atom - Atom


z Wikipedie, otevřené encyklopedie

helium atom
Hélium atom základního stavu.
Ilustrace hélia atom, zachycující jádro (růžový) a elektronový oblak rozdělení (černá). Jádro (vpravo nahoře), v helium-4 je ve skutečnosti sféricky symetrický a podobá elektronový oblak, i když pro složitější jádra toto není vždy ten případ. Černý pruh je angstromů ( 10 -10  m nebo 100  pm ).
Klasifikace
Nejmenší rozpoznán rozdělení chemický prvek
vlastnosti
hmotnostní rozsah 1,67 x 10 -274,52 x 10 -25  kg
elektrický náboj nula (neutrální), nebo iontové náboje
průměr rozsah 62 pm ( Ten ) až 520 hod ( Cs ) ( údaje strana )
součásti Elektrony a kompaktní jádro z protonů a neutronů

Atom je nejmenší složka jednotka obyčejné hmoty , která má vlastnosti chemického prvku . Každá pevná látka , kapalina , plyn , a plazma se skládá z neutrálních nebo ionizovaných atomů. Atomy jsou velmi malé; Typické rozměry jsou zhruba 100  picometers (deset miliardtina metru, v krátkodobém měřítku ).

Atomy jsou dostatečně malé , aby se snaží předpovědět jejich chování pomocí klasické fyziky - jako kdyby byly kulečníkové koule , například - dává výrazně nesprávné předpovědi v důsledku kvantových efektů . Prostřednictvím rozvoje fyziky, atomové modely byly začleněny kvantových principů lépe vysvětlit a předvídat toto chování.

Každý atom se skládá z jádra a jedné nebo více elektronů vázaných k jádru. Jádro je vyrobeno z jednoho nebo více protonů a typicky podobné množství neutronů . Protony a neutrony se nazývají nukleony . Více než 99,94% atomu je hmota je v jádru. Protony mají kladný elektrický náboj , elektrony mají záporný elektrický náboj a neutrony nemají žádný elektrický náboj. Pokud je počet protonů a elektrony jsou stejné, že atom je elektricky neutrální. Jestliže atom méně nebo více elektronů než protonů, pak to má celkový záporný nebo kladný náboj, v tomto pořadí, a to se nazývá iont .

Elektrony atomu jsou přitahovány k protonů v atomovém jádru této elektromagnetické síly . Protony a neutrony v jádru jsou přitahovány k sobě jinou silou, nukleární síly , která je obvykle silnější než elektromagnetické síly odpuzující kladně nabité protony od sebe navzájem. Za určitých okolností je odpudivá elektromagnetická síla je silnější, než je nukleární síly, a nukleony lze vysunout z jádra a zanechá jiným prvkem: jaderný rozpad vede k jaderné přeměny .

Počet protonů v jádře určuje do jaké chemického prvku atom patří: například všechny mědi atomy obsahovat 29 protonů. Počet neutronů určuje izotop prvku. Počet elektronů ovlivňuje magnetické vlastnosti atomu. Atomy mohou připojit k jedné nebo více dalších atomů od chemických vazeb za vzniku chemické sloučeniny, jako jsou molekuly . Schopnost atomů asociovat a oddělit je zodpovědný za většinu fyzických změn pozorovaných v přírodě a je předmětem disciplíny chemie .

Historie atomové teorie

Atomy v filosofii

Představa, že hmota se skládá z diskrétních jednotek je velmi stará myšlenka, objevit se v mnoha starověkých kulturách, jako je Řecko a Indie. Slovo "atom" ( Řek : ἄτομος , Atomos ), což znamená "uncuttable", byl vytvořen na starověkých řeckých filozofů Leucippus a jeho žák Democritus ( c. 460 - c. 370 př.nl). Democritus učil, že jsou atomy nekonečný počet, uncreated a věčný, a že vlastnosti jako výsledek objektu z druhu atomů, které ji tvoří. Democritus je atomismus byl rafinovaný a vypracoval pozdější filozof Epicurus (341-270 BC). Během raného středověku , atomismus byl většinou zapomenut v západní Evropě, ale přežil mezi některými skupinami islámských filozofů. Během dvanáctého století, atomismus stal opět známý v západní Evropě prostřednictvím odkazů na něj v nově objevovaných spisech Aristotela .

Ve čtrnáctém století, znovuobjevení velkých děl popisující atomisty učení, včetně Lucretius 's De rerum natura a Díogenés Laertios lidové životy a názory významných filozofů , vedlo ke zvýšené vědecké pozornosti na toto téma. Nicméně, protože atomismus bylo spojeno s filozofií Epicureanism , která odporovala ortodoxní křesťanské učení, víra v atomech nebyl považován za přijatelný. Francouzský katolický kněz Pierre Gassendi (1592-1655) oživil Epicurean atomismus s úpravami, argumentovat, že atomy byly vytvořeny bohem, a přestože nesmírně mnoho, nejsou neomezené. Gassendi modifikované teorie atomů byl propagován ve Francii lékaře François Bernier (1620-1688) a v Anglii přirozeným filozof Walter Charleton (1619-1707). Chemik Robert Boyle (1627-1691) a fyzik Isaac Newton (1642-1727) oba bránil atomismus a do konce sedmnáctého století, to se stalo přijat části vědecké komunity.

První důkazy založené na teorii

Různé atomy a molekuly, jak je znázorněno v John Dalton je nový systém filozofie chemikálie (1808).

Na počátku roku 1800, John Dalton používá pojem atomů vysvětlit, proč prvky vždy reagovat v poměru malých celých čísel (dále zákon více rozměrů ). Například, existují dva typy oxidu cínu : jedním z nich je 88,1% cínu a 11,9% kyslíku a druhý je 78,7% cínu a 21,3% kyslíku ( cínu (II), oxidu a oxidu cíničitého v tomto pořadí). To znamená, že 100 gramů cínu bude kombinovat buď s 13,5 g nebo 27g kyslíku. 13,5 a 27 tvoří v poměru 1: 2, a to v poměru malých celých čísel. Tento společný vzorec v chemii navrhl Dalton, že prvky reagují v násobcích diskrétní jednotky - jinými slovy, atomů. V případě oxidů cínu, bude jeden atom cínu, v kombinaci s jedním nebo dvěma atomy kyslíku.

Dalton také věřil atomová teorie mohla vysvětlit, proč voda absorbuje různých plynů v různých poměrech. Například, když zjistil, že voda absorbuje oxid uhličitý mnohem lépe než pohlcuje dusík . Dalton předpokládal, to v důsledku rozdílů mezi hmotností a konfigurací příslušných částic se plyny, a molekul oxidu uhličitého (CO 2 ), jsou těžší a větší než molekuly dusíku (N 2 ).

