Атом

История

Слово "атом" происходит от греческого (ἀτόμος) "atomos", indivisible, from (ἀ)-, not, and τόμος, a cut. Первое историческое упоминание о слове "атом" происходит из произведений греческого философа Демокрита, около 400 г. до н.э. Атомная теория оставалась в основном философским предметом, с небольшим количеством фактических научных исследований или изучения, вплоть до развития химии в 1650-х годах.

В 1777 году французский химик Антуан Лавуазье впервые определил термин "элемент". Он сказал, что элементом является любое основное вещество, которое не может быть разбито на другие вещества методами химии. Любое вещество, которое может быть разложено, является соединением.

В 1803 году английский философ Джон Дальтон предположил, что элементы представляют собой крошечные, сплошные шарики из атомов. Далтон считал, что все атомы одного элемента имеют одинаковую массу. Он говорил, что соединения образуются при объединении атомов нескольких элементов. По мнению Дальтона, в определенном соединении атомы элементов этого соединения всегда соединяются одинаково.

В 1827 году английский ученый Роберт Браун посмотрел под микроскопом на зерна пыльцы в воде. Пыльцевые зерна, похоже, покачивались. Браун использовал атомную теорию Далтона, чтобы описать закономерности их движения. Это называлось броуновскимдвижением. В 1905 Альберт Эйнштейн использовал математику, чтобы доказать, что кажущиеся случайными движения были вызваны реакциями атомов, и тем самым он убедительно доказал существование атома. В 1869 русский ученый Дмитрий Менделеев опубликовал первый вариант периодической таблицы. Периодическая таблица группирует элементы по их атомному номеру (сколько у них протонов. Обычно это то же самое число электронов). Элементы в одной колонке, или периоде, обычно обладают сходными свойствами. Например, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон находятся в одной колонке и обладают очень похожими свойствами. Все эти элементы представляют собой газы, не имеющие цвета и запаха. Кроме того, они не способны соединяться с другими атомами, образуя соединения. Вместе они известны как благородные газы.

Физик Джей-Джей Томсон был первым человеком, открывшим электроны. Это случилось, когда он работал с катодными лучами в 1897 году. Он понял, что у них отрицательный заряд, в отличие от протонов (положительный) и нейтронов (без заряда). Томсон создал модель сливового пудинга, которая утверждала, что атом подобен сливовому пудингу: сухофрукты (электроны) застряли в массе пудинга (протоны). В 1909 году ученый по имени Эрнест Резерфорд использовал эксперимент Гейгера-Марсдена, чтобы доказать, что большая часть атома находится в очень маленьком пространстве, называемом атомным ядром. Резерфорд взял фотопластинку и накрыл ее золотой фольгой, а затем выстрелил в нее альфа-частицами (сделанными из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе). Многие из частиц прошли через золотую фольгу, что доказало, что атомы - это в основном пустое пространство. Электроны настолько малы, что составляют всего 1% от массы атома.

В 1913 году Нильс Бор представил модель Бора. Эта модель показала, что электроны движутся вокруг ядра по фиксированным круговым орбитам. Это было более точным, чем модель Резерфорда. Однако, она все еще была не совсем верна. Улучшения в модели Бора были сделаны с тех пор, как она была впервые представлена.

В 1925 году химик Фредерик Содди обнаружил, что некоторые элементы в периодической таблице имеют более одного вида атомов. Например, любой атом с 2 протонами должен быть атомом гелия. Обычно ядро гелия также содержит два нейтрона. Однако некоторые атомы гелия имеют только один нейтрон. Это означает, что они действительно гелий, потому что элемент определяется количеством протонов, но они также не являются нормальным гелием. Содди назвал такой атом, с другим количеством нейтронов, изотопом. Чтобы получить название изотопа, посмотрим, сколько у него протонов и нейтронов в ядре, и добавим это к названию элемента. Так атом гелия с двумя протонами и одним нейтроном называется гелием-3, а атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами называется углеродом-12. Однако, когда он разрабатывал свою теорию, Содди не мог быть уверен, что нейтроны действительно существуют. Чтобы доказать их реальность, физик Джеймс Чадвик и команда других создавали масс-спектрометр. Масс-спектрометр фактически измеряет массу и вес отдельных атомов. Тем самым Чадвик доказал, что для учета всего веса атома нейтроны должны существовать.

