Budowa atomu

Czy możliwe jest, że już dwa i pół tysiąca lat temu ktoś wpadł na pomysł, że wszystko składa się z maleńkich, niepodzielnych cząstek? Choć nie mieli mikroskopów ani laboratoriów, starożytni myśliciele zaczęli snuć odważne wizje budowy materii. Z czasem, dzięki naukowcom takim jak Dalton, Thomson czy Bohr, te idee przekształciły się w coraz dokładniejsze modele atomu. Historia teorii atomistycznych to nie tylko zbiór nazwisk i dat – to opowieść o ludzkiej ciekawości, błędach, poprawkach i wielkich odkryciach, które doprowadziły nas do dzisiejszego rozumienia tego, czego nie widać gołym okiem.

Teorie atomistyczne i ich twórcy

RUYJE3FpN75qI1
Na zdjęciu ukazany jest pomnik zamyślonego, półnagiego mężczyzny. W lewej dłoni trzyma czaszkę, którą opiera na kolanie. To Demokryt medytujący nad siedzibą duszy, Leon‑Alexandre Delhomme (1868). Demokryt z Abdery (piąty–czwarty wiek przed naszą erą) – według jego teorii, elementarnymi składnikami rzeczywistości są atomy - niepodzielne cząstki materii, różniące się rozmiarami i kształtem oraz pozostające w wiecznym ruchu; ciała składają się z połączonych ze sobą atomów, a właściwości ciał zależą od rodzaju składających się na nie atomów i ich rozmieszczenia. Nie miał potwierdzenia eksperymentalnego swojej teorii. Obraz przedstawia portret M. Łomonosowa, G. Prenner (1787). To mężczyzna w peruce na głowie. Ma pulchną twarz. Patrzy w lewo. Ubrany jest bardzo wytwornie. W lewej dłoni trzyma kartkę, w prawej ptasie pióro. Michaił Łomonosow (1753) oraz Antoine Lavoisier (1777) – istotnym krokiem w kierunku nowoczesnej teorii atomistycznej było odkrycie przez nich zasady zachowania masy. Zdjęcie przedstawia pomnik Johna Daltona w ratuszu w Manchesterze, Francis Leggatt Chantrey (1837). Mężczyzna siedzi. Głowę wspiera na prawej dłoni. John Dalton (1808) – twierdził, że pierwiastki chemiczne składają się z niezliczonej liczby drobnych, niepodzielnych cząstek, czyli atomów mających określoną masę i rozmiary. Obraz przedstawia Michaela Faradaya, autorstwa Thomasa Phillipsa (1841‑1842). To młody mężczyzna. Ma gęste, falowane włosy. Ubrany jest w białą koszulę i frak. Michael Faraday (1833) – jego odkrycie zjawiska elektrolizy pozwoliło stwierdzić, że atomy lub grupy atomów mogą być obdarzone ładunkiem elektrycznym. Mogą zatem tworzyć jony. Zdjęcie przedstawia mężczyznę z średnim wieku. Ma krótkie włosy i krótko przycięte wąsy. Ubrany jest w koszulę, krawat i marynarkę. Ernest Rutherford (1911) – jako pierwszy potwierdził istnienie jądra atomowego. Zdjęcie ukazuje młodego mężczyznę w okularach siedzącego przy biurku. Mężczyzna delikatnie się uśmiecha. W dłoni trzyma narzędzie do pisania. Ubrany jest w koszulę, krawat i marynarkę. Murray Gell‑Mann i George Zweig (1964) – postawił hipotezę dotyczącą istnienia kwarków jako elementarnych składników materii.

Ostatecznie, dokładna fizyczna natura atomów wyłoniła się z serii eksperymentów przeprowadzonych w latach 1895–1915. Jednym z najbardziej wyrazistych osiągnięć był słynny eksperyment rozpraszania promieniowania alfa, przeprowadzony w 1911 roku przez Ernesta Rutherforda.

Rutherford ustalił, że prawie cała masa atomu jest zawarta w maleńkim (a zatem niezwykle gęstym) jądrze, które niesie dodatni ładunek elektryczny.

