atom

ilustracija
ATOM, atomski modeli 10 prvih elemenata periodnog sustava, P = proton, N = neutron

atom (grč. ἄτομος: nedjeljiv), osnovni djelić, najmanji dio na koji tvar može biti rastavljena bez otpuštanja električki nabijenih čestica, najmanji sastavni dio najjednostavnijih tvari, kemijskih elemenata, koji zadržava svojstva elementa. Promjer atoma iznosi od 0,1 do 0,5 nm, a relativna atomska masa od oko 1 za vodik do približno 244 za plutonij. Atomi su dovoljno maleni da pokazuju i valna svojstva, npr. valna duljina vodikovih atoma na sobnoj temperaturi iznosi oko 0,1 nm, a cezijevih 0,01 nm. Zornu sliku atoma nemoguće je predočiti svakodnevnim makroskopskim pojmovima. Potpun opis daje kvantna mehanika s konceptom kvantiziranosti stanja i vjerojatnošću nalaženja čestica u pojedinim stanjima.

Građa atoma

Atomi se sastoje od jezgre i elektronskog omotača. Jezgra se nalazi u središtu atoma i čini 99,9% njegove mase, a zauzima samo oko 10–14 volumena atoma. Npr. kada bi atom bio sfera promjera 6 km, jezgra bi bila veličine teniske loptice. Svi sastavni dijelovi u atomu u neprestanu su gibanju. Jezgra se sastoji od električki pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona. Promjera je od 1,75 · 10–15 m (vodikova jezgra) do 15 · 10–15 m (uranijeva jezgra). Protoni i neutroni su u jezgri stopljeni zajedno djelovanjem privlačne nuklearne, odn. jake sile. Protoni i neutroni sastavljeni su od triju još manjih čestica, kvarkova. Elektronski omotač tvore električki negativno nabijeni elektroni kojima je masa 1836 (1839) puta manja od mase protona (neutrona). Negativno nabijene elektrone elektromagnetskom silom privlači pozitivno nabijena jezgra, no oni posjeduju dovoljno energije da se, zbog kvantnih učinaka, uspijevaju zadržati na određenoj udaljenosti od jezgre, raspoređeni u ljuske. Energija je elektrona kvantizirana, može poprimiti samo određene vrijednosti. Svako energijsko stanje elektrona karakterizirano je četirima kvantnim brojevima (→ spin). Glavni kvantni broj n određuje ljusku kojoj elektroni pripadaju i ima vrijednosti od 1 do 7. Elektroni s najmanje energije najbliže su jezgri i popunjavaju prvu ljusku, koja se označuje slovom K. Sljedeće su ljuske L, M, N, O, P i Q. Za svaku ljusku karakterističan je broj elektrona koje ona može sadržati (2 n²). Ljuska K može sadržati samo dva elektrona, ljuska L 8, ljuska M 18, ljuska N 32. Vanjske ljuske O, P, i Q nisu nikad u potpunosti popunjene, no zna se da teorijski mogu sadržati 50, 72 odn. 98 elektrona (→ atomska struktura). Broj protona u atomu jednak je broju elektrona, što čini atom neutralnim.

Vrste atoma

Broj protona najvažnije je svojstvo atoma, njime je određen i broj elektrona i kemijska svojstva atoma; naziva se atomski broj. Dosad je otkriveno 112 različitih atoma koji su prema svojem atomskom broju razvrstani u periodni sustav elemenata. Na prvom je mjestu vodik s jednim protonom i atomskim brojem 1. Uran s brojem 92 i plutonij s brojem 94 posljednji su u nizu koji se mogu naći u prirodi, atomi s većim brojem protona se proizvode (npr. u akceleratoru teških iona GSI – Gesellschaft für Schwerionforschung, Darmstadt, Njemačka). Npr. atom s brojem 112 (kopernicij) dobiven je 1996. fuzijom cinka i olova. Atomi s velikim atomskim brojem nestabilni su, npr. vrijeme poluraspada kopernicija (283112Cn) je samo 4 s. Atomi jednog elementa mogu se razlikovati po broju neutrona u jezgri. Lakši atomi imaju približno jednak broj protona i neutrona, dok teži atomi imaju više neutrona. Atomi koji imaju jednak broj protona a različit broj neutrona nazivaju se izotopi. Npr. vodik ima još dva izotopa, deuterij i tricij. Gotovo svi elementi imaju po nekoliko izotopa. Poznato je 287 prirodnih izotopa, a umjetno ih je proizvedeno mnogo više. Atom može dobiti ili izgubiti elektron, ili više njih, i tada se naziva negativnim ili pozitivnim ionom. Međudjelovanje atoma i njihov odgovor na elektromagnetsko zračenje ovise o strukturi elektrona oko jezgre. Elektroni u atomu mogu apsorpcijom ili emisijom elektromagnetskoga zračenja prelaziti iz jednoga kvantnog stanja u drugo. To daje emisijski ili apsorpcijski linijski spektar, karakterističan za svaki atom. Kemijska svojstva atoma određena su uglavnom rasporedom elektrona u vanjskim ljuskama. Atomi se međusobno vežu i prenošenjem ili posudbom elektrona stvaraju veće strukture, molekule i kristalne rešetke. Jezgre nekih atoma mijenjaju se spontano, bilo prerazmještajem protona i neutrona bilo promjenom broja protona i neutrona. Tom prilikom atomska jezgra otpušta gama-zračenje, odn. alfa-zračenje ili beta-zračenje. Takvi se atomi nazivaju radioaktivnima. Svi atomi teži od bizmuta radioaktivni su (→ radioaktivnost). Prilikom promjene stvarnoga broja protona i neutrona atom transmutira, odn. prelazi u atom različitoga kemijskog elementa. Taj se proces naziva radioaktivni raspad.

