1. Co to jest atom?

Podstawowymi elementami, z których zbudowana jest materia, są atomyatomatomy. Substancje tworzące świat materialny składają się z różnych atomów. Atomy mają masę, objętość i kształt. Każdy pierwiastek składa się z atomów tylko jednego rodzaju – żelazo – z atomów żelaza, złoto zaś – z atomów złota. Pojedyncze atomy żelaza i złota są zbudowane z tych samych cząstek, a różnią się tylko ich liczbą. Dlatego różnice te są wystarczające, aby ich zbiory tworzyły pierwiastki o odmiennych właściwościach.

Niewielkie rozmiary atomów nie pozwalają nam na oglądanie ich w sposób, w jaki przywykliśmy obserwować otaczający nas świat. Obecnie nie dysponujemy urządzeniami, które pozwalałyby nam swobodnie wnikać w głąb każdego rodzaju materii. Od niedawna możemy jednak w bardzo niskich temperaturach dostrzec cienką warstwę atomów unieruchomionych na powierzchni innych ciał stałych. Pomaga nam w tym przyrząd nazywany skaningowym mikroskopem tunelowym. Na otrzymanych za jego pomocą czarno‑białych obrazach zobaczyliśmy, że atomy mają kształt kulisty, a ich rozmiary są różne i zależą od rodzaju badanego pierwiastka. Już na początku XIX wieku angielski uczony John DaltonJohn DaltonJohn Dalton (czyt. dżon dalton) twierdził, że atomy tworzące różne pierwiastki są kulami różniącymi się między sobą wielkością.

2. Spoglądamy w głąb atomu

Niemal do końca XIX wieku uważano, że atomy przypominają niewyobrażalnie małe i twarde jak kamień kulki. Dziś już wiemy, że atomy nie są jednorodne i niepodzielne. Okazuje się, że mają one złożoną wewnętrzną budowę. W środku każdego atomu, w samym jego centrum, znajduje się jądro atomowejądro atomowejądro atomowe. Poruszające się w różnych kierunkach z dużą szybkością ujemnie naładowane cząstki, zwane elektronamielektronelektronami, tworzą chmurę elektronową. Przestrzeń, którą zajmuje jądro atomowe, jest znacznie mniejsza od przestrzeni zajmowanej przez elektrony – średnica atomu jest około 100 000 razy większa od średnicy jądra. Gdyby jądro powiększyć do rozmiarów małej monety o średnicy kilku milimetrów, wówczas cały atom byłby kulą o przekroju wielkości stadionu sportowego.

Samo jądro atomu ma również złożoną budowę. W jego skład wchodzą dodatnio naładowane cząstki nazywane protonamiprotonprotonami oraz cząstki pozbawione ładunku – neutronyneutronneutrony. Protony i neutrony (czyli cząstki znajdujące się w jądrze) określa się jako nukleonynukleonynukleony.

RfNh1xIdSZ0Iz1

Ilustracja interaktywna przedstawiająca podział cząstek elementarnych wchodzących w skład atomu. Na początku widoczne jest jedynie szare pole po lewej stronie z napisem Atom i piktogramem dłoni z czarnym punktem zachęcającym do kliknięcia. Po kliknięciu napisu Atom po prawej stronie pojawiają się dwie odchodzące od niego strzałki do pól Elektrony i Jądro. Również pole Jądro można kliknąć. Odchodząca od niego strzałka przenosi nas do pola Nukleony, a to rozdziela się na pola Protony i Neutrony.

Każdy atom jest elektrycznie obojętną drobiną (nie jest obdarzony żadnym ładunkiem). W jego wnętrzu ładunki ujemne i dodatnie równoważą się. Oznacza to, że liczba protonów i elektronów w każdym atomie jest jednakowa.

RJO4pgOOGOjl91

Ilustracja przedstawia schemat wyjaśniający elektryczną obojętność atomu. Po lewej stronie znajduje się pole z napisem Atom - elektrycznie obojętna drobina. Od pola w prawo wiedzie strzałka do drugiego pola z napisem precyzującym tę obojętność: Liczba elektronów jest równa liczbie protonów.

Liczba neutronów nie ma wpływu na przynależność atomu do danego pierwiastka.