В 1937 году немецкий химик Отто Хан стал первым человеком, создавшим ядерное деление в лаборатории. Он открыл это случайно, когда стрелял нейтронами по атому урана, надеясь создать новый изотоп. Однако он заметил, что вместо нового изотопа уран просто превратился в атом бария, атом поменьше урана. Очевидно, Ханн "сломал" атом урана. Это была первая в мире зарегистрированная реакция ядерного деления. Это открытие в конце концов привело к созданию атомной бомбы.

В дальнейшем, в 20 веке, физики углубились в тайны атома. Используя ускорители частиц, они обнаружили, что протоны и нейтроны на самом деле состоят из других частиц, называемых кварками.

Наиболее точная модель на сегодняшний день получена из уравнения Шредингера. Шредингер понял, что электроны существуют в облаке вокруг ядра, называемом электронным облаком. В электронном облаке невозможно точно знать, где находятся электроны. Уравнение Шредингера используется для того, чтобы выяснить, где электрон может находиться. Эта область называется орбитой электрона.

Эрнест Резерфорд

Структура и детали

Части

Комплексный атом состоит из трех основных частиц: протона, нейтрона и электрона. В изотопе Водород-1 нет нейтронов, только один протон и один электрон. Положительный водородный ион не имеет электронов, только один протон и один нейтрон. Эти два примера - единственное известное исключение из правила, что все другие атомы имеют по крайней мере один протон, один нейтрон и один электрон.

Электроны являются наименьшими из трех атомных частиц, их масса и размер слишком малы, чтобы их можно было измерить с помощью современной технологии. У них отрицательный заряд. Протоны и нейтроны имеют одинаковый размер и вес, протоны положительно заряжены и нейтроны не имеют заряда. Большинство атомов имеют нейтральный заряд; так как количество протонов (положительное) и электронов (отрицательное) одинаково, заряды уравновешиваются нулями. Однако, в ионах (разное число электронов) это не всегда так, и они могут иметь положительный или отрицательный заряд. Протоны и нейтроны состоят из кварков, двух типов: вверх-кварков и вниз-кварков. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон - из двух нижних кварков и одного верхнего кварка.

Ядро

Ядро находится в середине атома. Оно состоит из протонов и нейтронов. Обычно в природе две вещи с одним и тем же зарядом отталкивают или отстреливаются друг от друга. Так что для ученых долгое время было загадкой, как положительно заряженные протоны в ядре остаются вместе. Они решили это, найдя частицу под названием глюон. Ее название происходит от слова "клей", поскольку глюоны действуют как атомный клей, склеивая протоны, используя сильную ядерную силу. Именно эта сила удерживает вместе кварки, составляющие протоны и нейтроны.

Количество нейтронов по отношению к протонам определяет, является ли ядро стабильным или проходит радиоактивный распад. Когда нейтронов или протонов слишком много, атом пытается сделать эти числа одинаковыми, избавляясь от лишних частиц. Он делает это, испуская излучение в виде альфа-, бета- или гамма-распада. Ядра могут изменяться и другими способами. Ядерное деление - это когда ядро расщепляется на два меньших ядра, высвобождая большое количество накопленной энергии. Именно это высвобождение энергии делает ядерное деление полезным для создания бомб и получения электричества, в форме ядерной энергии. Другой способ изменения ядер - это ядерный синтез, когда два ядра соединяются вместе, или плавятся, чтобы сделать ядро тяжелее. Этот процесс требует экстремального количества энергии для преодоления электростатического отталкивания между протонами, поскольку они имеют один и тот же заряд. Такие высокие энергии чаще всего встречаются у таких звезд, как наше Солнце, которое плавит водород для топлива.

Электроны

Электроны двигаются по орбите или вокруг ядра. Они называются электронным облаком атома. Их притягивает к ядру электромагнитнаясила. Электроны имеют отрицательный заряд, и ядро всегда имеет положительный заряд, поэтому они притягивают друг друга. Вокруг ядра некоторые электроны находятся дальше, чем другие, в разных слоях. Они называются электронными оболочками. В большинстве атомов первая оболочка имеет два электрона, а все последующие - восемь. Исключения встречаются редко, но они все же случаются, и их трудно предсказать. Чем дальше электрон от ядра, тем слабее притяжение ядра на нем. Вот почему большие атомы, с большим количеством электронов, легче реагируют с другими атомами. Электромагнетизм ядра недостаточно силен, чтобы удерживать свои электроны, и атомы теряют электроны из-за сильного притяжения меньших атомов.

