Zgradba atoma: iz česa je sestavljen atom

Atom je najmanjši delec kemijskega elementa, ki ohranja njegove lastnosti. Sestavljen je preprosteje, kot se zdi, iz dveh "delov":

• Jedro — središče atoma. V njem živita dve vrsti delcev: pozitivni protoni in nevtralni nevtroni. Jedro je nepredstavljivo majhno — približno 100.000-krat manjše od samega atoma —, vendar je v njem zbranih več kot 99,9 % mase.
• Elektronska lupina — ves preostali prostor atoma, kjer okoli jedra krožijo lahki negativni elektroni.

Če bi atom povečali na velikost stadiona, bi bilo jedro kot grah v sredini igrišča, vse ostalo pa bi zasedala "skoraj prazna" elektronska lupina.

Vsi atomi v vesolju so sestavljeni iz le treh vrst delcev — razlikujejo se le po njihovem številu. Delce je priročno primerjati po treh lastnostih: naboj, masa in "bivališče".

Proton in nevtron sta po masi skoraj enaka — približno 1 a.e.m. (atomska enota mase). Elektron je od njiju lažji približno 1836-krat, zato njegovo maso pri izračunih zanemarimo. Naboj protona in elektrona pa sta po velikosti enaka, a nasprotnega predznaka: dokler ima atom enako število protonov in elektronov, je električno nevtralen.

Sestavo vsakega atoma opisujeta dve števili:

• Vrstno število Z — število protonov v jedru. To je vrstni red elementa v periodnem sistemu: št. 1 — vodik (1 proton), št. 8 — kisik (8 protonov), št. 79 — zlato (79 protonov). Zato je v planetarnem modelu atoma število protonov v jedru enako številu elektronov: atom je nevtralen in na vsak proton pride točno en elektron.
• Masno število A — skupno število delcev v jedru: \(A = Z + N\), kjer je N število nevtronov. Od tod izhaja glavna formula za šolske naloge: \(N = A - Z\).

Sestavo atoma zapišemo takole: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Na primer, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — klor, ki ima 17 protonov in 35 − 17 = 18 nevtronov. Spodnji povzetek prikazuje celoten postopek v treh vrsticah.

Elektroni ne letajo okoli jedra naključno: razporejeni so na energijskih ravneh (lupinah). Čim dlje je raven od jedra, tem več elektronov lahko sprejme — maksimum se izračuna po formuli \(2n^2\):

• 1. raven — največ 2 elektrona;
• 2. raven — največ 8;
• 3. raven — največ 18;
• 4. raven — največ 32.

Ravni se polnijo po vrsti, od najbližje k najbolj oddaljeni. Na primer, pri kisiku (Z = 8) se elektroni razporedijo kot 2, 6; pri natriju (Z = 11) — 2, 8, 1; pri kloru (Z = 17) — 2, 8, 7. Elektrone zunanje ravni imenujemo valenčni — prav ti sodelujejo v kemijskih reakcijah in določajo lastnosti elementa.

Število ravni nam prav tako pove periodni sistem: enako je številu periode, v kateri se element nahaja. V višjih razredih ravni dodatno delimo na podravni s, p, d, f in zapišemo elektronske konfiguracije — na primer, pri kisiku 1s²2s²2p⁴.

Števila protonov pri elementu ni mogoče spremeniti: če v jedro dodaš proton, dobiš drug element. Nevtronov pa je lahko različno število. Izotopi so atomi istega elementa z enakim Z, a različnim številom nevtronov, kar pomeni tudi različno masno število A.

Klasičen primer je vodik in njegovi trije izotopi: protij \(^{1}_{1}\text{H}\) (nevtronov sploh nima), devterij \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 nevtron) in tritij \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 nevtrona). Kemično so izotopi skoraj nerazločljivi: v reakcijah glavno vlogo igrajo elektroni, teh pa imajo izotopi enako število.

Prav zaradi izotopov so atomske mase v periodnem sistemu zapisane z decimalnimi števili: to je povprečna vrednost vseh naravnih izotopov elementa. Klor ima na primer maso 35,45, ker je naravni klor zmes klora-35 in klora-37.

Beseda "atom" izvira iz grškega atomos — "nedeljiv": tako si ga je predstavljal že Demokrit, v začetku 19. stoletja pa je J. Dalton na ideji nedeljivega atoma zgradil prvo znanstveno teorijo. Vendar so odkritja na prehodu iz 19. v 20. stoletje pokazala: atom ima notranjo zgradbo.

• 1897 — Thomsonov model ("puding z rozinami"). J. Thomson je odkril elektron in predpostavil, da so elektroni vdelani v pozitivno nabito "sredino", kot rozine v pudingu.
• 1911 — Rutherfordov planetarni model. Z obstreljevanjem zlate folije z α-delci je E. Rutherford odkril, da sta skoraj vsa masa in ves pozitivni naboj zbrana v majhnem jedru, elektroni pa krožijo okoli njega kot planeti okoli Sonca.
• 1913 — Bohrov model. Niels Bohr je dopolnil: elektroni se ne gibljejo po poljubnih, temveč po strogo določenih tirih s fiksno energijo — tako so nastale energijske ravni.
• 1920-ta — kvantnomehanski model. Sodobna fizika elektrona ne opisuje kot kroglico na tirnici, temveč kot elektronski oblak — območje prostora, kjer lahko elektron najdemo z določeno verjetnostjo.

Planetarni model z ravnmi (kot na shemi zgoraj) šolska kemija uporablja še danes: za štetje delcev in razporeditev elektronov je njegova natančnost povsem zadostna.