Atom

Atomet er den grundlæggende enhed i stoffet. Det er den mindste ting, der kan have en kemisk egenskab. Der findes mange forskellige typer af atomer, som hver har deres eget navn, deres egen atommasse og størrelse. Disse forskellige atomer kaldes kemiske grundstoffer. De kemiske grundstoffer er organiseret i det periodiske system. Eksempler på grundstoffer er brint og guld.

Atomer er meget små, men den nøjagtige størrelse afhænger af grundstoffet. Atomerne er mellem 0,1 og 0,5 nanometer brede. En nanometer er ca. 100 000 gange mindre end bredden på et menneskehår. Det gør det umuligt at se atomer uden særlige værktøjer. Forskere bruger eksperimenter til at lære, hvordan de fungerer og interagerer med andre atomer.

Atomer samles til molekyler, f.eks. to hydrogenatomer og et oxygenatom, som danner et vandmolekyle. Når atomer slutter sig sammen, kaldes det en kemisk reaktion.

Atomer består af tre slags mindre partikler, kaldet protoner (som er positivt ladede), neutroner (som ikke har nogen ladning) og elektroner (som er negativt ladede). Protonerne og neutronerne er tungere og forbliver i midten af atomet. De kaldes for kernen. De er omgivet af en sky af elektroner, som er meget lette. De tiltrækkes af kerneens positive ladning ved hjælp af den elektromagnetiske kraft.

Antallet af protoner og elektroner i et atom fortæller os, hvilket grundstof det er. Brint har f.eks. én proton og én elektron, mens svovl har 16 protoner og 16 elektroner. Antallet af protoner er atomnummeret. Bortset fra brint har kernen også neutroner. Antallet af protoner og neutroner tilsammen er atomvægten.

Atomer bevæger sig hurtigere, når de er i gasform (fordi de kan bevæge sig frit), end de gør i flydende form og i fast stof. I faste stoffer er atomerne tæt pakket ved siden af hinanden, så de vibrerer, men kan ikke bevæge sig (der er ikke plads), som atomerne i væsker gør.

Historie

Ordet "atom" kommer af græsk (ἀτόμος) "atomos", udelelig, af (ἀ)-, ikke, og τόμος, et snit. Den første historiske omtale af ordet atom stammer fra værker af den græske filosof Demokrit omkring 400 f.Kr. Atomteorien forblev som et overvejende filosofisk emne uden mange egentlige videnskabelige undersøgelser eller studier, indtil udviklingen af kemien i 1650'erne.

I 1777 definerede den franske kemiker Antoine Lavoisier for første gang begrebet grundstof. Han sagde, at et grundstof var ethvert grundstof, som ikke kunne nedbrydes til andre stoffer ved hjælp af kemiske metoder. Ethvert stof, der kunne nedbrydes, var en forbindelse.

I 1803 foreslog den engelske filosof John Dalton, at grundstofferne var små, faste kugler af atomer. Dalton mente, at alle atomer af det samme grundstof har samme masse. Han sagde, at forbindelser dannes, når atomer af mere end ét grundstof kombineres. Ifølge Dalton kombineres atomerne i en bestemt forbindelse altid på samme måde i en bestemt forbindelse.

I 1827 kiggede den britiske videnskabsmand Robert Brown på pollenkorn i vand under sit mikroskop. Pollenkornene så ud til at ryste rundt. Brown brugte Daltons atomteori til at beskrive mønstre i den måde, de bevægede sig på. Dette blev kaldt brownian bevægelse. I 1905 brugte Albert Einstein matematik til at bevise, at de tilsyneladende tilfældige bevægelser var forårsaget af atomernes reaktioner, og dermed beviste han endegyldigt atomernes eksistens. I 1869 offentliggjorde den russiske videnskabsmand Dmitri Mendelejev den første version af det periodiske system. Det periodiske system grupperer grundstofferne efter deres atomnummer (hvor mange protoner de har). Dette er normalt det samme som antallet af elektroner). Grundstoffer i samme kolonne, eller periode, har normalt ens egenskaber. F.eks. er helium, neon, argon, krypton og xenon alle i samme kolonne og har meget ensartede egenskaber. Alle disse grundstoffer er gasser, som ikke har nogen farve og ikke lugter. De er heller ikke i stand til at kombinere sig med andre atomer for at danne forbindelser. Sammen er de kendt som ædelgasserne.