Budowa atomu

Jądro jest centralną częścią każdego atomu. Posiada ładunek dodatni.

Atom jako całość jest elektrycznie obojęny. Dodatni ładunek jądra równoważony jest przez otaczające jądro elektrony, które tworzą tzw. chmurę elektronową.

REsB9kttwzJMq
Ilustracja przedstawia okrągłe jądro atomu zbudowane z czerwonych i szarych kulek. Jądro znajduje się w centrum niebieskiego koła. Obok znajduje się wyjaśnienie: czerwone kulki to protony, szare to neutrony. Niebieskie koło to chmura elektronowa.
Atom zbudowany jest z jądra atomowego oraz otaczających go elektronów. W skład jądra atomowego wchodzą protony i neutrony.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jądro atomu zbudowane jest z protonów oraz neutronów.

Protony są nośnikami dodatniego ładunku elektrycznego w jądrze. Neutron nie zawiera ładunku elektrycznego, a jego masa jest prawie taka sama jak masa protonu.

Znajdujące się w przestrzeni wokół jądra elektrony mają ładunek ujemny. Oznacza to, że w każdym (elektrycznie obojętnym) atomie liczba protonów w jądrze (często określana jako ładunek jądrowy) jest równoważona przez tę samą liczbę elektronów poza jądrem.

W poniższej tabeli przedstawiono właściwości elektronów, protonów i neutronów.

Cząstka

Ładunek

Symbol

Masa g

Promień m

elektron

-1

e-

9,02·10-28

mniej niż 10-18

proton

+1

p+

1,67·10-24

10-15

neutron

0

n0

1,67·10-24

10-15

Czy protony i neutrony są cząstkami elementarnymi?

Cząstki elementarne to cząstki, które według współczesnej fizyki (głównie Modelu Standardowego) nie mają żadnej wewnętrznej struktury — są fundamentalnymi składnikami materii i oddziaływań. Innymi słowy, nie da się ich „rozłożyć” na mniejsze składniki (przynajmniej na obecnym poziomie wiedzy).

Protony i neutrony posiadają wewnętrzną strukturę. Nie są więc cząstkami elementarnymi. W skład każdego z nich wchodzą trzy cząstki – kwarki.

Istnieją tzw. trzy pokolenia kwarków: górne i dolne (pokolenie 1), dziwne i powabne (pokolenie 2), prawdziwe i piękne (pokolenie 3).

W skład zwykłej materii wchodzą jedynie kwarki górne i dolne. Proton złożony jest z trzech kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego, a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. Kwarki górne mają ładunek dodatni +23 ładunku protonu, a kwarki dolne ładunek ujemny -13 ładunku protonu. Inne cząstki, które zawarte są we wnętrzu protonów i neutronów, to gluony. Ich zadaniem jest utrzymywanie kwarków razem.

R17A87jtl6c7Z1
Na ilustracji znajduje się proton i neutron. Proton to dwie czerwone kulki i jedna żółta zamknięte w czerwonym okręgu. Kulka czerwona znajduje się u góry, czerwona i żółta na dole. Neutron to dwie żółte kulki i jedna czerwona zamknięte w szarym okręgu. Żółta kulka znajduje się u góry, czerwona i żółta na dole. Czerwona kulka oznacza kwark górny, żółta kulka - kwark dolny.
Proton i neutron składają się z trzech kwarków. Proton z dwóch górnych i jednego dolnego, natomiast neutron z jednego górnego i dwóch dolnych.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1Sh5x3EaS6Qt1
Symboliczne przedstawienie budowy materii. Materia (dłoń trzymająca zieloną kulę) - atom (połączone ze sobą czarne kulki, tworzące uporządkowaną strukturę) - jądro atomowe (połączone ze sobą szare i czerwone kulki, czyli neutrony i protony, otoczone chmurą elektronową) - kwarki (połączone ze sobą sprężynami trzy niebieskie kulki tworzące kształt trójkąta).
Symboliczne przedstawienie budowy materii
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1
1
Polecenie 1

Zapoznaj się z poniższym multimedium, a następnie rozwiąż ćwiczenia.

Zapoznaj się z opisami multimedium, a następnie rozwiąż ćwiczenia.