RN2dnMxYfCTJL1

Ilustracja przedstawia schemat budowy atomu helu. Po lewej stronie znajduje się małe niebieskie koło, symbolizujące jądro atomu otoczone dużym fioletowym kołem z rozmytymi krawędziami, oznaczającym obszar występowania elektronów. Same elektrony w liczbie dwóch zaznaczone są w postaci plam o rozmytych krawędziach, co ma symbolizować niemożność dokładnego stwierdzenia ich położenia i kierunku ruchu. Po prawej stronie rysunku znajduje się zbliżenie na jądro. Niebieskie koło zawiera wewnątrz siebie dwa mniejsze koła czerwone podpisane jako neutrony oraz dwa mniejsze koła białe podpisane jako protony.

*Ujemny ładunek elektronu i dodatni ładunek protonu mają tę samą wartość bezwzględną (różnią się tylko znakami). Ustalono, że ładunek ujemny elektronu jest elementarnym ładunkiem ujemnym. Zatem proton ma elementarny ładunek dodatni.

R1OrTxUKeJmLz1

Ilustracja przedstawia rysunki schematów atomów wodoru z lewej strony i atomów uranu z prawej strony. Są to odpowiednio najmniejszy i największy atom występujący na Ziemi naturalnie. Model atomu wodoru składa się z jądra zawierającego jeden proton w postaci czerwonego koła i jednej powłoki elektronowej z jednym elektronem. Obok widnieją dane liczbowe: średnica 60 pikometrów, liczba elektronów 1, liczba protonów 1. Model atomu uranu składa się z jądra zawierającego 92 protony oraz pewną nieokreśloną bliżej liczbę kulek niebieskich, czyli neutronów. Dookoła jądra zaznaczonych jest 7 powłok elektronowych z łącznie 92 elektronami. Obok widnieją dane liczbowe: średnica 276 pikometrów, liczba elektronów 92, liczba protonów 92.

Ciekawostka

Czy składniki atomu są niepodzielne?
Obecny stan wiedzy pozwala nam powiedzieć, że elementarnymi składnikami materii są dwa rodzaje cząstek: leptony i kwarki. Nie wiemy, czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną. Elektron należy do leptonów, jest niepodzielny, czyli nie ma wewnętrznej struktury. Natomiast neutrony i protony są zbudowane z kwarków. Znaleziono dowody na istnienie sześciu rodzajów kwarków. Każdemu z kwarków fizycy nadali angielskie nazwy, nawiązujące bardziej do życia codziennego niż do świata nauki. W języku polskim nazwy te brzmią: górny (u), dolny (d), dziwny (s), powabny (c), niski (spodni) (b), wysoki (t). Kwarki nie istnieją samodzielnie w przyrodzie, a tylko w grupie, tworząc inne cząstki. Dwa z nich (górny i dolny) biorą udział w tworzeniu nukleonów.

RvW0SzVwbzZxE1

Ilustracja przedstawia schemat budowy materii z podziałem na najdrobniejsze znane cząstki elementarne. Po lewej stronie znajduje się niebieski prostopadłościan z wyróżnionym narożnikiem. Narożnik ten jest ukazany w okręgu po prawej stronie jako składający się z kulek podpisanych Atomy. Kolejne zbliżenie na pojedynczą kulkę, również w okręgu po prawej stronie prezentuje strukturę atomu w postaci pomarańczowo zaznaczonego jądra i turkusowo zaznaczonej chmury elektronowej. Kolejne zbliżenie przedstawia strukturę jądra w postaci pomarańczowego koła wewnątrz którego kolorem szarym zaznaczono dwa neutrony, a niebieskim dwa protony. Ostatnie dwa zbliżenia dotyczą wewnętrznej struktury tych dwóch cząstek elementarnych składających się z kwarków. Wewnątrz protonu na schemacie znajdują się dwa kwarki d, czyli tak zwane dolne oraz jeden kwark u, czyli górny. W neutronie odwrotnie - dwa kwarki u i jeden d.

3. Opisujemy atomy

Aby opisać atom, należy podać liczby protonów (lub elektronów) i neutronów wchodzących w jego skład.

Atomy można opisywać na różne sposoby, można je narysować, scharakteryzować słownie, przedstawić w tabeli. Choć istnieje wiele sposobów prezentacji budowy atomu, chemicy wykorzystują tylko jeden, to znaczy opisują atomy za pomocą dwóch liczb: atomowej i masowej. Liczba atomowa ($\text{Z}$)liczba atomowaLiczba atomowa ($\text{Z}$) to liczba protonów w jądrze, natomiast liczba masowa ($\text{A}$)liczba masowaliczba masowa ($\text{A}$) to liczba nukleonów (suma protonów i neutronów). Liczby te umieszcza się w odpowiedniej kolejności i miejscu przy symbolu pierwiastka. Z lewej strony symbolu w indeksie górnym umieszcza się liczbę masową $\text{A}$, a w indeksie dolnym – liczbę atomową $\text{Z: }{}_{\text{Z}}{}^{\text{A}}\text{E}$.

