Ένας γρήγορος οδηγός για την ατομική δομή

Τα άτομα αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν. Γι' αυτό είναι σημαντικό για τους επιστήμονες να κατανοήσουν την ατομική δομή. Κάθε ον, από το μεγαλύτερο αστέρι μέχρι τον μικρότερο μονοκύτταρο οργανισμό, οφείλει την ύπαρξή του σε μια μοναδική διάταξη ατόμων. Τα άτομα είναι η μικρότερη μονάδα ύλης που δεν μπορεί να διαιρεθεί χρησιμοποιώντας καμία χημική μέθοδο.

Μπορείτε να τα σπάσετε στα υποατομικά τους σωματίδια, αλλά καλύτερα να το κάνετε με ασφάλεια. Η διάσπαση ενός ατόμου έχει ως αποτέλεσμα μια μαζική απελευθέρωση πυρηνικής ενέργειας. Τι αποτελείται από αυτά τα σωματίδια; Ας δούμε την ατομική δομή και την ιστορία του ατόμου — επιπλέον, μάθετε γιατί είναι τόσο σημαντική η κατανόηση του τι είναι αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια.

Η ιστορία του ατόμου

Οι άνθρωποι έχουν εικασίες για την προέλευση του σύμπαντος και είναι οι δομικοί λίθοι για όσο καιρό διαμορφώνουμε συνειδητές σκέψεις. Πίσω στον πέμπτο αιώνα π.Χ., δύο αρχαίοι Έλληνες επιστήμονες διατύπωσαν τη θεωρία ότι η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα δομικά στοιχεία που ονόμαζαν άτομο.

Η λέξη atomos, στην αρχαία ελληνική γλώσσα, μεταφράζεται σε «αδιαίρετο». Οι επιστήμονες δεν άρχισαν ενεργά τη θεωρία για την ατομική δομή μέχρι το 1661. Τότε ήταν που ένας Άγγλος χημικός ονόματι John Dalton δημοσίευσε το βιβλίο του, «A New System of Chemical Philosophy .» Ο Ντάλτον πιστώνεται τώρα ότι δημιούργησε την πρώτη βιώσιμη ατομική θεωρία, αν και οι άνθρωποι αγνόησαν σε μεγάλο βαθμό τις μελέτες του μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα.

Ο Dalton θεώρησε πολλά από τα πράγματα που δεχόμαστε τώρα ως αλήθεια, όπως το γεγονός ότι όλα τα άτομα ενός μόνο στοιχείου είναι πανομοιότυπα. Ακριβώς όπως οι αρχαίοι Έλληνες, ο Dalton θεώρησε επίσης ότι τα άτομα ήταν άφθαρτα — τουλάχιστον με χημικά μέσα.

Το 1934, αφού ανακάλυψε τα τρία διαφορετικά υποατομικά σωματίδια που αποτελούν κάθε άτομο, ένας Ιταλός φυσικός ονόματι Enrico Fermi χρησιμοποίησε έναν πρώιμο επιταχυντή σωματιδίων για να βομβαρδίσει άτομα με νετρόνια, δημιουργώντας ραδιενεργά ισότοπα. Τέσσερα χρόνια αργότερα, ο Otto Hahn και ο Fritz Strassmann της Γερμανίας χρησιμοποίησαν την ίδια μέθοδο για να διασπάσουν το πρώτο άτομο ουρανίου. Δημιούργησαν την πρώτη περίπτωση πυρηνικής σχάσης.

Τα υπόλοιπα είναι, όπως λένε, ιστορία. Γιατί τα νετρόνια κατέληξαν να είναι το μαγικό ραβδί όταν επρόκειτο για τη διάσπαση του ατόμου; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, πρέπει να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα τρία υποατομικά σωματίδια που αποτελούν κάθε άτομο. Η κατανόηση των μερών ενός ατόμου θα σας βοηθήσει να βρείτε τη λύση.

Θετικά πρωτόνια

Τα πρωτόνια είναι ένα από τα δύο υποατομικά σωματίδια που αποτελούν τον πυρήνα ενός ατόμου. Ο Έρνεστ Ράδερφορντ ανακάλυψε αυτά τα σωματίδια κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του σε φύλλο χρυσού το 1911. Κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος, έστειλε σωματίδια άλφα - τους πυρήνες των ατόμων ηλίου - προς λεπτά φύλλα χρυσού φύλλου.

Τα θετικά σωματίδια άλφα εκτρέπονταν, ενώ αυτά που έφεραν αρνητικό ή καθόλου φορτίο πέρασαν από μέσα. Αυτό το πείραμα επέτρεψε στον Ράδερφορντ να θεωρητικοποιήσει την ύπαρξη πρωτονίων. Ανακάλυψε επίσης ότι αυτά τα σωματίδια έχουν θετικό φορτίο.

Ουδέτερα νετρόνια

Τα νετρόνια είναι το άλλο υποατομικό σωματίδιο, εκτός από τα πρωτόνια, που βρίσκονται στον πυρήνα κάθε ατόμου. Αντί να έχουν αντίθετο φορτίο στο θετικό πρωτόνιο, τα νετρόνια δεν φέρουν καθόλου φορτίο.

