Атомы являются основными единицами материи и определяющей структурой элементов. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», потому что когда-то считалось, что атомы — самые маленькие объекты во Вселенной и не могут быть разделены. Теперь мы знаем, что атомы состоят из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более мелких частиц, таких как кварки.

Атомы образовались после Большого Взрыва 13,7 миллиарда лет назад. Когда горячая и плотная новая Вселенная остыла, условия стали подходящими для образования кварков и электронов. Кварки объединились, чтобы сформировать протоны и нейтроны, и эти частицы объединились в ядра. Согласно данным ЦЕРНа, все это произошло в первые несколько минут существования Вселенной.

Что такое атом?

Вселенной потребовалось 380000 лет, чтобы остыть достаточно для того, чтобы электроны замедлились настолько, что ядра смогли захватить их и сформировать первые атомы. Согласно лаборатории Джефферсона, первыми атомами были в основном водород и гелий, которые до сих пор являются наиболее распространенными элементами во Вселенной. Гравитация в конечном итоге заставила облака газа слиться и образовать звезды, а более тяжелые атомы были (и все еще создаются) внутри звезд и отправляются по Вселенной, когда звезды взрываются (сверхновые).

Атомные частицы

Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающемся вокруг ядра. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, электронное облако имеет радиус в 10 000 раз больше, чем ядро.

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу. Однако один протон примерно в 1835 раз массивнее электрона. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов также обычно одинаково. Добавление протона к атому создает новый элемент, а добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию этого атома.

Ядро

Ядро было обнаружено в 1911 году Эрнестом Резерфордом, физиком из Новой Зеландии. В 1920 году Резерфорд предложил название протон для положительно заряженных частиц атома. Он также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что Джеймс Чедвик, британский физик и ученик Резерфорда, смог подтвердить в 1932 году.

Согласно Chemistry LibreTexts, практически вся масса атома находится в его ядре. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, имеют примерно одинаковую массу (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент или спин.

Ядро удерживается сильным взаимодействием, одной из четырех основных сил в природе. Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает электрическую силу отталкивания, которая в противном случае раздвигала бы протоны в соответствии с законами электричества. Некоторые атомные ядра нестабильны, потому что сила связи различается для разных атомов в зависимости от размера ядра. Затем эти атомы распадаются на другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.

Что такое атом?

Вот простой рисунок структуры атома

Протоны

Протоны — это положительно заряженные частицы, находящиеся в атомных ядрах. Резерфорд открыл их в экспериментах с электронно-лучевыми трубками, которые проводились между 1911 и 1919 годами. Масса протона примерно равна 99,86% массы нейтрона.

Число протонов в атоме уникально для каждого элемента. Например, атомы углерода содержат шесть протонов, атомы водорода — один, а атомы кислорода — восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Число протонов также определяет химическое поведение элемента. Элементы в Периодической таблице элементов расположены в порядке возрастания атомного номера.

Три кварка составляют каждый протон — два «верхних» кварка (каждый с положительным зарядом в две трети) и один «нижний» кварк (с отрицательным зарядом в одну треть) — и они удерживаются вместе другими субатомными безмассовыми частицами, называемыми глюонами.

Электроны

Электроны крошечные по сравнению с протонами и нейтронами, более чем в 1800 раз меньше, чем протон или нейтрон. По данным лаборатории Джефферсона, масса электронов примерно равна 0,054% массы нейтронов.

Джозеф Джон «J.J.» Томсон, британский физик, открыл электрон в 1897 году, согласно данным Института истории науки. Первоначально известные как «корпускулы», электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам. Электроны окружают атомное ядро ​​путями, называемыми орбиталями. Эта идея была выдвинута австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1920-х годах. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака. Внутренние орбитали, окружающие атом, имеют сферическую форму, но внешние орбитали намного сложнее.

Электронная конфигурация атома относится к расположению электронов в типичном атоме. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, используя электронную конфигурацию и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, температура кипения и проводимость.

Нейтроны

Согласно Американскому физическому обществу, существование нейтрона было теоретически обосновано Резерфордом в 1920 году и обнаружено Чедвиком в 1932 году. Нейтроны были обнаружены во время экспериментов, когда атомы стреляли в тонкий лист бериллия. Были выпущены субатомные частицы без заряда — нейтроны.

Что такое атом?

Упрощенная схема установки для обнаружения нейтрона.

Нейтроны — это незаряженные частицы, обнаруженные во всех атомных ядрах (кроме водорода). Масса нейтрона немного больше массы протона. Как и протоны, нейтроны также состоят из кварков — одного «верхнего» кварка (с положительным зарядом 2/3) и двух «нижних» кварков (каждый с отрицательным зарядом в одну треть).