Brownův pohyb

V roce 1827, botanik Robert Brown používá mikroskop, aby se podívat na prachových zrn plovoucí ve vodě, a zjistil, že se pohybovali chaoticky, což je jev, který se stal známý jako „ Brownova pohybu “. To byla myšlenka být způsoben molekulami vody klepe zrna o. V roce 1905 Albert Einstein ukázal realitu těchto molekul a jejich pohyby tím, že produkuje první statistické fyziky analýzu Brownova pohybu . Francouzský fyzik Jean Perrin používá Einstein práci experimentálně určit hmotnost a rozměry atomů, a tím jednoznačně ověření Daltonova atomovou teorii .

Objev elektronu

Rutherfordův experiment
Vrchol: Očekávané výsledky: alfa částice procházející pudinku modelu švestkovou atomu se zanedbatelným vychýlení.
Spodní: Pozorované výsledky: malá část částic se vychýlí koncentrované kladným nábojem jádra.

Fyzik JJ Thomson změřili množství katodových paprsků , ukazující byly z částic, ale bylo asi 1800 krát lehčí než nejlehčí atom, vodíku . Z tohoto důvodu nebyli atomy, ale nová částice, první subatomární částice, aby se objevil, který se původně jmenoval „ krvinka “, ale později byla pojmenována elektron po částic postulovala George Johnstone Stoney v roce 1874. On také ukázal, že jsou totožné s částice vydávané fotoelektrickými a radioaktivní materiály. To bylo rychle rozpoznal, že se částice, které nesou elektrické proudy v kovových drátů, a nesou záporný elektrický náboj uvnitř atomů. Thomson dostal 1906 Nobelovu cenu za fyziku pro tuto práci. Tak se převrátil přesvědčení že atomy jsou nedělitelných a konečné částice hmoty. Thomson také nesprávně předpokládal, že nízká hmotnost, záporně nabité elektrony byly distribuovány v celém atomu v jednotném moři kladného náboje. To se stal známý jako modelu švestka pudinku .

Objev jádra

V roce 1909, Hans Geiger a Ernest Marsden , pod vedením Ernest Rutherford , bombardoval kovovou fólii s částicemi alfa pozorovat, jak jsou rozptýlené. Očekávali, že všechny částice alfa projít rovně přes s malou deformací, protože Thomsonova modelu řekl, že obvinění v atomu jsou tak rozptýlené, že jejich elektrické pole nemohly ovlivnit částice alfa moc. Nicméně, Geiger a Marsden tečkovaný alfa částice jsou vychýleny o úhel větší než 90 °, což se předpokládalo, že je nemožné podle Thomson modelu. Chcete-li to vysvětlit, Rutherford navrženo, že kladný náboj atomu se zahustí na malý jádra ve středu atomu.

Objev izotopů

Zatímco experimentuje s produkty radioaktivního rozpadu v roce 1913 radiochemist Frederick Soddy zjistil, že se zdálo, že více než jeden typ atomu v každé poloze v periodické tabulce . Termín izotop byl vytvořen Margaret Todd jako vhodný název pro různé atomů, které patří do stejného prvku. JJ Thomson vytvořil techniku pro separaci izotopů přes jeho práci na ionizovaných plynů , které následně vedly k objevu stabilních izotopů .

Bohr modelu

Bohr model atomu, s elektron dělat okamžitých „skoky“ z jedné oběžné dráhy na druhou. Tento model je zastaralá.

V roce 1913 fyzik Niels Bohr navrhl model, ve kterém se předpokládá, že elektrony atomu obíhat okolo jádra, ale může činit pouze konečné množiny drah, a mohl skočit mezi těmito drahách jen v diskrétních změn energie odpovídající absorpci nebo záření fotonu. Tento kvantování byla použita k vysvětlení, proč elektrony oběžné dráhy jsou stabilní (vzhledem k tomu, že za normálních okolností, poplatky v zrychlení, včetně kruhového pohybu, ztrácejí kinetickou energii, které jsou vypouštěny jako elektromagnetické záření, viz synchrotronové záření ), a proto prvky absorbují a vyzařují elektromagnetické záření v diskrétní spekter ,

Později ve stejném roce Henry Moseley poskytla dodatečné experimentální důkaz ve prospěch Nielse Bohra teorie . Z těchto výsledků rafinovaný Ernest Rutherford je i Antonius Van den Broek je model, který navrhoval, že atom obsahuje v jádru řadu pozitivních jaderných poplatků , která se rovná jeho (atomové číslo) v periodické tabulce. Až do těchto experimentech, atomové číslo se není známo, že se fyzikální a experimentální množství. Která se rovná atomové jaderné poplatku zůstává přijat atomové modelu dnes.

Chemická vazba je vysvětleno

Chemické vazby mezi atomy byly nyní vysvětleno, podle Gilbert Newton Lewis v roce 1916, jak interakce mezi které je tvoří elektrony. Vzhledem k tomu, chemické vlastnosti byly známy z prvků, které mají z velké části se opakují v závislosti na periodický zákon , v roce 1919 americký chemik Irving Langmuir navrhl, že by to mohlo být vysvětleno, pokud byly spojeny nebo seskupeny nějakým způsobem elektrony v atomu. Skupiny elektronů byly myšlenka obsadit soustavu elektronových vrstev kolem jádra.

Další vývoj v oblasti kvantové fyziky

Stern-Gerlach experiment z roku 1922 za předpokladu, další důkaz o kvantové povaze atomových vlastností. Když paprsek stříbrných atomů se nechá projít speciálně tvarovaného magnetického pole, paprsek se rozdělí způsobem koreluje se směrem momentu hybnosti atomu je, nebo rotace . Vzhledem k tomu, směr rotace je zpočátku náhodný, paprsek by se dalo očekávat pro vychylování v náhodném směru. Místo toho, paprsek byl rozdělen do dvou směrových složek, odpovídající atomovému spinu je orientována směrem nahoru nebo dolů vzhledem k magnetickému poli.

V roce 1925 Werner Heisenberg vydával první důsledné matematické vyjadřování kvantové mechaniky ( Matrix mechanika ). O rok dříve, v roce 1924 Louis de Broglie navrhl, že všechny částice chovat v takové míře, jako vlnách a v roce 1926, Erwin Schrödinger používají tuto myšlenku vyvinout matematický model atomu (vlnová mechanika), který popisoval elektrony jako tří- trojrozměrné křivky spíše než bod částic.

Důsledkem použití křivky k popisu částic je, že je matematicky možné získat přesné hodnoty pro obě polohy a hybnosti částečky v daném okamžiku; Tento stal se známý jako princip neurčitosti , formulovaný Werner Heisenberg v roce 1927. V tomto pojetí je pro dané přesnosti měření polohy by se dalo získat pouze rozsah pravděpodobných hodnot hybnosti, a vice versa. Tento model byl schopen vysvětlit pozorování atomové chování, které předchozí modely nemohl, jako jsou některé strukturální a spektrální vzory atomů větší než vodík. Tak, planetární model atomu byl odstraněn ve prospěch jednoho, který je popsán atomový okružní pásem kolem jádra, kde je s největší pravděpodobností dodržovat daná elektronů.