RQa9buJwuJnCa1

Ilustracja przedstawia schemat opisywania atomu za pomocą symboli. Z lewej strony widnieje wzór ogólny składający się z litery E oraz poprzedzających ją liter A i Z, przy czym A znajduje się w tak zwanym indeksie górnym, czyli jest mniejsza i przylega do górnej części litery E (jak znak potęgi, tyle że przed literą E, a nie za nią), a Z znajduje się w indeksie dolnym, czyli jest mniejsza i przylega do dolnej części litery E. Po prawej stronie tego wzoru ogólnego znajdują się wyjaśnienia liter. I tak E to symbol pierwiastka, którego atom jest opisywany. A to liczba masowa, czyli liczba nukleonów uzyskana przez zsumowanie liczby protonów i neutronów w jądrze. Z to liczba atomowa wynosząca tyle, ile wynosi liczba protonów w jądrze atomu oraz ile wynosi liczba elektronów poruszających się w przestrzeni wokół jądra.

4. Jak duże są atomy pierwiastków i jaka jest ich masa? Jak możemy wyrażać masę atomów pierwiastków?

Znane są rozmiary i masy atomów. Średnice atomów to wielkości rzędu miliardowej części metra (10Indeks górny -9^-9 m), a ich masy stanowią niewyobrażalnie małą część grama (10Indeks górny -24^-24 g). Atomy należące do różnych pierwiastków różnią się pod względem masy i wielkości. Najlżejszy z nich, atom wodoru, ma masę około 1,66 · 10Indeks górny -24^-24 g (0,00000000000000000000000166 g), a jego promień wynosi 30 pm (0,00000000003 m). Najcięższy z istniejących na Ziemi atomów – atom uranu – ma masę 3,95 · 10Indeks górny -22^-22 g (0,000000000000000000000395 g), a jego promień równa się 138 pm (0,000000000138 m).

W codziennej pracy chemik rzadko wykorzystuje wiedzę dotyczącą wielkości atomów, natomiast częściej bierze pod uwagę ich masę. W tym wypadku posługiwanie się wielkościami, które mają małe wartości, jest bardzo niewygodne. Dokonywanie operacji matematycznych na tak małych liczbach może prowadzić do pomyłki i otrzymania niewłaściwego wyniku. Dlatego chemicy w opisie masy atomów posługują się wielkością zwaną atomową jednostką masyjednostka masy atomowejatomową jednostką masy lub unitem którą oznaczają symbolem u. Jej wartość wynosi 0,00000000000000000000000166 g (1,66 · 10Indeks górny -24^-24 g).

Masę atomu pierwiastka, którą wyrazimy za pomocą tej jednostki, nazywa się masą atomową.

Masa atomowa wodoru wynosi około 1 u, co oznacza, że rzeczywista masa atomu wodoru jest równa liczbowo jednemu unitowi, czyli 0,00000000000000000000000166 g (1,66 · 10Indeks górny -24^-24 g).

Masę cząstek subatomowych można także wyrazić w atomowych jednostkach masy. Okazuje się, że masy protonu i neutronu są równe około 1 u. Masa elektronu jest znacznie mniejsza od masy protonu i neutronu.

Podsumowanie

• Podstawowym elementem materii jest atom.

• Atom jest zbudowany z jądra i poruszających się wokół niego elektronów (ujemnie naładowanych cząstek).

• Jądro atomowe zajmuje centrum atomu i składa się z nukleonów, którymi są protony (cząstki o ładunku dodatnim) i neutrony (cząstki, które nie posiadają ładunku elektrycznego).

• W jądrze atomowym jest skupiona prawie cała masa atomu.

• Liczba elektronów i protonów w atomie jest jednakowa.

• Atomy opisuje się za pomocą liczby masowej ($\text{A}$) i liczby atomowej ($\text{Z}$) – ${}_{\text{Z}}{}^{\text{A}}\text{E}$.

• Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze atomu.

• Liczba masowa to suma liczby protonów i liczby neutronów w jądrze atomu.

• Jednostką masy atomowej jest unit [u], a jego wartość wynosi 1,66 · 10Indeks górny -24^-24 g.

Słowniczek

Zadania