RiW59zM8OjYnL
Ilustracja interaktywna. Na ilustracji znajduje się jądro atomu zbudowane z czerwonych i szarych kulek. Jądro znajduje się w centrum niebieskiego koła. Opisano: 1. Czy wiesz, jak to możliwe, że jądro atomowe nie rozpada się, choć znajdują się w nim protony o ładunku dodatnim, które powinny odpychać się od siebie?, 2. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, trzeba przyjrzeć się bliżej budowie składników jądra atomu: protonów i neutronów. Dowiesz się, dlaczego jądro atomowe nie ulega rozpadowi, a także w jaki sposób opisuje się skład jądra atomowego.
Grafika interaktywna pt. „Jak zbudowane są protony i neutrony?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RL9jMKXOwm6uk
Na ilustracji znajduje się jądro atomu zbudowane z czerwonych i szarych kulek. Opisano: 1. Ilustracja przedstawia: indeks dolny, Z, koniec indeksu dolnego, indeks górny, A, koniec indeksu górnego, X - A zaznaczono kolorem czerwonym. Skład jądra atomowego opisuje się w sposób przedstawiony powyżej. Literą X przedstawiono symbol pierwiastka, a na czerwono zaznaczono liczbę określającą całkowitą liczbę protonów i neutronów w jądrze, zwanych razem nukleonami (w tym przypadku określono ją symbolicznie literą A). Liczbę tę nazywa się również liczbą masową, ponieważ określa ona przybliżoną masę danego atomu w unitach, czy też masę mola atomów danego pierwiastka w gramach., 2. Na ilustracji znajdują się trzy kule, połączone spiralami. Tworzą kształt trójkąta. Kule znajdują się na jego wierzchołkach. Dwie kule są u góry, jedna na dole. Kule u góry oznaczono jako u, kulę na dole oznaczono literą d. Proton zbudowany jest z trzech kwarków: dwóch kwarków górnych (u) i jednego kwarka dolnego (d). Kwarki górne i dolne należą do tak zwanego pierwszego pokolenia i są jednocześnie najlżejszymi znanymi kwarkami. Cząstki zbudowane z trzech kwarków określa się barionami., 3. Ilustracja przedstawia: indeks dolny, Z, koniec indeksu dolnego, indeks górny, A, koniec indeksu górnego, X - Z zaznaczono kolorem czerwonym. Ilość protonów w jądrze jest przedstawiana w miejscu symbolu oznaczonego na czerwono – symbolicznie oznacza się ją literą Z. Inaczej jest ona nazywana liczbą atomową, która jest własnością charakterystyczną danego pierwiastka – każdy pierwiastek posiada unikalną liczbę atomową, czyli unikalną liczbę protonów w jądrze., 4. Na ilustracji znajdują się trzy kule, połączone spiralami. Tworzą kształt trójkąta. Kule znajdują się na jego wierzchołkach. Dwie kule są na dole, jedna jest u góry. Kulę u góry oznaczono literą u, kule na dole oznaczono literą d. Neutron, podobnie jak proton, jest barionem. Jednak w odróżnieniu od protonu, neutron jest zbudowany z jednego kwarka górnego i dwóch kwarków dolnych. Z tego powodu wykazuje inne właściwości: jest nieznacznie cięższy od neutronu i nie posiada ładunku., 5. Ilustracja przedstawia: indeks dolny, Z, koniec indeksu dolnego, indeks górny, A, koniec indeksu górnego, X, pod którym jest na czerwono zapis A‑Z. Liczba neutronów w jądrze nie jest bezpośrednio podana w zapisie składu atomu, ale można ją łatwo policzyć poprzez odjęcie liczby protonów od liczby masowej danego atomu (opisane kolorem czerwonym). Warto zaznaczyć, że liczba neutronów w jądrach atomów może być różna nawet w przypadku, gdy liczba protonów jest taka sama. Oznacza to, że oba atomy są tym samym pierwiastkiem, np. węglem lub siarką, lecz ich jądra nieco różnią się masą. Takie atomy nazywa się izotopami. Więcej informacji na temat tego, czym są kwarki i jaka jest ich rola, uzyskasz w dalszej części multimedium.
Grafika interaktywna pt. „Jak zbudowane są protony i neutrony?”.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ro9mzjvyn43Hc