Диаграмма, показывающая главную трудность ядерного синтеза, тот факт, что протоны, имеющие положительные заряды, отталкивают друг друга, когда их заставляют объединиться.

Радиоактивный распад

Некоторые элементы и многие изотопы имеют то, что называется нестабильным ядром. Это означает, что ядро либо слишком большое, чтобы держать себя вместе, либо имеет слишком много протонов или нейтронов. Когда это случается, ядро должно избавиться от избыточной массы или частиц. Оно делает это через радиацию. Атом, который это делает, можно назвать радиоактивным. Нестабильные атомы продолжают быть радиоактивными до тех пор, пока не потеряют достаточно массы/частиц, чтобы стать стабильными. Все атомы выше атомного номера 82 (82 протона, свинец) радиоактивны.

Существует три основных типа радиоактивного распада: альфа, бета и гамма.

• Альфа-распад - это когда атом выстреливает из частицы, имеющей два протона и два нейтрона. По сути, это ядро гелия. В результате получается элемент с атомным номером два меньше, чем раньше. Так, например, если атом бериллия (атом номер 4) пройдет через альфа-распад, то он станет гелием (атом номер 2). Альфа-распад происходит, когда атом слишком велик и должен избавиться от некоторой массы.
• Бета-распад - это когда нейтрон превращается в протон или протон превращается в нейтрон. В первом случае атом выстреливает из электрона. Во втором случае это позитрон (как электрон, но с положительным зарядом). Конечный результат - элемент с атомным номером на один атомный номер выше или на один атомный номер ниже, чем раньше. Бета-распад происходит, когда атом имеет либо слишком много протонов, либо слишком много нейтронов.
• Гамма-распад - это когда атом выстреливает гамма-лучами или волной. Это происходит, когда происходит изменение энергии ядра. Обычно это происходит после того, как ядро уже прошло через альфа- или бета-распад. Изменения массы, атомного номера или атома не происходит, а только в накопленной энергии внутри ядра.

Каждый радиоактивный элемент или изотоп имеет так называемый период полураспада. Именно столько времени занимает распад половины любого образца атомов этого типа, пока они не станут другим стабильным изотопом или элементом. Поэтому большие атомы, или изотопы с большой разницей между числом протонов и нейтронов, будут иметь длительный период полураспада, потому что для того, чтобы стать стабильными, они должны потерять больше нейтронов.

Мари Кюри открыла первую форму радиации. Она нашла элемент и назвала его радием. Она также была первой женщиной-лауреатом Нобелевской премии.

Фредерик Содди провел эксперимент по наблюдению за тем, что происходит при распаде радия. Он поместил образец в лампочку и ждал, пока он распадется. Внезапно в лампочке появился гелий (содержащий 2 протона и 2 нейтрона), и из этого эксперимента он обнаружил, что этот тип излучения имеет положительный заряд.

Джеймс Чадвик обнаружил нейтрон, наблюдая за продуктами распада различных типов радиоактивных изотопов. Чадвик заметил, что атомное число элементов было меньше общей атомной массы атома. Он пришел к выводу, что электроны не могут быть причиной лишней массы, поскольку они едва имеют массу.

Энрико Ферми, использовал нейтроны, чтобы стрелять в уран. Он обнаружил, что уран распадается намного быстрее, чем обычно, и производит много альфа- и бета-частиц. Он также считал, что уран превратился в новый элемент, который он назвал гесперием.

Отто Хань и Фриц Штрассманн повторили эксперимент Ферми, чтобы увидеть, был ли на самом деле создан новый элемент гесперий. Они обнаружили две новые вещи, которые Ферми не наблюдал. Используя много нейтронов, ядро атома расщеплялось, производя много тепловой энергии. Также уже были открыты продукты деления урана: торий, палладий, радий, радон и свинец.

Затем Ферми заметил, что деление одного атома урана отстреливает больше нейтронов, которые затем расщепляют другие атомы, создавая цепные реакции. Он понял, что этот процесс называется ядерным делением и может создать огромное количество тепловой энергии.

Именно это открытие Ферми привело к разработке первой ядерной бомбы под кодовым названием "Троица".