Fysikeren J.J. Thomson var den første, der opdagede elektroner. Det skete, mens han arbejdede med katodestråler i 1897. Han opdagede, at de havde en negativ ladning i modsætning til protoner (positive) og neutroner (ingen ladning). Thomson skabte plum pudding-modellen, som fastslog, at et atom var som plum pudding: den tørrede frugt (elektroner) sad fast i en masse af budding (protoner). I 1909 brugte en videnskabsmand ved navn Ernest Rutherford Geiger-Marsden-eksperimentet til at bevise, at det meste af et atom befinder sig i et meget lille rum kaldet atomkernen. Rutherford tog en fotoplade og dækkede den med guldfolie og skød derefter alfapartikler (bestående af to protoner og to neutroner, der sidder fast sammen) mod den. Mange af partiklerne gik gennem guldfolien, hvilket beviste, at atomerne for det meste er tomt rum. Elektroner er så små, at de kun udgør 1 % af et atoms masse.

I 1913 introducerede Niels Bohr Bohr-modellen. Denne model viste, at elektronerne bevæger sig rundt om kernen i faste cirkulære baner. Den var mere præcis end Rutherford-modellen. Den var dog stadig ikke helt korrekt. Bohr-modellen er blevet forbedret, siden den blev introduceret første gang.

I 1925 fandt kemiker Frederick Soddy ud af, at nogle grundstoffer i det periodiske system havde mere end én slags atom. For eksempel skulle ethvert atom med 2 protoner være et heliumatom. Normalt indeholder en heliumkerne også to neutroner. Nogle heliumatomer har dog kun én neutron. Det betyder, at de virkelig er helium, fordi et grundstof er defineret ved antallet af protoner, men de er heller ikke normalt helium. Soddy kaldte et atom som dette, med et andet antal neutroner, for en isotop. For at få navnet på isotopen ser vi på, hvor mange protoner og neutroner den har i sin kerne, og tilføjer dette til grundstoffets navn. Så et heliumatom med to protoner og en neutron hedder helium-3, og et kulstofatom med seks protoner og seks neutroner hedder kulstof-12. Da Soddy udviklede sin teori, kunne han imidlertid ikke være sikker på, at neutroner faktisk eksisterede. For at bevise, at de fandtes, skabte fysikeren James Chadwick og et hold af andre fysikere massespektrometeret. Massespektrometeret måler faktisk massen og vægten af de enkelte atomer. Ved at gøre dette beviste Chadwick, at der må eksistere neutroner for at udgøre hele atomets vægt.

I 1937 blev den tyske kemiker Otto Hahn den første person, der skabte kernespaltning i et laboratorium. Han opdagede dette ved et tilfælde, da han skød neutroner mod et uranatom i håb om at skabe en ny isotop. Han bemærkede imidlertid, at i stedet for en ny isotop ændrede uranen sig blot til et bariumatom, som er et mindre atom end uran. Hahn havde tilsyneladende "knækket" uranatomet. Dette var verdens første registrerede kernespaltningsreaktion. Denne opdagelse førte i sidste ende til skabelsen af atombomben.

Længere inde i det 20. århundrede gik fysikerne dybere ind i atomets mysterier. Ved hjælp af partikelacceleratorer opdagede de, at protoner og neutroner faktisk var lavet af andre partikler, kaldet kvarker.

Den hidtil mest præcise model stammer fra Schrödinger-ligningen. Schrödinger indså, at elektronerne findes i en sky omkring kernen, kaldet elektronskyen. I elektronskyen er det umuligt at vide præcis, hvor elektronerne befinder sig. Schrödinger-ligningen bruges til at finde ud af, hvor en elektron sandsynligvis vil være. Dette område kaldes elektronens omløbsbane.

Ernest RutherfordZoom
Ernest Rutherford

Opbygning og dele

Dele

Det komplekse atom består af tre hovedpartikler: proton, neutron og elektron. Isotopen hydrogen Hydrogen-1 har ingen neutroner, kun en proton og en elektron. En positiv brintion har ingen elektroner, kun den ene proton og den ene neutron. Disse to eksempler er de eneste kendte undtagelser fra reglen om, at alle andre atomer har mindst én proton, én neutron og én elektron hver.