Ilustracja interaktywna. Na ilustracji znajdują się trzy kule, połączone spiralami. Tworzą kształt trójkąta. Kule znajdują się na jego wierzchołkach. Dwie kule są u góry, jedna na dole. Opisano: 1. Kwarki są cząstkami budującymi większe struktury, zwane hadronami, które dzielą się na bariony (złożone z trzech kwarków) i mezony (złożone z kwarka i antykwarka). Ciekawym jest, że kwarki stanowią jedynie niewielką część masy hadronu, który budują., 2. Opis dotyczy niebieskiej kuli po lewej stronie grafiki. Kwarki posiadają kilka charakterystycznych cech. Jedną z nich jest ułamkowy ładunek elektryczny równy +2/3 lub -1/3. Dodatkowo kwarki dobierają się w grupy, których ładunek wypadkowy jest liczbą całkowitą. Kolejną z cech jest posiadanie przez nie tzw. ładunku kolorowego. Trzecia cecha to tzw. zapach, który jest cechą charakterystyczną dla danej grupy kwarków, na przykład kwarki górne mają zapach górny, a kwarki dolne mają zapach dolny. Liczbą kwantową charakteryzującą kwarki jest izospin. Kwarki dzielimy na 3 kategorie: do pierwszej generacji należą kwarki górne i dolne, do drugiej kwarki dziwne i powabne, a do trzeciej kwarki prawdziwe i piękne. Jednakże kwarki drugiej i trzeciej generacji są bardzo niestabilne, przez co naturalnie obserwuje się tylko kwarki pierwszej generacji., 3. Opis dotyczy zielonej kulki po prawej stronie grafiki. Kwark górny jest najlżejszym z kwarków. Posiada ładunek elektryczny równy +2/3. Posiada izospin równy 1/2. Jest głównym składnikiem protonu, dzięki czemu wypadkowy ładunek protonu jest dodatni., 4. Opis dotyczy czerwonej kulki na dole grafiki. Kwark dolny również należy do pierwszej generacji kwarków. Jest nieznacznie cięższy od kwarku górnego, jednakże również jest stabilny. Posiada ładunek elektryczny równy -1/3. Posiada izospin -1/2.
Grafika interaktywna pt. „Jak zbudowane są protony i neutrony?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RXNjDF5VDlQo31
Ilustracja interaktywna. Na ilustracji znajdują się trzykrotnie trzy kulki połączone sprężynami, tworzą kształt trójkąta. To protony. Od pierwszego strzałka prowadzi do drugiego, a od drugiego do trzeciego. Różnią się kolejnością występowania kolorów kulek. 1. Opis dotyczy protonu zbudowanego u góry od lewej strony z czerwonej i niebieskiej kulki, na dole jest kulka czerwona. Najważniejszą cechą kwarków z punktu widzenia tworzonych przez nie cząstek jest ich ładunek kolorowy. Odpowiada on za tak zwane oddziaływania silne między kwarkami. Oddziaływania te charakteryzują się tym, że energia tworzonego przez nie układu gwałtownie rośnie w trakcie zwiększania odległości między kwarkami. Poza tym wszystkie hadrony mają ładunek kolorowy obojętny., 2. Opis dotyczy protonu zbudowanego u góry od lewej strony z niebieskiej i zielonej kulki, na dole jest kulka czerwona. Nośnikami ładunku kolorowego są gluony. Ich nazwa pochodzi od angielskiego glue, czyli „sklejać”. Kwarki nieustannie bombardują się gluonami, przez co cały czas zmieniają swój ładunek kolorowy, jednakże wypadkowy ładunek kolorowy zawsze pozostaje neutralny., 3. Opis dotyczy protonu zbudowanego z u góry od lewej strony z zielonej i czerwonej kulki, na dole jest kulka niebieska. Oddziaływania silne związane z dystrybucją gluonów pomiędzy kwarkami odpowiadają za bardzo wysoką stabilność tworzonych przez nie hadronów. Oddziaływania te nie ograniczają się tylko do hadronu, lecz również do jego otoczenia. Nazywa się je szczątkowym oddziaływaniem silnym i to właśnie ono sprawia, że jądro atomu nie rozpada się mimo dużego zagęszczenia dodatnio naładowanych protonów w jądrze atomowym.
Grafika interaktywna pt. „Jak zbudowane są protony i neutrony?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Czy wszystkie atomy są identyczne?

