James Chadwick objevil neutron pozorováním rozpadových produktů různých typů radioaktivních izotopů. Chadwick si všiml, že atomové číslo prvků je nižší než celková atomová hmotnost atomu. Dospěl k závěru, že elektrony nemohou být příčinou dodatečné hmotnosti, protože hmotnost téměř nemají.

Enrico Fermi použil neutrony, aby je vystřelil na uran. Zjistil, že se uran rozpadá mnohem rychleji než obvykle a produkuje velké množství částic alfa a beta. Domníval se také, že se uran změnil na nový prvek, který pojmenoval hesperium.

Otto Hanh a Fritz Strassmann zopakovali Fermiho experiment, aby zjistili, zda skutečně vznikl nový prvek hespérium. Objevili dvě nové věci, které Fermi nepozoroval. Při použití velkého množství neutronů by se jádro atomu rozštěpilo, čímž by vzniklo velké množství tepelné energie. Také již byly objeveny produkty štěpení uranu: thorium, palladium, radium, radon a olovo.

Fermi si pak všiml, že štěpení jednoho atomu uranu vystřeluje další neutrony, které pak štěpí další atomy a vytvářejí řetězové reakce. Uvědomil si, že tento proces se nazývá jaderné štěpení a může vytvářet obrovské množství tepelné energie.

Právě tento Fermiho objev vedl k vývoji první jaderné bomby s krycím názvem "Trinity".