Povijesni razvoj spoznaja o atomu

Poznavanje atoma prošlo je kroz dugu povijesnu evoluciju. Začetci su se javili 400 god. pr. Kr. s atomizmom. Dugo su prevladavale teorije o kontinuiranoj građi tvari, pod utjecajem Aristotela. Tek u XVI. i XVII. st. atomističke ideje oživljuju Francis Bacon, Isaac Newton, Galileo Galilei. Godine 1750. Ruđer Josip Bošković pretpostavlja da temeljni sastavni dijelovi tvari imaju istu masu u geometrijskoj točki bez dimenzija. Danas je bit te ideje općeprihvaćena. Veći pomak u razvoju atomske teorije nastao je tek početkom XIX. st. s razvojem shvaćanja o kemijskim elementima i povezivanjem tog pojma s postojanjem atoma (→ dalton, john; avogadro, amedeo). Gotovo polovica danas poznatih kemijskih elemenata otkrivena je u XIX. st. Godine 1897. otkriven je elektron (→ thomson, joseph john) i prvi model atomske strukture. Godine 1911. Ernest Rutherford pokazuje postojanje sićušne i teške jezgre atoma u pokusima s alfa-česticama. U atomskoj spektroskopiji linijski atomski spektri omogućili su proučavanje strukture elektronskog omotača. Godine 1913. Niels Bohr pretpostavlja kvantizaciju energetskih stanja elektrona u elektronskom omotaču, a 1924. Louis Victor de Broglie pretpostavlja da elektroni imaju valna svojstva. Proučavanje razmještaja elektrona u atomu završeno je 1928. prinosima Erwina Schrödingera, Wolfganga Paulija, Maxa Borna i Wernera Karla Heisenberga. Godine 1932. James Chadwick otkrio je neutron. Slijedi brz razvoj nuklearne fizike. S razvojem akceleratora 1960-ih otkriveno je mnoštvo elementarnih čestica.

Proučavanjem atoma bavi se više grana moderne fizike. Strukturu elektronskog omotača i međudjelovanje atoma proučava atomska i molekularna fizika. Jezgru atoma proučava nuklearna fizika, subatomske čestice (protone, neutrone i dr.) fizika elementarnih čestica. Atomima se danas manipulira na različite načine. Moguće im je potpuno skinuti elektronski omotač bombardiranjem elektronima u ionskim stupicama (→ teški ioni) i zatim na metalnim površinama napuniti samo vanjske ljuske, a time se stvara šuplji atom, kao poseban izvor rendgenskoga zračenja. Atom se iskorištava za proučavanje međudjelovanja i veličine elementarnih čestica, zamjenom bilo elektrona bilo jezgre nekom odgovarajućom nabijenom česticom. Npr. mioni, π-mezoni ili antiprotoni mogu zamijeniti elektron, a pozitron može zamijeniti jezgru. Tada se govori o egzotičnim atomima.

Moguće ih je ohladiti do temperature mikrokelvina u atomskim stupicama i upotrebljavati za najpreciznija mjerenja (→ atomski sat), snimiti kako se »šeću« po površinama pretražnim mikroskopom s tuneliranjem; graditi različite strukture od pojedinačnih atoma nanostrukture; manipulirati atomima kao što se manipulira svjetlošću (→ atomska optika), itd.

Korištenjem valnih svojstava atoma razvija se, analogno optičkoj interferometriji, atomska interferometrija kao tehnika dosad najpreciznijih mjerenja u fizici. Ostvarenje Bose-Einsteinove kondenzacije u razrijeđenim parama omogućava stvaranje koherentnih snopova atoma. (→ atomski laser)

atom. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 19.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=4472>.