Struktur atom: daripada apa atom terdiri

Atom ialah zarah terkecil bagi sesuatu unsur kimia yang mengekalkan sifat-sifatnya. Strukturnya lebih mudah daripada yang disangka — hanya dua "bahagian":

• Nukleus — pusat atom. Di dalamnya terdapat dua jenis zarah: proton yang bercas positif dan neutron yang neutral. Nukleus sangat kecil — kira-kira 100,000 kali lebih kecil daripada saiz atom itu sendiri — tetapi di situlah tertumpunya lebih 99.9% jisim atom.
• Petala elektron — ruang selebihnya dalam atom, di mana elektron yang ringan dan bercas negatif bergerak di sekeliling nukleus.

Jika atom dibesarkan sehingga sebesar stadium, nukleus hanyalah sebiji kacang di tengah padang — ruang selebihnya diisi oleh petala elektron yang "hampir kosong".

Semua atom di alam semesta terdiri daripada hanya tiga jenis zarah — yang membezakannya hanyalah jumlahnya. Mudah untuk membandingkan zarah-zarah ini berdasarkan tiga ciri: cas, jisim dan "tempat tinggal".

Proton dan neutron mempunyai jisim yang hampir sama — kira-kira 1 a.m.u. (unit jisim atom). Elektron adalah kira-kira 1836 kali lebih ringan, jadi jisimnya diabaikan dalam pengiraan. Walau bagaimanapun, cas proton dan elektron adalah sama magnitud tetapi berlawanan tanda: selagi bilangan proton dalam atom sama dengan bilangan elektron, atom tersebut adalah neutral secara elektrik.

Komposisi mana-mana atom diterangkan oleh dua nombor:

• Nombor proton Z — bilangan proton dalam nukleus. Ini adalah nombor atom unsur dalam jadual berkala: No. 1 — hidrogen (1 proton), No. 8 — oksigen (8 proton), No. 79 — emas (79 proton). Oleh itu, dalam model planet atom, bilangan proton dalam nukleus adalah sama dengan bilangan elektron: atom adalah neutral, dan bagi setiap proton terdapat tepat satu elektron.
• Nombor nukleon A — jumlah bilangan zarah dalam nukleus: \(A = Z + N\), di mana N ialah bilangan neutron. Dari sini terbit formula utama untuk soalan sekolah: \(N = A - Z\).

Komposisi atom ditulis seperti ini: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Contohnya, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — klorin, yang mempunyai 17 proton dan 35 − 17 = 18 neutron. Nota di bawah menunjukkan keseluruhan algoritma dalam tiga baris.

Elektron tidak bergerak di sekeliling nukleus secara rawak: ia disusun pada petala tenaga. Semakin jauh petala dari nukleus, semakin banyak elektron yang boleh dimuatkan — maksimum dikira menggunakan formula \(2n^2\):

• Petala ke-1 — tidak lebih daripada 2 elektron;
• Petala ke-2 — tidak lebih daripada 8;
• Petala ke-3 — tidak lebih daripada 18;
• Petala ke-4 — tidak lebih daripada 32.

Petala diisi mengikut urutan, dari yang paling dekat dengan nukleus ke yang paling jauh. Contohnya, bagi oksigen (Z = 8) susunan elektron ialah 2, 6; bagi natrium (Z = 11) — 2, 8, 1; bagi klorin (Z = 17) — 2, 8, 7. Elektron pada petala terluar dipanggil elektron valens — ia adalah elektron yang terlibat dalam tindak balas kimia dan menentukan sifat unsur.

Bilangan petala juga boleh ditentukan melalui jadual berkala: ia sama dengan nombor kala di mana unsur itu berada. Di peringkat yang lebih tinggi, petala dibahagikan lagi kepada subpetala s, p, d, f dan ditulis sebagai konfigurasi elektron — contohnya, bagi oksigen 1s²2s²2p⁴.

Bilangan proton dalam sesuatu unsur tidak boleh diubah: jika anda menambah proton ke dalam nukleus, anda akan mendapat unsur yang berbeza. Walau bagaimanapun, bilangan neutron boleh berbeza. Isotop — ialah atom bagi unsur yang sama dengan Z yang sama, tetapi bilangan neutron yang berbeza, yang bermaksud nombor nukleon A yang berbeza.

Contoh klasik ialah hidrogen dan tiga isotopnya: protium \(^{1}_{1}\text{H}\) (tiada neutron), deuterium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) dan tritium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutron). Dari segi kimia, isotop hampir tidak dapat dibezakan: dalam tindak balas, elektron memainkan peranan utama, dan isotop mempunyai bilangan elektron yang sama.

Disebabkan isotop inilah jisim atom dalam jadual berkala adalah dalam bentuk perpuluhan: ia adalah purata wajaran bagi semua isotop semula jadi unsur tersebut. Klorin, sebagai contoh, mempunyai jisim 35.45 — kerana klorin semula jadi terdiri daripada campuran klorin-35 dan klorin-37.

Perkataan "atom" berasal daripada bahasa Yunani atomos — "tidak boleh dibahagi": begitulah pandangan Democritus, dan pada awal abad ke-19, J. Dalton membina teori saintifik pertama berdasarkan idea atom yang tidak boleh dibahagi. Walau bagaimanapun, penemuan pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20 menunjukkan: atom mempunyai struktur dalaman.

• 1897 — model Thomson ("puding plum"). J. Thomson menemui elektron dan mencadangkan bahawa elektron tertanam dalam "medium" bercas positif, seperti kismis dalam puding.
• 1911 — model planet Rutherford. Dengan menembak zarah α ke arah kerajang emas, E. Rutherford mendapati bahawa hampir keseluruhan jisim dan cas positif tertumpu dalam nukleus yang sangat kecil, manakala elektron beredar di sekelilingnya seperti planet mengelilingi Matahari.
• 1913 — model Bohr. Niels Bohr memperincikan: elektron tidak bergerak pada sebarang orbit, tetapi pada orbit yang ditentukan dengan tenaga tetap — maka wujudlah petala tenaga.
• 1920-an — model mekanik kuantum. Fizik moden tidak menggambarkan elektron sebagai bola pada orbit, tetapi sebagai awan elektron — kawasan ruang di mana elektron boleh ditemui dengan kebarangkalian tertentu.

Model planet dengan petala (seperti dalam rajah di atas) masih digunakan dalam kimia sekolah: untuk mengira zarah dan menyusun elektron, ketepatannya sudah mencukupi.