Objev neutronu

Vývoj hmotnostního spektrometru povolené hmotnosti atomů, které mají být měřeny se zvýšenou přesností. Zařízení používá magnet ohnout dráhu svazku iontů, a množství průhybu je určen poměrem hmotnosti atomu je k jeho ceně. Chemik Francis William Aston používá tento nástroj k prokázání, že izotopy měly různé masy. Atomová hmotnost těchto izotopů měnit celé číslo množstvích, nazvaný pravidlo celý číslo . Vysvětlení těchto různých izotopů očekávaný objev neutronu , nenabitý částice s hmotností podobná protonu , a fyzik James Chadwick v roce 1932. izotopů pak byly vysvětleny jako prvky se stejným počtem protonů, ale různý počet neutronů uvnitř jádra.

Štěpení, fyzika vysokých energií a kondenzovaných látek

V roce 1938 německý chemik Otto Hahn , student Rutherford, režie neutrony do atomu uranu, kteří očekávají získat transuranium prvky . Místo toho, jeho chemické pokusy ukázaly, baryum jako produkt. O rok později, Lise Meitner a její synovec Otto Frisch ověřeno že Hahn výsledkem byly první experimentální jaderné štěpení . V roce 1944, Hahn obdržel Nobelovu cenu v chemii. Navzdory snahám Hahn, příspěvky Meitner a Frisch nebyly rozpoznány.

V roce 1950, vývoj zlepšených urychlovače částic a detektory částic nechá vědce studovat dopady atomů pohyblivé při vysokých energiích. Bylo zjištěno, neutrony a protony být hadrony , nebo kompozity z menších částic, tzv kvarky . Standardní model částicové fyziky byl vyvinut, že dosud úspěšně vysvětleno vlastnosti jádra z hlediska těchto dílčích atomových částic a sil, které se pojí s jejich interakce.

Struktura

Subatomární částice

Ačkoli slovo atom původně označený částice, které nelze snížit na menší částice, v moderní vědecké použití atom se skládá z různých elementárních částic . Tvořící částice atomu jsou elektron se proton a neutron ; všechny tři jsou fermiony . Nicméně, vodík-1 atom nemá žádné neutrony a Hydron ion nemá žádné elektrony.

Elektron je zdaleka nejméně masivní těchto částic na 9,11 x 10 -31  kg , s negativním elektrickým nábojem a velikosti, který je příliš malý, aby se měří s použitím dostupných technik. To bylo nejlehčí částice s kladným klidová hmotnost měřená, až do objevu neutrin hmoty. Za běžných podmínek, elektrony jsou vázány na kladně nabité jádro přitažlivostí vytvořené z protějších elektrických nábojů. Jestliže atom méně nebo více elektronů než jeho atomové číslo, pak se stává v tomto pořadí záporně nebo kladně nabitý, jako celek; nabitý atom se nazývá iont . Elektrony jsou známy již od konce 19.století, většinou díky JJ Thomson ; zobrazit historii subatomární fyziky pro podrobnosti.

Protony mají kladný náboj a hmotnost 1,836 krát elektronu, v 1.6726 x 10 -27  kg . Počet protonů v atomu se nazývá jeho atomové číslo . Ernest Rutherford (1919) pozorovali, že dusík v bombardování částice alfa vysune, co se zdá být jádra vodíku. Od roku 1920 se připustila, že jádro vodíku je zřetelným částice v atomu a pojmenoval jej proton .

Neutrony nemají žádný elektrický náboj a mají volný hmotnost 1839 násobek hmotnosti elektronu nebo 1.6929 x 10 -27  kg , nejtěžší ze tří základních částic, ale může být snížena o vazebné energie jaderné . Neutrony a protony (souhrnně označované jako nukleony ) srovnatelnými rozměry-v řádu 2,5 x 10 -15  m -although dále jen ‚povrch‘ těchto částic není ostře definován. Neutron byl objeven v roce 1932 anglický fyzik James Chadwick .

Ve standardním modelu fyziky, elektrony jsou skutečně elementární částice bez vnitřní strukturou. Nicméně, oba protony a neutrony jsou složené částice složené z elementárních částic nazývaných kvarky . K dispozici jsou dva typy kvarků ve atomů, z nichž každý má frakční elektrický náboj. Protony se skládá ze dvou do kvarků (z nichž každý má náboj + 2 / 3 ) a jeden se tvarohové (s poplatkem - 1 / 3 ). Neutrony se skládají z jedné kvark u a dva kvarky dolů. Tento rozdíl odpovídá rozdílu hmotnosti a náboje mezi dvěma částicemi.

Kvarky jsou drženy pohromadě v silné interakce (nebo silné interakce), který je zprostředkovaný gluony . Tyto protony a neutrony, podle pořadí, jsou drženy k sobě navzájem v jádru u nukleární síly , která je rezidua silného síly, která má poněkud odlišné dělené vlastnosti (viz článek o jaderné síly pro více). Gluonu je členem rodiny bosons měřidla , které jsou elementární částice, které zprostředkovávají fyzikální síly.

Jádro

Vazebná energie potřebná pro nukleona uniknout jádro, pro různé izotopy

Všechny vázané protony a neutrony v atomu tvoří malou atomové jádro , a se souhrnně nazývají nukleony . Poloměr jádra je přibližně rovna 1,07  3A  FM , kde je celkový počet nukleonů. To je mnohem menší, než je poloměr atomu, která je v řádu 10 5  FM. Nukleony jsou vázány dohromady prostřednictvím krátkým pohybovala atraktivní potenciál se nazývá zbytková velká síla . Ve vzdálenosti menší než 2,5 fm tato síla je mnohem silnější, než je elektrostatické síly , která způsobí, že kladně nabité protony se navzájem odpuzují.

Atomy téhož prvku mají stejný počet protonů, volal atomové číslo . V rámci jednoho prvku, přičemž počet neutronů se může lišit, určení izotop daného prvku. Celkový počet protonů a neutronů určují nuklid . Počet neutronů vzhledem k protonům určuje stabilitu jádra, s určitými izotopy podstupujících radioaktivní rozpad .

Proton, elektron a neutron jsou klasifikovány jako fermiony . Fermions poslouchat Pauli vyloučení princip která zakazuje identické fermiony, například více protonů, z zabírat stejný kvantový stav ve stejnou dobu. Tak, každý proton v jádře musí zaujímat kvantový stav odlišný od všech ostatních protonů, a totéž platí pro všechny neutrony v jádře a na všechny elektrony elektronového oblaku.

Jádro, které má jiný počet protonů než neutronů může potenciálně klesnout do stavu s nižší energií prostřednictvím radioaktivním rozpadem, který způsobuje počet protonů a neutronů, aby přesněji odpovídaly. Výsledkem je, že atomy se odpovídající počet protonů a neutronů jsou stabilnější vůči rozkladu. Nicméně, s rostoucím atomovým číslem, vzájemné odpuzování protonů vyžaduje větší podíl neutronů k udržení stability jádra, která mírně modifikuje tento trend stejný počet protonů na neutrony.

Ilustrace procesu jaderné fúze, která tvoří jádro deuteria, skládající se z a protonu neutronu, ze dvou protonů. Pozitron (e + ) -an antihmoty elektronů je vysílán společně s elektronovým neutrin .

