Atom

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Atom
Atom hélia
Znázornění struktury atomu helia. Elektronový obal, sestávající z orbitalu 1s, je zobrazen černě, přičemž odstín vyjadřuje hustotu pravděpodobnosti (integrovanou podél přímky pohledu). Zvětšené atomové jádro je zobrazeno jen schematicky, růžově jsou zobrazeny protony a fialově neutrony. Ve skutečnosti je i jádro helia (a vlnové funkce jednotlivých nukleonů) kulově symetrické.
Zatřídění
Nejmenší část chemického prvku
Vlastnosti
Hmotnost: ≈ 1,67 × 10−27 až 4,52 × 10−25 kg
Elektrický náboj: 0 (u atomu se shodným počtem protonů a elektronů)
Průměr: 50 pm (H) až 520 pm (Cs)

Atom (z řeckého ἄτομος, átomosnedělitelný) je základní částice běžné hmoty, částice, kterou už chemickými prostředky dále nelze dělit a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z atomového jádra obsahujícího protony a neutrony a obalu obsahujícího elektrony.

Obsah

[editovat] Historický vývoj atomové teorie

První představy o atomu pochází z antického Řecka, ve kterém v 5. století př. n. l. Démokritos představil filosofickou teorii, podle které nelze hmotu dělit donekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovem ἄτομος. Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, přičemž je nelze vytvářet ani ničit.

Vědeckou formu atomové teorii poskytl na začátku 19. století John Dalton, podle kterého se každý chemický prvek skládá ze stejných atomů zvláštního typu, které nelze měnit ani ničit, ale lze je skládat do složitějších struktur (sloučenin). Na základě této teorie byl schopen vysvětlit některé otevřené otázky tehdejší chemie, např. proč při chemických reakcích reagují vždy jednoduché poměry množství příslušných látek (viz zákon násobných poměrů slučovacích).

Teorii o nedělitelných atomech však v roce 1897 vyvrátil J. J. Thomson, který při studiu katodového záření objevil elektron jako první subatomární částici. Na základě tohoto objevu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.

Tento model překonal na začátku 20. století Ernest Rutherford, který při svých pokusech dokázal, že většina hmoty a kladného náboje elektronu je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu. To ho vedlo k modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutného jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jako planety obíhají Slunce (proto se tento model nazývá též planetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je nejjednodušší, tvořené jedinou částicí, která tvoří také jádra ostatních atomů – protonem. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, který se v jádře nachází spolu s protony.

Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílat elektromagnetické záření, čímž by ztrácelo energii a ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do jader.

Tyto zásadní problémy překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích, kvantech. V roce 1913 podle této teorie vytvořil svůj model atomu Niels Bohr. Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné.

Bohrův model byl navržen ad hoc, byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomových spektrech. V některých ohledech však stále selhával.

Moderní model atomu vznikl na základě de Broglieho teorie částicových vln a následné Schrödingerovy práce, v níž představil tzv. Schrödingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod, ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnosti výskytu elektronu v různých místech prostoru. Spolu s Heisenbergovými relacemi neurčitosti to znamená, že elegantní pravidelné eliptické dráhy Bohrova modelu byly opuštěny a nahrazeny neostře definovanými oblastmi, ve kterých se elektron s jistou pravděpodobností nalézá, tzv. orbitaly. Tento model je sice hůře pochopitelný a jeho pravděpodobnostní povaha zejména zpočátku přitahovala značnou kritiku, dokáže však vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné.

[editovat] Složení atomu

Přestože podle jména je atom „nedělitelný“, ve skutečnosti jej lze rozložit na menší složky, někdy označované jako subatomární částice:

  • elektrony jsou záporně nabité částice, které se nacházejí v atomovém obalu, ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitý iont (viz ionizace)
  • ve středu atomu je atomové jádro obsahující tzv. nukleony:
    • protony jsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát větší než elektrony,
    • neutrony jsou elektricky neutrální částice, jen o trochu větší než protony.

Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou silou zprostředkovávanou fotony. Protony a neutrony v jádře jsou navzájem vázány silnou jadernou silou zprostředkovanou gluony.

Samotné protony a neutrony se ještě skládají z kvarků.

[editovat] Druhy atomů

Různé atomy se liší svým složením: počtem jednotlivých částic. Atomy různých prvků se liší svým atomovým číslem, které vyjadřuje počet protonů v jádře (např. atom se šesti protony je atomem uhlíku; počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře). Atomy jednoho prvku se mohou lišit počtem neutronů v jádře (tzv. nukleonovým číslem), čímž tvoří různé izotopy (např. atom s šesti protony a osmi neutrony je izotop uhlík 14, 14C). Pokud se z elektricky neutrálního atomu vyjme elektron (nebo se naopak do něj vloží), vznikne nabitý iont.

V přírodě se vyskytuje 92 různých druhů atomů (tedy 92 prvků). Atomy s větším počtem protonů byly vyrobeny uměle, ale jejich jádra jsou nestabilní a samovolně se radioaktivně rozpadají.

[editovat] Atomy a molekuly

V plynech, kapalinách a některých pevných látkách jsou atomy chemickými vazbami vázány do molekul. V jiných pevných látkách jsou atomy vázány přímo bez tvorby molekul. Tak vznikají krystalické látky; zvláštním případem jsou molekulární krystaly.