Elektroner er langt den mindste af de tre atomare partikler, og deres masse og størrelse er for lille til at kunne måles med den nuværende teknologi. De har en negativ ladning. Protoner og neutroner har samme størrelse og vægt som hinanden, protoner er positivt ladede, og neutroner har ingen ladning. De fleste atomer har en neutral ladning; da antallet af protoner (positive) og elektroner (negative) er det samme, balancerer ladningerne til nul. I ioner (forskelligt antal elektroner) er dette dog ikke altid tilfældet, og de kan have en positiv eller negativ ladning. Protoner og neutroner består af kvarker af to typer: opadgående kvarker og nedadgående kvarker. En proton består af to op-kvarker og en ned-kvark, og en neutron består af to ned-kvarker og en op-kvark.

Nucleus

Atomkernen befinder sig i midten af et atom. Den består af protoner og neutroner. I naturen er det normalt sådan, at to ting med samme ladning frastøder hinanden eller skyder væk fra hinanden. Så i lang tid var det et mysterium for forskerne, hvordan de positivt ladede protoner i kernen kunne holde sammen. De løste dette problem ved at finde en partikel, der kaldes en gluon. Dens navn kommer af ordet lim, da gluoner fungerer som atomlim og holder protonerne sammen ved hjælp af den stærke kernekraft. Det er denne kraft, der også holder kvarkerne sammen, som udgør protonerne og neutronerne.

Antallet af neutroner i forhold til antallet af protoner er afgørende for, om kernen er stabil eller om den radioaktivt henfalder. Når der er for mange neutroner eller protoner, forsøger atomet at gøre tallene ens ved at skille sig af med de ekstra partikler. Det gør det ved at udsende stråling i form af alfa-, beta- eller gammahenfald. Atomkerner kan også ændre sig på andre måder. Ved kernespaltning spaltes kernen i to mindre kerner, hvorved der frigives en masse oplagret energi. Det er denne frigivelse af energi, der gør kernespaltning nyttig til fremstilling af bomber og elektricitet i form af kernekraft. Den anden måde, kerner kan ændre sig på, er ved kernefusion, når to kerner smelter sammen eller smelter sammen til en tungere kerne. Denne proces kræver ekstreme mængder energi for at overvinde den elektrostatiske frastødning mellem protonerne, da de har samme ladning. Sådanne høje energier er mest almindelige i stjerner som vores sol, der smelter brint til brændstof.

Elektroner

Elektroner kredser om kernen, eller bevæger sig rundt om den. De kaldes atomets elektronsky. De tiltrækkes mod kernen på grund af den elektromagnetiskekraft. Elektroner har en negativ ladning, og kernen har altid en positiv ladning, så de tiltrækkes af hinanden. Rundt om kernen er nogle elektroner længere ude end andre, i forskellige lag. Disse kaldes elektronskaller. I de fleste atomer har den første skal to elektroner, og alle de efterfølgende har otte elektroner. Undtagelser er sjældne, men de forekommer og er svære at forudsige. Jo længere væk elektronen er fra kernen, jo svagere er kernen tiltrækningskraft på den. Det er derfor, at større atomer med flere elektroner reagerer lettere med andre atomer. Atomkernens elektromagnetisme er ikke stærk nok til at holde fast i deres elektroner, og atomerne mister elektroner til den stærke tiltrækning fra mindre atomer.

Et diagram, der viser den største vanskelighed ved kernefusion, nemlig at protoner, som har positive ladninger, frastøder hinanden, når de tvinges sammen.Zoom
Et diagram, der viser den største vanskelighed ved kernefusion, nemlig at protoner, som har positive ladninger, frastøder hinanden, når de tvinges sammen.

Radioaktivt henfald

Nogle grundstoffer og mange isotoper har det, der kaldes en ustabil kerne. Det betyder, at kernen enten er for stor til at holde sammen på sig selv eller har for mange protoner eller neutroner. Når dette sker, skal kernen skille sig af med den overskydende masse eller de overskydende partikler. Det gør den ved hjælp af stråling. Et atom, der gør dette, kan kaldes radioaktivt. Ustabile atomer fortsætter med at være radioaktive, indtil de mister nok masse/partikler til at blive stabile. Alle atomer over atomnummer 82 (82 protoner, bly) er radioaktive.

Der er tre hovedtyper af radioaktivt henfald: alfa, beta og gamma.