Celkový počet protonů a neutronů v atomovém jádru může být modifikována, i když to může vyžadovat velmi vysoké energie z důvodu silné interakce. Jaderná fúze dochází při více atomové částice spolu tvořit těžší jádro, jako je například prostřednictvím energetické srážce dvou jader. Například, v jádru protonů Sun vyžaduje energii 3-10 keV překonat jejich vzájemné odpuzování-na Coulombův bariéru -A spojí do jediného jádra. Jaderného štěpení je opačný proces, což jádro rozdělit na dvě menší jádra-obvykle přes radioaktivního rozpadu. Jádro může být také modifikovány prostřednictvím bombardování vysokoenergetických elementárních částic nebo fotonů. Pokud se to změní počet protonů v jádře, atom změní na jiný chemický prvek.

V případě, že hmotnost jádra po fúzní reakce je nižší než součet hmotností jednotlivých částic, potom je rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami mohou být emitovány jako druh využitelné energie (jako je například gama záření , nebo kinetickou energii o částice beta ), jak je popsáno v Albert Einstein ‚s e = mc² vzorce, E  =  mc 2 , kde m je hmotnost ztráty a c je rychlost světla . Tento deficit je součástí vazebné energie nového jádra, a to je nevratná ztráta energie, která způsobuje, že sloučených částic zůstat ve stavu, který vyžaduje tuto energii oddělit.

Spojení dvou jader, která vytvářejí větší jádra s nižším atomovým množství než železo a nikl -a celkový počet nukleonů asi 60 je obvykle exotermní proces, který uvolňuje více energie než je zapotřebí přivést dohromady. Je to tato energie uvolňující proces, který je jadernou fúzi do hvězdy self-udržení reakce. Pro těžší jádra, vazební energie na nukleon v jádře začíná klesat. To znamená, že fúzní procesy produkují jader, které mají atomové číslo vyšší než asi 26, a atomová množství vyšší než asi 60, je endotermický proces . Tyto hmotnější jádra nemohou absolvovat fúzní reakci produkující energii, která může udržet na hydrostatické rovnováze hvězdy.

elektronový oblak

Potenciální dobře, ukazující, v souladu s klasickou mechanikou , minimální energie V ( x ), potřebné k dosažení každé pozice x . Klasicky, částice s energií E je omezen na rozsah poloh mezi x 1 a x 2 .

Elektrony v atomu jsou přitahovány do protonů v jádře, které elektromagnetické síly . Tato síla se váže elektrony uvnitř elektrostatické potenciálové jámě obklopující jádro menší, což znamená že je zapotřebí externí zdroj energie pro elektronový uniknout. Čím blíže je elektron do jádra, tím větší je přitažlivé síly. Proto elektrony vázané v blízkosti středu potenciálové jámě vyžadují více energie uniknout, než jsou u větších separace.

Elektrony, stejně jako ostatní částice, mají vlastnosti jak na částice a vlny . Mrak elektronu je oblast uvnitř potenciálové jámě, kde každý elektron tvoří druh trojrozměrného stojaté vlny -a tvaru vlny, který se nepohybuje vzhledem k jádru. Toto chování je definován atomovou orbitální , matematickou funkcí, která charakterizuje pravděpodobnost, že elektron se zdá být v určitém místě, kdy se měří jeho poloha. Pouze diskrétní (nebo kvantovaný existují) Soubor těchto orbitalů kolem jádra, jak je to možné jiné vzory vlny rychle se rozpadají na stabilnější formu. Orbitaly může mít jeden nebo více kruhových struktur nebo uzel, a liší se od sebe velikost, tvar a orientace.

Vlnové funkce prvních pět atomových orbitalů. Každý tři 2p orbitaly zobrazit jeden úhlový uzel , který má orientaci a minimálně ve středu.
Jak jsou atomy konstruovány z elektronu orbitals a odkaz na periodické tabulky.

Každý atomový okružní odpovídá určité úrovni energií elektronu. Elektron může změní svůj stav na vyšší energetickou hladinu tím, že absorbuje foton s dostatečnou energií, aby zvýšení do nového kvantovém stavu. Podobně, prostřednictvím spontánní emise , elektron do vyššího energetického stavu, mohou klesnout na nižší energetického stavu, zatímco vyzařující přebytečnou energii fotonu. Tyto charakteristické energetické hodnoty, definované rozdílů v energiemi kvantových stavů, jsou zodpovědné za atomových spektrálních čar .

Množství energie potřebné k odebrání nebo přidání elektrondonorovou na vazební energii elektronů -je mnohem nižší než vazební energii nukleonů . Například vyžaduje pouze 13,6 eV zbavit se základní stav elektron z atomu vodíku, ve srovnání s 2,23  mil eV pro rozdělením deuteria jádro. Atomy jsou elektricky neutrální, pokud mají stejný počet protonů a elektronů. Atomy, které mají buď deficit nebo přebytek elektronů, se nazývají ionty . Elektrony, které jsou nejvzdálenější od jádra mohou být přeneseny do jiných blízkých atomů nebo sdílené mezi atomy. Tímto mechanismem, atomy jsou schopné vázat na molekuly a další typy chemických sloučenin , jako jsou iontové a kovalentní sítě krystalů .

vlastnosti

jaderné vlastnosti

Podle definice, nějaké dva atomy se stejným počtem protonů v jejich jádrech patří do stejného chemického prvku . Atomy se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů jsou různé izotopy téhož prvku. Například všechny vodíkové atomy přiznat přesně jeden proton, ale izotopy existovat bez neutronů ( vodík-1 , zdaleka nejběžnější formě, také nazývaný Protium), jeden neutron ( deuterium ), dva neutrony ( tritia ), a více než dva neutrony , Známé prvky tvoří sadu pořadového čísla, z jediného protonu prvek vodíku až do 118-protonové prvek oganesson . Všechny známé izotopy prvků s atomovými čísly většími než 82 jsou radioaktivní, i když radioaktivita prvku 83 ( vizmutu ), je tak malý, jak je prakticky zanedbatelný.

Asi 339 nuklidy přirozeně vyskytují na Zemi , z nichž 254 (asi 75%), nebyly pozorovány k rozkladu, a jsou označovány jako „ stabilních izotopů “. Avšak pouze 90 z těchto nuklidů jsou stabilní pro všechny rozkladu, a to i v teorii . Další 164 (přinášet úhrn k 254) nebyly pozorovány do úpadku, i když teoreticky je energeticky možný. Ty jsou také formálně klasifikovány jako „stabilní“. Dalších 34 radionuklidů mít poločasy rozpadu delší než 80 milionů let a žijí dlouho dost být dar od narození sluneční soustavy . Tato sbírka 288 nuklidů jsou známy jako prvotní nuklidů . A konečně, dalších 51 krátkých-žil nuklidy se vyskytují přirozeně, jako dceřiných produktů prvotního nuklidového rozpadu (například radia z uranu ), nebo také jako produkty přírodních energetických procesů na Zemi, jako kosmického záření ozáření (například uhlík-14).

