Składniki atomu

Cząstki subatomowe

Mimo że słowo atom pierwotnie oznaczało cząstkę, której nie da się podzielić na mniejsze, współcześnie nazywa się nim strukturę zbudowaną z mniejszych cząstek: elektronów, protonów i neutronów. Jedynie wodór ¹H nie zawiera żadnych neutronów, a jego dodatnio naładowany jon nie zawiera też elektronów.

Elektron jest najmniej masywną z tych trzech cząstek, z masą 9,11×10⁻³¹ kg. Posiada ujemny ładunek i rozmiary zbyt małe, aby dało się je określić przy użyciu współczesnych metod. Protony posiadają dodatni ładunek i masę około 1836 razy większą od elektronów: 1,6726×10⁻²⁷ kg. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego i są około 1839 razy cięższe od elektronu, z masą 1,6929×10⁻²⁷ kg. Masa protonów i neutronów wewnątrz jądra jest pomniejszona o energię wiązania. Neutrony i protony mają podobne średnice, rzędu 2,5×10⁻¹⁵ m – jednak z powodu ich wewnętrznej struktury trudno zdefiniować, co jest ich „powierzchnią”.

Według modelu standardowego protony i neutrony są zbudowane z kwarków. Kwarki stanowią jedną z podstawowych grup cząstek tworzących materię (drugą są leptony, których przykładem jest elektron). Istnieje sześć typów kwarków, każdy posiadający ułamkowy ładunek elektryczny wynoszący albo +2/3 albo −1/3. Protony są zbudowane z dwóch kwarków górnych (o ładunku +2/3) i jednego kwarku dolnego (o ładunku −1/3). Neutrony są zbudowane z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Ta różnica odpowiada za różnicę w masach i ładunku tych dwóch cząstek. Kwarki są powiązane ze sobą silnym oddziaływaniem jądrowym, którego nośnikiem są gluony. Gluony są bozonami cechowania – podstawowymi cząstkami przenoszącymi oddziaływania fizyczne.

Jądro atomowe

Wszystkie protony i neutrony w atomie (nazywane wspólnie nukleonami) skupiają się w jądro atomowe. Średnica jądra atomowego wynosi około fm, gdzie A oznacza liczbę nukleonów. Jest to około 1/100 000 średnicy całego atomu. Nukleony są związane ze sobą przez siły jądrowe, będące resztkowym przejawem oddziaływania silnego. Na odległościach mniejszych niż 2,5 fm te siły są wielokrotnie silniejsze od odpychania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami.

Atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów, nazywaną liczbą atomową. Liczba neutronów może być różna, w zależności od izotopu tego pierwiastka. Łączna liczba protonów i neutronów określana jest jako liczba masowa. Stabilność jądra zależy od liczby protonów, jak i neutronów w jądrze. Jądra niestabilne ulegają rozpadowi promieniotwórczemu.

Zarówno protony, jak i neutrony są fermionami. Reguła Pauliego zabrania identycznym fermionom zajmowania jednocześnie tego samego stanu kwantowego. Dlatego każdy proton w jądrze musi znajdować się w innym stanie kwantowym, podobnie jak każdy neutron. Reguła ta nie zabrania protonowi i neutronowi znajdować się w tym samym stanie, ponieważ są innym typem cząstek.

W atomach z małą liczbą protonów (poniżej 20) najstabilniejsze są izotopy, w których liczba protonów i neutronów jest w przybliżeniu równa. Jądro atomu z tej grupy, zawierające znacząco różną liczbę neutronów i protonów, może obniżyć swoją energię przez rozpad radioaktywny prowadzący do zmniejszenia tej różnicy. W miarę wzrostu liczby protonów w jądrze ich odpychanie elektrostatyczne sprawia, że stabilniejsze stają się jądra z nieco większą liczbą neutronów. Jądra wszystkich atomów cięższych od wapnia (20 protonów), których liczba neutronów jest równa liczbie protonów, są niestabilne. Z dalszym wzrostem liczby protonów optymalny stosunek liczby neutronów do protonów rośnie, osiągając około 1,5 dla najcięższych jąder. Najcięższym trwałym atomem jest ołów, którego izotop ²⁰⁸Pb zawiera 82 protony i 126 neutronów. Do roku 2003 za najcięższy trwały atom uważano bizmut (izotop ²⁰⁹Bi), który jednak, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, ostatecznie okazał się niestabilny.