Nie, nie wszystkie atomy są identyczne – choć każdy atom ma podobną budowę (jądro + chmura elekrtonowa), różnią się liczbą protonów, neutronów i elektronów, a co za tym idzie – właściwościami chemicznymi i fizycznymi.

Te atomy, które mają taką samą liczbe protonów w jądrze tworzą określony pierwiastek chemiczny

Pierwiastek chemiczny

Wszystkie atomy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów w swoim jądrze. Na przykład, wszystkie atomy wodoru – gdziekolwiek we wszechświecie – mają jeden proton. Wszystkie atomy helu mają dwa protony. Wszystkie atomy tlenu mają osiem protonów.

Ważne!

Chemicy używają terminu liczba atomowa (symbol Z) w odniesieniu do liczby protonów w jądrze każdego atomu pierwiastka. Jądro atomu zawiera także neutrony. W rzeczywistości masa atomu wynika z połączonych mas jego protonów i neutronów. Dlatego liczba masowa elementu (symbol A) to całkowita liczba protonów i neutronów w jądrze jednego z jego atomów. Każdy proton lub neutron jest liczony jako jedna jednostka liczby masowej. Na przykład atom tlenu, który ma osiem protonów i osiem neutronów w swoim jądrze, ma liczbę masową 16. Atom uranu, który ma 92 protony i 146 neutronów, ma liczbę masową 238.

Informację o liczbie protonów i neutronów atomu danego pierwiastka często podsumowuje się za pomocą notacji chemicznej, którą pokazano poniżej:

Z A E

  • A – liczba masowa;

  • Z – liczba atomowa;

  • E – symbol pierwiastka.

Ćwiczenie 1
R13j4vsUhxXlV
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
Ćwiczenie 2
R1AxhIsss0fip
Wymyśl pytanie na kartkówkę związane z tematem materiału.
R721vvCpNPTvn1
Ćwiczenie 3
Określ skład jądra atomu wodoru i atomu wapnia. indeks dolny, jeden, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, H: - protony:Tu uzupełnij - neutrony: Tu uzupełnij - nukleony:Tu uzupełnij indeks dolny, dwadzieścia, koniec indeksu dolnego, indeks górny, czterdzieści, koniec indeksu górnego, C a: - protony:Tu uzupełnij - neutrony: Tu uzupełnij - nukleony:Tu uzupełnij
RDJ8JSORRVXML
Ćwiczenie 4
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.
R1GhMfOQx1Ufr2
Ćwiczenie 5
Wskaż zdania prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Protony i neutrony zbudowane są z kwarków., 2. Wszystkie kwarki posiadają taką samą masę., 3. Kwarki górne i kwarki dolne mają taki sam zapach., 4. Kwark górny posiada ładunek elektryczny równy 2/3 ładunku elementarnego., 5. Gluony są nośnikami ładunku kolorowego.
21
Ćwiczenie 6

Wskaż rolę oddziaływania silnego w utrzymywaniu stabilności jądra atomowego.

RnH1E1ZsfAjDN
Odpowiedź: (Uzupełnij).

Antymateria

Większość cząstek elementarnych posiada również swoje odpowiedniki zwane antycząstkami. Antycząstki charakteryzują się takimi samymi cechami jak cząstki, ale mają przeciwny ładunek. Antyproton posiada ładunek ujemny, a antyelektron (pozyton) ma ładunek dodatni. W pewnych warunkach istnieje możliwość laboratoryjnego wytworzenia tych cząstek. Antyprotony wraz z otaczającymi ich pozytonami tworzą tzw. antymaterię.

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Atom i cząsteczka. Wprowadzenie
Jak zbudowany jest układ okresowy