U 80 z chemických prvků, přičemž alespoň jeden stabilní izotop existuje. Je pravidlem, že je zde pouze několik stabilních izotopů pro každý z těchto prvků, při průměrné 3,2 stabilní izotopy na prvku. Dvacet šest prvky mají pouze jeden stabilní izotop, přičemž největší počet stabilních izotopů pozorovaných u součásti je deset, pro prvek cínu . Prvky 43 , 61 a všechny prvky, číslované 83 nebo vyšší nemají stabilní izotopy.

Stabilita izotopů je ovlivněna poměrem protonů na neutrony, a také přítomností určitých „magická čísla“ neutronů a protonů, které představují uzavřené a naplněné kvantové skořepiny. Tyto kvantové skořápky odpovídají sadě úrovní energie v rámci modelu pláště jádra; naplněné skořápky, například plněného pláště 50 protonů na cín, uděluje neobvyklé stabilitu na nuklidu. Ze 254 známých stabilní nuklidy, pouze čtyři mít jak lichý počet protonů a lichý počet neutronů: vodíku-2 ( deuterium ), lithium-6 , bor-10 a dusík-14 . Také jen čtyři přirozeně se vyskytující radioaktivní liché liché nuklidy mají poločas než miliardu let: draslíku-40 , vanad-50 , lanthan-138 a tantalového-180m . Většina lichá-odd jádra jsou vysoce nestabilní vzhledem k rozpadu beta , protože produkty rozpadu jsou i-i, a proto jsou silněji vázány, kvůli účinkům jaderných párování .

Hmotnost

Převážná většina hmotnosti atomu pochází z protonů a neutronů, které ji tvoří. Celkový počet těchto částic (nazývané „nukleony“) v daném atomu se nazývá hmotnostní číslo . To je celé kladné číslo a bezrozměrné (místo toho, aby rozměr hmotnosti), protože vyjadřuje počet. Příkladem použití hmotnostního čísla, které je „uhlík-12“, která má 12 nukleony (šest protonů a šest neutrony).

Skutečné množství atomu v klidu je často vyjádřena pomocí jednotného atomové hmotnosti (u), také nazývaný dalton (Da). Tato jednotka je definována jako dvanáctině hmotnosti volné neutrálního atomu uhlíku-12 , což je přibližně 1,66 x 10 -27  kg . Vodík-1 (nejlehčí izotop vodíku, který je také nuklidu s nejnižší hmotností) má atomovou hmotnost 1.007825 u. Hodnota tohoto čísla se nazývá atomová hmotnost . Daný atom má atomovou hmotnost přibližně stejnou (do 1%), aby jeho hmotnost počet pokusů na jednotku atomové hmotnosti (například hmotnosti dusík-14 je zhruba 14 u). Tento počet však nebude přesně celé číslo s výjimkou v případě uhlíku-12 (viz níže). Nejtěžší stabilní atom je olovo-208, s hmotností 207.976 6521  u .

Stejně jako i nejhmotnější atomy jsou příliš lehké pracovat přímo, lékárny místo toho použít jednotku mol . Jeden mol atomů jakéhokoliv prvku má vždy stejný počet atomů (asi 6,022 x 10 23 ). Toto číslo se volí tak, že v případě, že prvek má atomovou hmotnost 1 U, krtek z atomů tohoto prvku má hmotnost v blízkosti jednoho gramu. Vzhledem k definici sjednocené atomové hmotnosti , atom uhlíku-atom 12 má atomovou hmotnost přesně 12 u, a tak krtek uhlík-12 atomy váží přesně 0,012 kg.

Tvar a velikost

Atomy postrádají dobře definované vnější okraj, takže jejich rozměry jsou obvykle popsány v termínech atomového poloměru . To je měřítkem vzdálenosti ven, na které se elektronový oblak sahá od jádra. Nicméně, toto předpokládá atom vystavovat kulovitý tvar, který je posloucháno jen pro atomy ve vakuu nebo volného prostoru. Atomové poloměry mohou být odvozeny od vzdálenosti mezi dvěma jádry, když jsou dva atomy spojeny v chemické vazby . Poloměr se mění v závislosti na poloze atomu na atomovém grafu, typ chemické vazby, počet sousedních atomů ( koordinační číslo ) a kvantové mechaniky vlastnost známá jako rotace . V periodické tabulce prvků, velikost atom má tendenci se zvyšovat při pohybu dolů sloupce, ale sníží při pohybu po řádcích (zleva doprava). V důsledku toho je nejmenší atom je helium s poloměrem 32  hodin , přičemž jedna z největších je cesium 225 hodin.

Když je vystaven vnější síly, stejně jako elektrických polí , tvar atomu se může odchýlit od sférické symetrie . Deformace je závislá na pole velikosti a orbitální typu vnějších vrstvách elektronů, jak je ukázáno skupinových teoretické úvahy. Asférické odchylky by mohlo být dosaženo například v krystalech , kde může dojít k velké křišťálově elektrické pole při nízkých symetrie mřížky míst. Významné elipsovité deformace bylo prokázáno, že dochází k síry iontů a chalkogen iontů v pyritu -type sloučenin.

Atomové rozměry jsou tisíckrát menší než vlnové délky světla (400 až 700  nm ), takže nelze zobrazit pomocí optického mikroskopu . Avšak jednotlivé atomy mohou být pozorovány s použitím skenovacího tunelového mikroskopu . K vizualizaci okamžitá atomu, za to, že typický lidský vlas je asi 1 milion atomů uhlíku na šířku. Jedna kapka vody obsahuje asi 2  sextillion ( 2 x 10 21 ) atomy kyslíku a dvojnásobný počet atomů vodíku. Jediný karátů diamant s hmotností 2 x 10 -4  kg obsahuje asi 10 sextillion (10 22 ) atomů uhlíku . Pokud by byly jablko zvětšen na velikost Země, pak jsou atomy v jablkem by bylo přibližně o velikosti původního jablka.

Radioaktivní rozpad

Tento diagram ukazuje poločas (T ½ ) různých izotopů, kde Z protonů a N neutronů.

Každý prvek má jeden nebo více izotopů, která mají nestabilní jádra, která jsou předmětem radioaktivního rozpadu, což jádro emitovat částice nebo elektromagnetické záření. Radioaktivita může nastat, když je poloměr jádra je velké ve srovnání s poloměrem silné síly, které působí pouze na vzdálenosti řádově 1 fm.

