Czym są atom, elektron, neutron i proton?

Atom, wywodzący się z greckiego słowa, które luźno tłumaczy się jako „to, czego nie można podzielić”, jest powszechnie uważany za podstawową jednostkę wszelkiej materii. Atomy składają się z cząstek subatomowych zwanych protonami, neutronami i elektronami, przy czym dwa pierwsze znajdują się w jądra atomu i odpowiadając za prawie całą jego masę, a elektrony ograniczone do orbitali na krawędzi atom. Liczba protonów w naturalnie występujących atomach waha się od 1 do 92; te różne atomy odpowiadają pierwiastkom, które mają różne właściwości elektrochemiczne ze względu na ich różne masy i wyjątkowe rozmieszczenie ich maleńkich cząstek składowych w przestrzeni.

Atomy są niezwykle małymi cząsteczkami i nie można ich dalej dzielić inaczej niż za pomocą nadzwyczajnych środków. Pomyśl o kawałkach, które składają się na układankę. Technicznie można je rozdzielić na mniejsze kawałki tektury i papieru, niszcząc je, ale ze względów praktycznych są to podstawowe, niepodzielne elementy puzzli.

Atomy składają się z protonów, które przenoszą dodatni ładunek elektryczny; elektrony, które przenoszą ładunek ujemny; i neutrony, które nie niosą ładunku. Tak więc w zwykłym, elektrycznie obojętnym atomie liczba protonów i liczba elektronów jest równa.

Masa atomowa atomu jest w przybliżeniu równa liczbie protonów plus liczba elektronów, ponieważ masa elektronów jest praktycznie pomijalna.

Proton jest w efekcie cząstką wskaźnikową każdego atomu. To liczba protonów w atomie określa tożsamość pierwiastka, do którego należy atom; innymi słowy, jeśli dwa atomy mają różną liczbę protonów, nie są tym samym pierwiastkiem.

Liczba protonów w elemencie określa jego liczbę atomową Z. Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem i ma jeden proton (Z = 1); uran jest najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem i ma 92 protony (Z = 92). Każdy proton, któremu przypisano masę 1.00728 jednostek masy atomowej (amu), ma ładunek oznaczony jako +1.

Atomy mogą istnieć tylko z protonem w swoim jądrze, tak jak w przypadku atomów wodoru. Jądro bez co najmniej jednego towarzyszącego protonu nie jest jednak atomem.

Neutrony mają wielkość zbliżoną do protonów, mają amu wynoszącą 1,00867, a także zamieszkują jądra atomów. Liczba neutronów w atomie w najbardziej stabilnej konfiguracji pierwiastka jest zwykle większa niż liczba protonów, przy czym ta dysproporcja rośnie wraz ze wzrostem liczby atomowej. Na przykład atom wodoru ma proton, ale nie ma neutronów, podczas gdy atom helu ma po dwa z każdego z nich. Z drugiej strony cyna ma 50 protonów i 69 neutronów, podczas gdy uran ma odpowiednio 92 i 146.

Liczba protonów i neutronów w atomie to jego liczba masowa, M. Zatem liczba neutronów w atomie to jego liczba masowa minus jego liczba atomowa, czyli M – Z.

Jeśli atom zyskuje lub traci neutrony, pozostaje tym samym pierwiastkiem, ale staje się izotopem tego pierwiastka. Różne izotopy są identyfikowane przez dodanie M do lewego górnego rogu skrótu tego pierwiastka. Na przykład, ¹⁴C jest izotopem węgla (Z = 6), który ma osiem neutronów zamiast zwykłych sześciu.

Elektrony to maleńkie (0,000549 amu), ujemnie naładowane cząstki, które krążą wokół protonów i neutronów tworzących jądro atomu, podobnie jak planety krążące wokół Słońca. Jest to jednak w najlepszym razie przybliżony opis, ponieważ postępy w fizyce kwantowej doprowadziły do ​​koncepcji dyskretnych orbitali wokół jądra. pomiędzy którymi elektrony mogą „przeskakiwać”. Te orbitale odpowiadają różnym poziomom energii elektromagnetycznej i mają nazwy takie jak s, p, d i f. Ruch elektronów wynika z ich ładunku -1 i przyciągania do dodatnio naładowanego jądra.

Zwykle liczba elektronów w atomie jest równa Z, co sprawia, że ​​atomy te są neutralne pod względem całkowitego ładunku. Niektóre atomy mają różną liczbę protonów i elektronów, co skutkuje dodatnim lub ujemnym ładunkiem netto. Te atomy nazywane są jonami.