Υπάρχει ένα δημοφιλές αστείο στο franchise των παιχνιδιών Fallout - ένα νετρόνιο μπαίνει σε ένα μπαρ και ρωτά τον μπάρμαν πόσο κοστίζει ένα ποτό. Ο μπάρμαν τον κοιτάζει και του λέει, "Για σένα, χωρίς χρέωση." Σταμάτα για γέλια.

Τα νετρόνια ανακαλύφθηκαν μόλις το 1932 από τον Τζέιμς Τσάντγουικ. Ανίχνευσε τα σωματίδια βομβαρδίζοντας άτομα με διεισδυτική ακτινοβολία. Η ουδέτερη φύση αυτών των σωματιδίων εξηγεί επίσης γιατί ήταν τέλεια για τη μέθοδο διαχωρισμού ατόμων του Enrico Fermi. Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, επομένως δεν απωθούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια ή αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Επομένως, μπορούν να περάσουν ανεμπόδιστα απευθείας στον πυρήνα ενός ατόμου.

Αρνητικά ηλεκτρόνια

Τα ηλεκτρόνια αντιπροσωπεύουν την παλαιότερη ανακάλυψη όταν πρόκειται για υποατομικά σωματίδια. Ο Sir John Joseph Tomson τα ανακάλυψε το 1897 κατά τη διάρκεια ενός πειράματος που αφορούσε καθοδικές ακτίνες. Κατάλαβε ότι οι καθοδικές ακτίνες που χρησιμοποιούσε είχαν αρνητικά φορτία και ότι δεν αποτελούν μέρος του πυρήνα του ατόμου.

Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε κελύφη που μπορούν να συγκρατήσουν μόνο έναν ορισμένο αριθμό σωματιδίων. Το 1913, ο Niels Bohr ανέπτυξε ένα μοντέλο του ατόμου που περιελάμβανε κελύφη ηλεκτρονίων. Συνέθεσε επίσης τη θεωρία ότι για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια από ένα εσωτερικό κέλυφος σε ένα εξωτερικό, θα πρέπει να απορροφήσουν ενέργεια. Αντίθετα, θα χρειαστεί να απελευθερώσουν ενέργεια για να πλησιάσουν τον πυρήνα.

Το εξωτερικό κέλυφος του ατόμου είναι γνωστό ως κέλυφος σθένους. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό είναι όπου τα πιο αντιδραστικά ηλεκτρόνια πρόκειται να κρέμονται έξω. Η ανταλλαγή ηλεκτρονίων μεταξύ των φλοιών σθένους είναι αυτό που δημιουργεί ατομικούς δεσμούς.

Αυτές οι πληροφορίες είναι απλώς ένα μικρό δείγμα του υποατομικού σωματιδίου που συνθέτει το σύμπαν. Αυτά τα τρία συστατικά μπορεί να αποτελούν τα άτομα με τα οποία είστε εξοικειωμένοι, αλλά υπάρχουν δεκάδες που είναι ακόμη μικρότερα. Η κατανόηση αυτών μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε το σύμπαν.

Η σημασία της ατομικής δομής

Γιατί είναι τόσο σημαντικό για τους επιστήμονες να κατανοούν τα μέρη ενός ατόμου;

Εκτός από το ότι αποτελεί τα πάντα στο σύμπαν, καθορίζει πολλά διαφορετικά πράγματα, όπως τη δύναμη σύνδεσης, τις μαγνητικές ιδιότητες, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και ακόμη και τα σημεία τήξης/βρασμού για διάφορα στοιχεία. Οι χημικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για να προβλέψουν τους ρυθμούς χημικών αντιδράσεων και προς την κατεύθυνση που θα πάει μια αντίδραση.

Οι φυσικοί χρησιμοποιούν άτομα για να παρακολουθούν το φάσμα της ακτινοβολίας για να δουν ποια στοιχεία μπορεί να είναι ασφαλή για μια δεδομένη εφαρμογή. Μπορούν επίσης να υπαγορεύσουν ποια θα ήταν επικίνδυνα χωρίς τον κατάλληλο εξοπλισμό ασφαλείας.

Είναι ουσιαστικά ο ακρογωνιαίος λίθος της χημείας, της φυσικής και όλων των συναφών κλάδων τους. Κατανοώντας πώς λειτουργούν αυτά τα στοιχεία σε ατομικό επίπεδο, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα του πώς θα αντιδράσουν σε οποιαδήποτε δεδομένη περίσταση.

Χρησιμοποιώντας τα μέρη ενός ατόμου για τη μελέτη του κόσμου μας

Τα άτομα δημιουργούν τα πάντα γύρω μας. Η κατανόηση της δομής τους και του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν είναι απαραίτητη για κάτι περισσότερο από την επιτυχία σε εξετάσεις επιστήμης στο γυμνάσιο. Αυτή η γνώση μπορεί να βοηθήσει τους χημικούς και τους φυσικούς να κατανοήσουν πώς λειτουργεί ο κόσμος στον πυρήνα του.