Nejběžnějšími formami radioaktivního rozpadu jsou:

  • Alfa rozpad : tento proces je způsobeno, když jádro emituje částice alfa, což je jádro hélia, sestávající ze dvou protonů a dvou neutronů. Výsledkem emise je novým prvkem s nižším atomovým číslem .
  • Beta rozpad (a elektronový záchyt ): tyto procesy jsou regulovány slabou silou , a důsledkem transformace neutronu na proton, nebo proton do neutronu. Neutron protonovou přechodu je doprovázena emisí elektron a antineutrino , zatímco proton na neutronové přechodu (kromě elektronového záchytu) způsobuje emisi positron a neutrino . Elektronové nebo pozitronové emise se nazývají beta částice. Beta rozpad buď zvyšuje nebo snižuje atomové číslo jádra o jednu. Elektronový záchyt je častější než emisí positron, protože to vyžaduje méně energie. V tomto typu rozkladu, elektron je absorbováno jádrem, nikoli pozitron emitovaného z jádra. Neutrino je ještě emitováno v tomto procesu, a proton změní na neutronu.
  • Gamma rozpad : tento proces je výsledkem změny energetické úrovně jádra do stavu nižší, což vede k emisi elektromagnetického záření. Excitovaného stavu z jádra, které má za následek emisi gama obvykle dochází v důsledku emisí alfa nebo beta částice. Tak, gama kaz obvykle následuje alfa nebo beta rozpad.

Jiné další vzácné typy radioaktivního rozpadu zahrnují vyhození neutrony nebo protony nebo seskupení nukleonů ze jádra, nebo více než jeden beta částice . Analog emise gama, který umožňuje vybuzené jádra se ztrácejí energii jiným způsobem, je vnitřní konverze proces, -a, který produkuje vysokorychlostní elektrony, které nejsou beta paprsky, následuje výrobu vysoce energetických fotonů, které nejsou záření gama. Několik velkých jádra explodovat do dvou nebo více nabitých fragmentů o různých hmotnostech plus několik neutrony, v rozpadu názvem spontánní štěpení jádra .

Každý radioaktivní izotop má charakteristickou rozpad časového období-na poločas -že se určuje podle množství času potřebného pro polovinu vzorku k rozkladu. Jedná se o exponenciální rozpad proces, který postupně snižuje podíl zbývajících izotopu o 50% každý poločas. Z tohoto důvodu po dvou poločasy, které prošly pouze o 25% izotopu je přítomna, a tak dále.

magnetický moment

Elementární částice mají vnitřní kvantově mechanické vlastnosti známý jako rotace . To je analogické k momentu hybnosti objektu, který se otáčí kolem svého středu hmoty , i když v přesném slova smyslu jsou tyto částice jsou považovány za bodové a nelze říci, se otáčí. Spin se měří v jednotkách redukované Planckova konstanta (h), s elektrony, protony a neutrony které mají všechny spin ½ H, nebo „spin-½“. V atomu, elektrony v pohybu okolo jádra mají orbitální moment hybnosti, kromě jejich rotace, zatímco jádro samo o sobě má úhlový moment vzhledem k jeho spin.

Magnetické pole vyrobené atomem, jeho moment magnetické -je určeny těmito různými formami momentu hybnosti, stejně jako rotující nabitý objekt klasicky produkuje magnetické pole. Nicméně nejdominantnější příspěvek pochází z elektronového spinu. Vzhledem k povaze elektronů poslouchat Pauli vyloučení princip , ve kterém může být žádné dva elektrony nalezen ve stejném kvantovém stavu , spojených elektronů dvojici navzájem, s jedním členem každého páru spin do stavu, a druhý v naopak, točit stavu. Tak tyto otáčení se navzájem ruší, což snižuje celkový magnetický dipólový moment na nulu v některých atomů se sudým počtem elektronů.

V feromagnetických prvků, jako je železo, kobalt a nikl, lichý počet elektronů vede k nepárový elektron a čisté celkové magnetického momentu. Orbitaly sousedních atomů překrývají a nižší energetický stav je dosaženo, když se spiny nepárových elektronů jsou navzájem v zákrytu, spontánní proces, známý jako interakce výměnu . Když magnetické momenty feromagnetických atomů jsou v řadách, materiál může produkovat měřitelné makroskopické pole. Paramagnetické materiály mají atomy s magnetických momentů, které se seřadí v náhodných směrech, je-li přítomna žádné magnetické pole, ale magnetické momenty jednotlivých atomů seřadí v přítomnosti pole.

Jádro atomu bude mít rotaci, když má sudá čísla obou neutronů a protonů ale pro jiné případy lichých čísel, jádro může mít rotaci. Normálně jádra se spinem jsou vyrovnány v náhodných směrech kvůli tepelné rovnováhy . Nicméně pro určité prvky (jako je xenon-129 ), je možno polarizovat významnou část jaderné spinové stavy tak, aby byly vyrovnány ve stejném směru-stav se nazývá hyperpolarizací . To má důležité aplikace v zobrazování magnetickou rezonancí .

energetické hladiny

Energetické hladiny těchto elektronu (není v měřítku), jsou dostatečné pro pozemní stavů atomů až kadmia (5S 2 4d 10 ) včetně. Nezapomeňte, že i v horní části diagramu je nižší než nevázaného elektronového stavu.

Potenciální energie elektronu v atomu je negativní , její závislost na jeho polohy dosáhne minimální (nejvíce absolutně ) uvnitř jádra, a zmizí, když je vzdálenost od jádra jde do nekonečna , zhruba v obráceném poměru ke vzdálenosti , V modelu kvantově mechanické, vázaný elektron může zaujímat pouze sadu stavů se středem v jádře, a každý stát odpovídá specifické energetické úrovni ; viz časově nezávislý Schrödinger rovnice pro teoretické vysvětlení. Hladina energie může být měřeno množství energie potřebné k odpojení elektron z atomu, a je obvykle v jednotkách eV (eV). Nejnižší energetický stav vázaného elektronu se nazývá základní stav, tj stacionárním stavu , přičemž elektronový přechod na vyšší úrovni výsledky v excitovaném stavu. Energie elektronu zvyšuje, když n se zvyšuje, protože (průměr) vzdálenosti se zvyšuje jádra. Závislost energie na pásmy je způsobeno ne elektrostatický potenciál jádra, ale interakce mezi elektrony.

Pro elektron na přechodu mezi dvěma různými stavy , např uzemněný stav nejprve nadšená level ( ionizace ), musí absorbovat nebo emitovat foton na energii odpovídající rozdíl potenciální energie těchto úrovních, v souladu s Niels Bohr modelu, co může přesně vypočítá podle Schrödinger rovnice . Elektrony skok mezi orbitalů v částicové jako móda. Například, je-li jediný foton udeří elektrony pouze jeden elektron mění stavy v závislosti na fotonu, viz vlastností Electron .

Energie z emitovaného fotonu je úměrná jeho frekvenci , takže tyto specifické energetické hladiny se objeví jako zřetelné pásy v elektromagnetickém spektru . Každý prvek má charakteristické spektrum, které mohou záviset na jaderné náboje, subshells vyplněno elektrony, elektromagnetické interakce mezi elektrony a dalších faktorech.

