Wstęp do fizyki atomu/Budowa atomu

Atom, co to w ogóle jest?

Atom – (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") najmniejszy, niepodzielny metodami chemicznymi składnik materii.

Używając tej definicji jest dość trudno powiedzieć, czy coś jest atomem czy nie, gdyż nie ma pewności czy nie istnieje jakaś reakcja chemiczna która rozłoży nam substancję, którą uznaliśmy za zbiór atomów. Dlatego przez wieki substancje, które uznawano za złożoną z atomów nagle udawało się podzielić na dwie inne substancje. Jednak dzięki postępowi techniki i jej zdobyczom (mikroskop elektronowy) i poprzez przeprowadzenie wielu eksperymentów chemicznych mamy skatalogowane pierwiastki w układzie okresowym (o czym więcej w rozdziale Układ okresowy).

Aktualnie wiemy, że atomy nie są tak znowu niepodzielne, jak to sobie wyobrażali starożytni grecy, jak również nie jest ich tylko pięć. Atomy jak głosi nasza definicja są niepodzielne tylko metodami chemicznymi. Natomiast innymi metodami udało się podzielić atom na jego mniejsze składowe. Atom składa się z jądra (składającego się z protonów i neutronów) oraz "krążących" dookoła elektronów. W naturalnym stanie atomu elektronów jest tyle samo co protonów. Ilość protonów zaś określa właściwości chemiczne danego atomu. Dlatego też pierwiastkiem chemicznym nazywamy substancje złożoną z atomów o tej samej liczbie protonów ale nie koniecznie neutronów. Substancje różniące się tylko liczbą neutronów nazywamy izotopami.

Jeżeli ktoś miałby jednak powiedzieć co jest głównym składnikiem atomu to zasadniczo powinien powiedzieć, że NIC. Dlaczego? A dlatego, że jeżeli popatrzymy na rozmiar jądra atomu (np. wodoru ~ 1fm) i porównamy ze średnica (1Å). Wyobraźmy sobie, że powiększamy atom tak by jądro atomu miało średnicę 1 m to rozmiar atomu miałby 100km. Z takiej odległości na pewno nie moglibyśmy dostrzec jądra atomu (szczególnie takiej wielkości). A co jest pomiędzy? Właśnie! Pomiędzy nie ma NIC! (w zasadzie to właśnie jest NIC). Jeżeli tak popatrzeć na substancje otaczające nas to wydają się zadziwiająco puste.

Chemiczne właściwości atomów

Ze względu na to, iż różnych rodzajów atomów jest dość dużo (ok.100) to każdy z tych rodzajów ma inne właściwości chemiczne. Substancje złożone z tych samych atomów (mających tyle samo protonów) nazywamy pierwiastkami chemicznymi. Pierwiastki chemiczne mają tendencje do łączenia się z innymi pierwiastkami, tworząc cząsteczki, które zazwyczaj mają inne właściwości fizyko-chemiczne od pierwiastków z których się składają.

Fizyczne właściwości atomów

Pierwszą rzeczą, jaka ciśnie się na usta każdego z nas, gdy myślimy o atomach, jest: jak on wygląda? I jaka jest jego struktura? Na to pytanie przez długi czas nie potrafiono odpowiedzieć. Dopiero na początku XX wieku Niels Bohr zaproponował model, który co nie co przypominał to, czym tak naprawdę jest atom (a przynajmniej to czym nam się dzisiaj wydaje, że jest).

Rozmiar atomu

Najmniejszy atom (atom Wodoru) ma średnicę około 1Å największe atomy zaś sięgają rozmiarami nawet setek Å.

Metody wyznaczania rozmiaru

$\sigma =(r_{1}+r_{2})^{2}\pi {\frac {}{}}$ - przekrój czynny

po podzieleniu przez N, odcałkowując stronami a następnie obliczając eksponens stronami dostajemy:

$N(x)=N_{0}e^{-\sigma nx}{\frac {}{}}$ - liczbę nie rozproszonych cząstek po przejściu próbki o grubości $x$

oraz

$N_{roz}(x)=N_{0}\left(1-e^{-\sigma nx}\right)$ - liczbę rozproszonych cząstek po przejściu próbki o grubości $x$

Bombardując próbkę atomami tego samego rodzaju, co w próbce (czyli $r_{1}=r_{2}$ ). Wyznaczając $N(x)$ lub $N_{roz}(x)$ aby wyliczyć wartość $\sigma$ możemy wyznaczyć promień atomu.

Oczywistym jest fakt, że do powyższych obliczeń potrzebna jest masa atomu, dzięki której możemy wyznaczyć gęstość atomów ( $n$ ). Na wyznaczaniu masy atomu skupimy się w jednym z następnych rozdziałów.

Masa atomu

Po przeprowadzeniu licznych eksperymentów chemicznych, dzięki którym doszliśmy do prawa ciśnień parcjalnych oraz dla gazów prawa Avogadro stwierdzono, że masy atomów są w przybliżeniu wielokrotnościami masy atomu wodoru. Ustalono, że masa atomu wodoru wynosi 1u. Jednak od roku 1961 jako definicję tej jednostki przyjęto 1/12 masy atomu węgla ${}_{6}^{12}C$, czyli:

$1u=1,6605387313*10^{-24}g$

Ustalono również tzw. liczbę Avogadro jest liczba równa liczbie atomów zawartych w 12 gramach (dokładnie 0,012 kg w układzie SI) izotopu węgla ${}_{6}^{12}C$. Wprowadzono też jednostkę liczebności 1mol, która równa się liczbie Avogadro. Aktualnie najbardziej dokładna wartość liczby Avogadro (1 mol) wynosi:

$N_{A}=602.214.199.474.747.474.747.474$