Građa atoma

Uvod

Naš planet, pa i mi sami nastali smo, slikovito rečeno, iz zvjezdane prašine. Naime, ugljik u našem tijelu, silicij u stijenama, kisik u zraku i u vodi, željezo u konstrukcijama mostova i nebodera diljem svijeta, kao i ostali prirodni kemijski elementi koje poznajemo, nastali su kao posljedica eksplozije zvijezda.

Kemijski elementi su tvari koje se sastoje od samo jedne vrste atoma.

Do danas je poznato 118 kemijskih elemenata, od kojih se 91 pronalazi u prirodi. Preostalih 27 elemenata dobiveno je u znanstvenim laboratorijima.

Jedan od najvećih fizičara 20. stoljeća američki je nobelovac Richard Feynman (1918. – 1988.). On je u svojoj knjizi „Šest lakih komada“ postavio pitanje:

„Kada bi u nekoj kataklizmi sve znanje bilo uništeno i kada bi budućim generacijama mogli ostaviti samo jednu rečenicu, koja bi rečenica s najmanje riječi sadržavala najviše informacija?“

Poznati nobelovac zaključio je da je to hipoteza o atomu, odnosno rečenica, u slobodnom prijevodu: Atomi su osnovne građevne jedinice većine tvari.

Razvojem eksperimentalne fizike otkriven je velik broj čestica koje se uz protone, neutrone i elektrone nalaze u atomima. Dijelimo ih u četiri osnovne skupine: kvanti polja (fotoni), leptoni, barioni i mezoni. Teorijski fizičari pretpostavljaju da će se u budućnosti eksperimentalno potvrditi veliki broj novih čestica.

Građa atoma

Prisjetite se što ste u osnovnoj školi učili o građi atoma (vidite jedinicu 3.1 Građa atoma u DOS-u Kemija 7).

Atom je neutralna čestica koja se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog elektronskog omotača.

Krajem 19. stoljeća i početkom 20. stoljeća došlo se do spoznaje da je atom izgrađen od subatomskih čestica: protona, elektrona i neutrona.

Svojstva navedenih čestica su:

Proton, (p⁺), stabilna je subatomska čestica mase 1,673 × 10^-27 kg, ima pozitivan elementarni naboj + 1,602 × 10^-19 C, a nabojni broj mu je +1. Ime joj je dao E. Rutherford 1920. godine.

Neutron, (n), je neutralna subatomska čestica mase 1,675 × 10^-27 kg. Nabojni broj neutrona je 0. Otkrio ga je 1932. godine J. Chadwick.

Elektron, (e^–), kao subatomsku česticu otkrio je 1897. godine J. J. Thomson. Masa elektrona iznosi 9,109 × 10^-31 kg i ima negativan elementarni naboj – 1,602 × 10^-19 C. Nabojni broj elektrona je -1.

Elementarni se naboj označava slovom e. Vrijednost elementarnog naboja utvrđena je eksperimentalnim putem.

\(z = \dfrac{Q}{e}\)

z      =     nabojni broj

Q    =      električni naboj

e    =     elementarni naboj,       e= 1,602 × 10^-19 C

Nabojni broj električki nabijene čestice određen je omjerom naboja te čestice, Q, i elementarnog naboja, e, a označuje se slovom z.

Rutherfordov pokus

Nakon što je početkom dvadesetog stoljeća dokazano da atomi nisu nedjeljive čestice (otkriće radioaktivnosti) počelo se intenzivnije proučavati građu atoma.

Osnovne spoznaje o građi atoma dao je Ernest Rutherford. Tijekom 1909. godine on je sa svojim suradnicima načinio niz pokusa istražujući prolazak α-čestica (jezgre helijevih atoma) kroz vrlo tanki listić zlata. Najveći je broj α-čestica prošao kroz taj listić, dio njih je skrenuo s pravocrtnog puta, a poneke α-čestice su se, na veliko iznenađenje istraživača, vratile natrag.

Temeljem tog pokusa Rutherford je izradio fizički model atoma. Odbijanje malog broja α-čestica od listića zlata i otklon pojedinih α-čestica od pravocrtne putanje Rutheforda je navelo na zaključak da su naboj i masa atoma koncentrirani u njegovom središtu. To je središte kasnije nazvano jezgrom atoma.

S obzirom da je najveći broj α-čestica bez prepreka prošao kroz listić zlata, zaključio je da je atom najvećim dijelom prazan prostor. U tom se prostoru, pretpostavio je, nalaze samo male, negativno nabijene čestice zanemarive mase.

Zahvaljujući (i) Ruthefordu danas znamo da je atom sastavljen od pozitivno nabijene jezgre i elektronskog omotača u kojem se gibaju negativno nabijeni elektroni.

Iako je masa atoma gotovo jednaka masi atomske jezgre, jezgra zauzima jako mali dio volumena atoma. Naime, promjer jezgre iznosi od 10^-15 m do 10^-14 m, dok je približan promjer atoma 10^-10 m.

Protonski i nukleonski broj

Broj protona u jezgri atoma naziva se protonskim brojem i označuje slovom, Z. Budući da je atom neutralna čestica, broj protona i elektrona u atomu je jednak. Stoga, uz broj protona u atomu, protonski broj označava i broj elektrona.

\(Z = N(\textrm{p}^+) = N(\textrm{e}^-)\)

Osim protonskim brojem, Z, atom je određen i nukleonskim brojem, A. Nukleonski broj, A, jednak je ukupnom broju nukleona (protona i neutrona) u jezgri.

\(A = N(\textrm{p}^+) + N(\textrm{n})\)

Protonski broj, Z, piše se uz simbol kemijskog elementa, kao lijevi donji indeks, a nukleonski broj, A, kao lijevi gornji indeks.

Na temelju istraživačkog miniprojekta, radom u skupinama, istražite povijesni razvoj ideje o građi atoma. Pretražite mrežne stranice po ključnim pojmovima, npr. atom, razvoj spoznaja o građi atoma, suvremene teorije građe atoma i sl. Unutar skupine u alatu Xmind načinite mentalnu mapu i na taj način usustavite ključne pojmove povezane s razvojem ideje o građi atoma (jezgra, elektronski omotač, elektron, proton, neutron, nukleoni, nabojni broj: -1, nabojni broj: +1, itd.)

Svoje uratke predstavite suučenicima u razredu. Izaberite najkreativniju i najbolje usustavljenu mentalnu mapu. Ne zaboravite istražiti i umetnuti u mentalnu mapu i neke zanimljivosti iz života i rada Ruđera Boškovića.