Příkladem absorpčních čar v spektru

Při kontinuální spektrum energie se vede plynu nebo plazmy, některé fotonů jsou absorbovány atomy, což způsobuje elektrony ke změně jejich energetickou hladinu. Ty vybuzené elektrony které zůstávají vázány na jejich atom spontánně emitovat tuto energii jako foton, cestování v libovolném směru, a tak opět na nižších úrovních energie. Tak atomy chovají jako filtr, který tvoří sérii tmavých absorpčních pásů ve výstupu energie. (Pozorovatel prohlížení atomy ze zobrazení, která nezahrnuje spojité spektrum v pozadí, místo toho vidí řadu emisních čar z fotonů vyzařovaných atomy.) Spektroskopická měření pevnosti a šířce atomových spektrálních čar umožňují kompozici a fyzikální vlastnosti látky, které mají být stanoveny.

Důkladné zkoumání spektrálních čar odhaluje, že některé vykazují jemné struktury dělení. K tomu dochází proto, že z spin-orbitální spojkou , která je interakce mezi rotaci a pohyb nejkrajnější elektronu. Když atom je ve vnějším magnetickém poli, spektrální čáry stát rozdělen do tří nebo více složek; jev se nazývá Zeeman účinek . To je způsobeno interakcí magnetického pole s magnetického momentu atomu a elektronů. Některé atomy může mít více elektron konfigurací se stejnou úrovní energie, které se takto jeví jako jediný spektrální čáry. Interakce magnetického pole s atomem posouvá tyto elektronové konfigurace mírně rozdílné úrovně energie, což vede k více spektrálních čar. Přítomnost vnějšího elektrického pole může mít srovnatelné rozdělení a posun spektrálních čar úpravou hladiny elektronů, jev nazýván Stark efekt .

Pokud je vázaný elektron v excitovaném stavu, spolupůsobícím foton s řádným energie může způsobit stimulované emise fotonu s úrovní odpovídající energie. Aby k tomu mohlo dojít, elektron musí klesnout na nižší energetický stav, který má energetickou rozdíl odpovídající energii interagujících fotonu. Emitované foton tento interaktivní foton a pak se rozjet paralelně a s odpovídající fází. To znamená, že vlna vzory dvou fotonů jsou synchronizovány. Tato fyzikální vlastnost se používá, aby se lasery , které mohou vypouštět koherentní paprsek světelné energie v úzkém kmitočtovém pásmu.

Valence a chování lepení

Valenční je kombinování síla elementu. To se rovná množství atomů vodíku že atom může kombinovat nebo vytěsňují na formování sloučenin. Krajní elektronový obal atomu v jeho nezkombinovaného stavu, je známý jako valence skořápky , a elektrony v tomto plášti se nazývají valenční elektrony . Počet valenčních elektronů určuje lepení chování s jinými atomy. Atomy mají tendenci chemicky reagovat navzájem způsobem, který vyplňuje (nebo ústí) jejich vnější valence skořápky. Například přenos jednoho elektronu mezi atomy je užitečné přiblížení pro vazby, které tvoří mezi atomy s jedním elektronem více než naplněné skořápky, a další, které jsou jedním elektrony před úplnou pláště, například jako je tomu ve sloučenině chloridu sodného a jiných chemických iontové soli. Nicméně, mnoho prvků zobrazení více valencemi, nebo tendence ke sdílení různým počtem elektronů v různých sloučenin. Tak, chemická vazba mezi těmito prvky může mít mnoho forem elektronového sdílení, které jsou více než jednoduché předávání elektronů. Příklady zahrnují uhlík a organické sloučeniny .

Tyto chemické prvky jsou často zobrazeny v periodické tabulce , který je stanoven pro zobrazení opakující chemické vlastnosti, a prvky se stejným počtem valenčních elektronů tvoří skupinu, která je vyrovnána ve stejném sloupci tabulky. (Vodorovné řádky odpovídají plnění kvantové skořápky elektronů). Tyto prvky na pravé straně tabulky mají své vnější plášť zcela naplněna elektrony, což vede k chemicky inertních prvků, známých jako vzácné plyny .

States

Grafické znázornění tvorba Bose-Einstein kondenzátu

Množství atomů se nacházejí v různých skupenstvích, které jsou závislé na fyzikálních podmínkách, jako je teplota a tlak . Změnou podmínek, materiály mohou přecházet mezi pevné látky , kapaliny , plyny a plazmy . Ve státě, materiál může také existovat v různých allotropes . Příkladem toho je pevný uhlík, který může existovat jako grafit nebo diamant . Plynné allotropes existují stejně, jako je dioxygen a ozónu .

Při teplotách blízkých k absolutní nule , atomy mohou tvořit Bose-Einstein kondenzátu , na kterém místě kvantově mechanické účinky, které jsou obvykle pozorovány pouze v atomovém měřítku, se projeví v makroskopickém měřítku. Tato super chlazené sbírka atomy, potom se chová jako jediný super-atomu , který může umožnit základní kontroly kvantové mechanické chování.

Identifikace

Skenovací tunelový mikroskop obrázek ukazuje jednotlivé atomy, které tvoří tuto zlato ( 100 ) povrchu. Atomy povrch odchylovat od hromadné krystalové struktury a uspořádat ve sloupcích několik atomů široký s jámy mezi nimi (viz rekonstrukce povrchu ).

Rastrovacího tunelového mikroskopu je zařízení pro sledování povrchů na atomární úrovni. Používá kvantové tunelování jev, který umožňuje částice projít bariéru, která by za normálních okolností nepřekonatelné. Elektrony tunel prostřednictvím vakua mezi dvěma rovinnými kovových elektrod, na každém z nichž je adsorbován atom, poskytující hustotu tunelování proud, který se měří. Skenování jeden atom (považuje se za špičkou), když se pohybuje kolem druhé (vzorku) umožňuje vykreslování přemístění špičky proti boční separací konstantním proudem. Výpočet ukazuje, do jaké míry skenování-tunelování-mikroskopické obrazy jednotlivého atomu jsou viditelné. To potvrzuje, že pro nízké zaujatost, mikroskopická obrázky prostorově zprůměrované rozměry elektronových orbitalů napříč těsně zabalené energetické hladiny-na úrovni Fermi lokální hustoty stavů .

Atom může být ionizován odstraněním jednoho ze svých elektronů. Elektrický náboj způsobuje, že trajektorie atomu ohýbat, když prochází magnetickým polem . Poloměr, o kterou se dráha pohyblivého iontu otáčet magnetickým polem je dána hmotností atomu. Hmotnostní spektrometr používá tento princip měření poměr hmoty k náboji iontů. Pokud vzorek obsahuje více izotopů, hmotnostní spektrometr může určit podíl každého izotopu ve vzorku měřením intenzity různých svazků iontů. Techniky k odpařování atomů zahrnují ICP-OES a indukčně vázaným plazmatem hmotnostní spektrometrií , přičemž oba používají plazmový odpařovat vzorky k analýze.

Více Způsob oblast selektivní je elektronová spektroskopie ztráta energie , který měří ztrátu energie s elektronovým svazkem v transmisním elektronovém mikroskopu , kdy interaguje s částí vzorku. Tomograf atom sonda má rozlišení sub-nanometrů v 3-D, a může chemicky identifikovat jednotlivé atomy pomocí time-of-flight hmotnostní spektrometrie.

