Atomens uppbyggnad: vad består en atom av

En atom är den minsta delen av ett grundämne som behåller dess egenskaper. Den är enklare uppbyggd än man kan tro, med bara två huvuddelar:

• Atomkärnan — atomens centrum. Här finns två sorters partiklar: positiva protoner och neutrala neutroner. Kärnan är ofattbart liten — ungefär 100 000 gånger mindre än själva atomen — men det är här över 99,9 % av massan finns.
• Elektronskalet — resten av atomens utrymme, där lätta negativa elektroner rör sig runt kärnan.

Om man förstorar en atom till storleken av en arena, skulle kärnan vara en ärta i mitten av planen — allt annat upptas av det "nästan tomma" elektronskalet.

Alla atomer i universum är uppbyggda av bara tre sorters partiklar — det är bara antalet som skiljer dem åt. Det är praktiskt att jämföra partiklarna utifrån tre egenskaper: laddning, massa och "hemvist".

Protonen och neutronen har nästan samma massa — ungefär 1 u (atommassenhet) vardera. Elektronen är ungefär 1836 gånger lättare, så dess massa försummas oftast vid beräkningar. Protonens och elektronens laddningar är däremot lika stora men med motsatt tecken: så länge en atom har lika många protoner som elektroner är den elektriskt neutral.

Sammansättningen av varje atom beskrivs av två tal:

• Atomnummer Z — antalet protoner i kärnan. Detta är grundämnets ordningsnummer i periodiska systemet: nr 1 är väte (1 proton), nr 8 är syre (8 protoner), nr 79 är guld (79 protoner). Därför är antalet protoner i kärnan lika med antalet elektroner i en neutral atom.
• Masstal A — det totala antalet partiklar i kärnan: \(A = Z + N\), där N är antalet neutroner. Härifrån får vi den viktigaste formeln för skoluppgifter: \(N = A - Z\).

Atomens sammansättning skrivs så här: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Till exempel \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — klor, som har 17 protoner och 35 − 17 = 18 neutroner. Minneslistan nedan visar hela algoritmen i tre steg.

Elektroner flyger inte runt kärnan hur som helst: de placeras i energinivåer (skal). Ju längre bort från kärnan ett skal är, desto fler elektroner rymmer det — maxantalet beräknas med formeln \(2n^2\):

• 1:a skalet — högst 2 elektroner;
• 2:a skalet — högst 8;
• 3:e skalet — högst 18;
• 4:e skalet — högst 32.

Skalen fylls i ordning, inifrån och ut. Till exempel har syre (Z = 8) elektronerna fördelade som 2, 6; natrium (Z = 11) som 2, 8, 1; klor (Z = 17) som 2, 8, 7. Elektroner i det yttersta skalet kallas valenselektroner — det är dessa som deltar i kemiska reaktioner och bestämmer grundämnets egenskaper.

Antalet skal kan också utläsas från periodiska systemet: det är lika med numret på den period där grundämnet står. I högre årskurser delas skalen upp i underskal (s, p, d, f) och man skriver elektronkonfigurationer — till exempel har syre 1s²2s²2p⁴.

Antalet protoner i ett grundämne kan inte ändras: lägg till en proton i kärnan så får du ett annat grundämne. Men antalet neutroner kan variera. Isotoper är atomer av samma grundämne med samma Z, men olika antal neutroner, och därmed olika masstal A.

Ett klassiskt exempel är väte och dess tre isotoper: protium \(^{1}_{1}\text{H}\) (inga neutroner), deuterium \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutron) och tritium \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutroner). Kemiskt är isotoper nästan identiska: i reaktioner är det elektronerna som spelar huvudrollen, och isotoper har lika många elektroner.

Det är på grund av isotoper som atommassorna i periodiska systemet är decimaltal: det är ett vägt genomsnitt av alla naturligt förekommande isotoper av grundämnet. Klor har till exempel 35,45 — eftersom naturligt klor består av en blandning av klor-35 och klor-37.

Ordet "atom" kommer från grekiskans atomos — "odelbar": så föreställde sig Demokritos den, och i början av 1800-talet byggde John Dalton sin första vetenskapliga teori på idén om den odelbara atomen. Men upptäckter kring sekelskiftet 1900 visade att atomen har en inre struktur.

• 1897 — Thomsons modell ("russinkaka"). J.J. Thomson upptäckte elektronen och föreslog att elektroner var inbäddade i en positivt laddad "massa", som russin i en kaka.
• 1911 — Rutherfords planetmodell. Genom att beskjuta guldfolie med alfapartiklar upptäckte E. Rutherford att nästan all massa och hela den positiva laddningen var koncentrerad till en pytteliten kärna, och att elektronerna rörde sig runt den som planeter runt solen.
• 1913 — Bohrs modell. Niels Bohr förfinade modellen: elektroner rör sig inte i vilka banor som helst, utan i bestämda banor med fixerad energi — så uppstod energinivåerna.
• 1920-talet — kvantmekanisk modell. Modern fysik beskriver inte elektronen som en kula i en bana, utan som ett elektronmoln — ett område i rymden där elektronen kan finnas med en viss sannolikhet.

Planetmodellen med skal (som i schemat ovan) används fortfarande i skolkemin: för att räkna partiklar och fördela elektroner räcker dess precision gott och väl.