W wyniku zderzeń jąder atomowych może dojść do utworzenia nowych jąder, ale doprowadzenie do takiej reakcji wymaga często bardzo wysokich energii. Fuzja jądrowa zachodzi, gdy lżejsze jądra łączą się w cięższe. Przykładowo protony muszą zderzyć się z energią 3–10 keV, aby przezwyciężyć wzajemne odpychanie i zbliżyć się na tyle, żeby połączyć się w jądro deuteru. Rozszczepienie jądra atomowegoto odwrotny proces, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa lżejsze. Jądro może też zostać zmodyfikowane w wyniku zderzenia z wysokoenergetyczną cząstką lub fotonem – które zmieni proton w neutron lub na odwrót.

Jeśli masa powstałego jądra i emitowanych cząstek jest mniejsza niż masa substratów, różnica zostanie wyemitowana w postaci promieniowania gamma lub energii kinetycznej produktów, zgodnie ze wzorem na równoważność masy i energii E = mc². Różnica mas wynika z energii wiązania w jądrze i jej utrata sprawia, że powstałe jądro jest stabilne – aby się rozpaść, musi otrzymać tę energię z otoczenia.

Fuzja, w której powstaje jądro lżejsze od żelaza – o liczbie nukleonów mniejszej niż 60 – powoduje zwykle wyemitowanie większej ilości energii niż jest potrzebna do jej wywołania. Ta energia napędza reakcję termojądrową we wnętrzu gwiazd. Dla jąder cięższych od jądra żelaza energia wiązania w przeliczeniu na nukleon zaczyna spadać. Oznacza to, że fuzja takich jąder zużywa energię i nie może podtrzymać równowagi hydrostatycznej w gwiazdach.

Powłoki elektronowe

Elektrony w atomie są przyciągane siłami elektrycznymi przez protony w jądrze. To oddziaływanie tworzy studnię potencjału wokół jądra, z której uwolnienie wymaga dostarczenia elektronom energii z zewnątrz. Im bliżej jądra znajduje się elektron, tym silniej jest przyciągany i wzrasta energia konieczna do jego oderwania od atomu. Zgodnie z mechaniką kwantową, elektrony (tak jak wszystkie cząstki) są jednocześnie cząstkami i falami. Każdy elektron można opisać funkcją matematyczną określającą prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonym obszarze. Dla elektronu w studni potencjału, funkcja ta jest funkcją fali stojącej i jest nazywana orbitalem. Zbiór orbitali posiadających podobny poziom energetyczny nazywany jest powłoką elektronową, a łącznie wszystkie powłoki – chmurą elektronową. Istnieje określony, niewielki zbiór stabilnych orbitali wokół jądra a wszystkie pozostałe, które są teoretycznie możliwe, szybko rozpadałyby się na orbitale z tego zbioru. Te stabilne orbitale różnią się między sobą kształtami oraz wielkością i orientacją obszaru, który określają.

Każdemu orbitalowi przypisany jest jego poziom energetyczny. Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym pochłaniając foton o odpowiedniej energii lub otrzymując tę energię ze zderzenia z innym atomem lub cząstką. Odwrotnie – elektron z wyższego poziomu może przenieść się na niższy. Powstający w ten sposób nadmiar energii jest unoszony przez emitowany foton (zjawisko to nazywamy emisją spontaniczną) lub przejmowany przez inny atom (przejście bezpromieniste). Charakterystyczne wartości tych energii, będące różnicami energii poszczególnych orbitali, odpowiadają za występowanie linii spektralnych w widmach liniowych poszczególnych pierwiastków.

Energia potrzebna na oderwanie bądź przyłączenie elektronu – energia wiązania elektronu – jest o wiele mniejsza niż energia wiązania nukleonów. Potrzeba około 13,6 eV, aby oddzielić elektron w stanie podstawowym od jądra atomu wodoru, podczas gdy wyrwanie nukleonu z jądra deuteru wymaga 2,23 milionów eV.

Jeśli atom ma tę samą liczbę protonów i elektronów, jest elektrycznie obojętny. Atomy mające nadmiar lub niedomiar elektronów nazywane są jonami. Elektrony na orbitalach najdalszych od jądra mogą przenosić się na inne atomy bądź tworzyć orbitale wokół dwóch i więcej atomów jednocześnie. W ten sposób atomy tworzą wiązania chemiczne między sobą, łącząc się w związki chemiczne.