Spektra excitované stavy mohou být použity k analýze atomové složení vzdálených hvězd . Zvláštní světlo vlnové délky obsažené ve sledovaném světla hvězd může být oddělena a související kvantovaným přechodů volných atomů plynu. Tyto barvy mohou být replikovány pomocí plynové výbojky , obsahující stejný prvek. Helium bylo objeveno tímto způsobem ve spektru slunce 23 let před tím, než byla nalezena na Zemi.

Původ a současný stav

Atomy, tvoří asi 4% z celkové hustoty energie v pozorovatelného vesmíru , s průměrnou hustotou 0,25 atomů / m 3 . V galaxii jako je Mléčné dráhy , atomy mají mnohem vyšší koncentraci, s hustotou hmoty v mezihvězdném (ISM) v rozmezí od 10 5 do 10 9 atomů / m 3 . Slunce je věřil být uvnitř místní bublina , oblast vysoce ionizovaného plynu, takže hustota v solárním a okolí je jen asi 10 3 atomy / m 3 . Hvězdy vznikají z hustých mraků ISM, a evoluční procesy hvězd vyústit v ustáleném obohacení ISM s prvky hmotnější než vodík a hélium. Až 95% atomů Mléčné dráhy jsou soustředěny uvnitř hvězd a celková hmotnost atomů tvoří asi 10% hmotnosti galaxie. (Zbytek hmotnosti je neznámá tmavá hmota ).

Formace

Elektrony jsou myšlenka existovat ve vesmíru, protože časných stádiích Velkého třesku . Atomová jádra formy v nucleosynthesis reakce. Asi za tři minuty Big Bang nucleosynthesis produkoval většinu hélia , lithia a deuteria ve vesmíru, a možná i některé z berylia a bóru .

Ubiquitousness a stabilita atomů spoléhá na své vazebné energie , což znamená, že atom má nižší energii než nevázaného systému jádra a elektrony. V případě, že teplota je mnohem vyšší než ionizační potenciál , záležitost existuje ve formě v plazmě -a plynu kladně nabitých iontů (případně, holé jader) a elektrony. Při poklesu teploty pod ionizační potenciál, atomy stávají statisticky příznivější. Atomy (kompletní s spojených elektronů) se stal dominovat nad nabité částice 380,000 let po velkém třesku-epocha zvané rekombinace , kdy expandující vesmír se ochladí natolik, aby elektrony, aby se připojuje k jádru.

Protože velký třesk, který produkoval žádné uhlíku nebo těžší prvky , atomová jádra byly sdruženy v hvězdy procesem jaderné fúze produkovat více prvku helia , a (pomocí trojitého procesu alfa ) je sekvence z prvků uhlíku až do železo ; viz hvězdné nukleosyntézu podrobnosti.

Izotopy, jako je lithium-6, jakož i některé berylia a bóru jsou generovány v prostoru prostřednictvím kosmického záření spallation . K tomu dochází, když vysoce proton narazí na atomové jádro, což způsobuje velké množství nukleonů být vysunut.

Prvky těžší než železo byly vyrobeny v supernov prostřednictvím r-procesu a v AGB hvězd prostřednictvím s-procesu , oba zahrnují zachycování neutronů od atomových jader. Prvky, jako je olovo vytvořený velmi přes radioaktivní rozpad těžších prvků.

Země

Většina z atomů, které tvoří zemi a její obyvatele byly přítomny ve své současné formě v mlhoviny , která se zhroutila ven z molekulárního mraku k vytvoření sluneční soustavy . Zbytek jsou výsledkem radioaktivního rozpadu, a jejich relativní podíl může být použit k určení stáří Země pomocí radiometrického datování . Většina helia v kůře Země (asi 99% helia z plynových vrtů, jak vyplývá z jeho spodní množstvím helia-3 ) je produktem alfa rozpad .

Existuje několik atomů stopové na Zemi, které nebyly přítomny na počátku (tj, ne „prvotní“), ani nejsou výsledky radioaktivního rozpadu. Uhlík-14 je průběžně generovány kosmického záření v atmosféře. Některé atomy na Zemi uměle generovaný buď úmyslně, nebo vedlejší produkty z jaderných reaktorů nebo exploze. Z transuranových prvků -those s atomovými čísly většími než 92 pouze plutonium a neptunium přirozeně vyskytují na Zemi. Transuranové prvky mají radioaktivní životnost kratší, než je aktuální věk Země a tím identifikovatelné množství těchto prvků již dávno zkažená, s výjimkou stop plutonia-244 případně naneseny kosmického prachu. Přírodní bohatství plutonia a neptunia jsou produkovány záchytem neutronu v uranové rudy.

Země obsahuje přibližně 1,33 x 10 50 atomů. I když malý počet nezávislých atomů vzácných plynů existují, jako je například argon , neon , a helia , 99% atmosféry je vázán ve formě molekul, včetně oxidu uhličitého a diatomic kyslík a dusík . Na povrchu Země, převážná většina atomů dohromady tvoří různé sloučeniny, včetně ve vodě , soli , křemičitany a oxidy . Atomy mohou také kombinovat vytvářet materiály, které se skládají z jednotlivých molekul, včetně krystalů a kapalných nebo pevných kovů . Tento atomový ohledu na to, tvoří síťové uspořádání, které postrádají konkrétní typ malého rozsahu přerušen pořadí spojená s molekulovou hmotou.

Vzácné a teoretické formy

superheavy prvky

I když izotopy s atomovým číslem vyšším, než vedení (82) jsou známy být radioaktivní, za „ ostrov stability “ byl navržen pro některé prvky s atomovým číslem nad 103. Tyto superheavy prvky mohou mít jádro, které je relativně stabilní vůči radioaktivního rozpadu. Nejpravděpodobnějším stabilní supertěžkého atom, unbihexium , má 126 protonů a 184 neutronů.

exotická záležitost

Každá částice hmoty má odpovídající antihmoty částice s opačným elektrickým nábojem. To znamená, že pozitron je pozitivně nabitý antielectron a antiproton je záporně nabitý ekvivalent protonu . Když záležitost a odpovídající setkávají antihmota částic, se zničí navzájem. Z tohoto důvodu, spolu s nerovnováhou mezi počtem hmoty a antihmoty částice, ty jsou vzácné ve vesmíru. První příčiny této nerovnováhy nejsou dosud zcela znám, ačkoli teorie baryogenesis může nabídnout vysvětlení. Výsledkem je, že se žádné atomy antihmotové byly objeveny v přírodě. Nicméně, v roce 1996 antihmota protějšek atomu vodíku ( antihydrogen ) byla syntetizována na CERN laboratoře v Ženevě .

Další exotické atomy byly vytvořeny nahrazením jednoho protony, neutrony a elektrony s jinými částicemi, které mají stejný náboj. Například, elektron může být nahrazen více masivní mionem , tvořící muonic atom . Tyto typy atomů mohou být použity k testování základní předpovědi fyziky.

viz též

Poznámky

Reference

Prameny

Další čtení

externí odkazy