  • Ved alfatiske henfald udsender et atom en partikel med to protoner og to neutroner. Dette er i princippet en heliumkerne. Resultatet er et grundstof med et atomnummer to mindre end tidligere. Så hvis et berylliumatom (atomnummer 4) f.eks. gennemgik alfahenfald, ville det blive til helium (atomnummer 2). Alfaforfald sker, når et atom er for stort og har brug for at slippe af med noget masse.
  • Beta-fald er, når en neutron bliver til en proton eller en proton bliver til en neutron. I det første tilfælde skyder atomet en elektron ud. I det andet tilfælde er det en positron (som en elektron, men med en positiv ladning). Slutresultatet er et grundstof med et højere eller et lavere atomnummer end før. Beta-henfald sker, når et atom enten har for mange protoner eller for mange neutroner.
  • Gammahenfald er, når et atom udsender en gammastråle eller en bølge. Det sker, når der sker en ændring i kerneenergien i kernen. Dette sker normalt efter at en kerne allerede har gennemgået alfa- eller beta-henfald. Der sker ingen ændring i atomets masse eller atomnummer, men kun i den lagrede energi i kernen.

Alle radioaktive grundstoffer eller isotoper har en såkaldt halveringstid. Det er den tid, det tager halvdelen af en prøve af atomer af den pågældende type at henfalde, indtil de bliver til en anden stabil isotop eller et andet stabilt grundstof. Store atomer eller isotoper med en stor forskel mellem antallet af protoner og neutroner vil derfor have en lang halveringstid, fordi de skal miste flere neutroner for at blive stabile.

Marie Curie opdagede den første form for stråling. Hun fandt grundstoffet og gav det navnet radium. Hun var også den første kvindelige modtager af Nobelprisen.

Frederick Soddy gennemførte et eksperiment for at observere, hvad der sker, når radium henfalder. Han anbragte en prøve i en pære og ventede på, at den skulle henfalde. Pludselig dukkede der helium (der indeholder 2 protoner og 2 neutroner) op i pæren, og ved hjælp af dette eksperiment opdagede han, at denne type stråling har en positiv ladning.

James Chadwick opdagede neutronen ved at observere henfaldsprodukter fra forskellige typer radioaktive isotoper. Chadwick bemærkede, at grundstoffernes atomnummer var lavere end atomets samlede atommasse. Han konkluderede, at elektroner ikke kunne være årsag til den ekstra masse, fordi de knap nok har masse.

Enrico Fermi, brugte neutronerne til at skyde dem mod uran. Han opdagede, at uran henfaldt meget hurtigere end normalt og producerede en masse alfa- og betapartikler. Han mente også, at uran blev ændret til et nyt grundstof, som han kaldte hesperium.

Otto Hanh og Fritz Strassmann gentog Fermis eksperiment for at se, om det nye grundstof hesperium faktisk blev skabt. De opdagede to nye ting, som Fermi ikke havde observeret. Ved at bruge mange neutroner ville atomets kerne blive splittet, hvilket producerede en masse varmeenergi. Desuden havde man allerede opdaget urans spaltningsprodukter: thorium, palladium, radium, radon og bly.

Fermi bemærkede derefter, at spaltning af et uranatom affødte flere neutroner, som derefter spaltede andre atomer og skabte kædereaktioner. Han indså, at denne proces kaldes kernespaltning og kunne skabe enorme mængder varmeenergi.

Netop denne Fermis opdagelse førte til udviklingen af den første atombombe med kodenavnet "Trinity".

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er et atom?
A: Et atom er den mest grundlæggende enhed af stof. Det er den mindste stofenhed, der kan kombineres med andre atomer for at danne molekyler og mere komplekse stoffer, der har specifikke kemiske egenskaber.

Spørgsmål: Hvor store er atomer?
A: Atomer er meget små, fra 0,1 til 0,5 nanometer, hvilket er ca. 100.000 gange mindre end bredden af et menneskehår.

Spørgsmål: Hvilke tre typer subatomare partikler udgør et atom?
Svar: De tre typer subatomare partikler, der udgør et atom, er protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner er tungere og befinder sig i kernen, mens elektroner er lettere og tiltrækkes til kernen af elektromagnetisk kraft på grund af deres modsatte elektriske ladninger.

Spørgsmål: Hvor mange grundstoffer findes naturligt i verden?
Svar: Der findes ca. 92 grundstoffer naturligt i verden.

Spørgsmål: Hvad sker der, når et atom har flere eller færre elektroner end protoner?
Svar: Hvis et atom har flere eller færre elektroner end protoner, kaldes det en ion og har en elektrisk ladning.
Spørgsmål: Hvilken type ændringer sker der, hvis kræfterne i atomerne bliver for svage til at holde dem sammen?

Svar: Hvis kræfterne inden i atomerne bliver for svage til at holde dem sammen, kan de ændres til en anden type atom eller helt ødelægges; denne proces studeres i kernefysikken.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2022 - License CC3