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) sspinduliavimas.

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 eelektronai. 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 tteorija 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 eelektroninį 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.