Aatom

Ajalugu

Sõna "aatom" tuleneb kreekakeelsest (ἀτόμος) "atomos", jagamatu, sõnast (ἀ)-, mitte, ja τόμος, lõik. Esimene ajalooline mainimine sõnast "aatom" pärineb kreeka filosoofi Demokritose töödest umbes 400 eKr. Aatomiteooria jäi peamiselt filosoofiliseks teemaks, mille tegelik teaduslik uurimine või uurimine jäi väheseks, kuni keemia arenguni 1650. aastatel.

1777. aastal defineeris prantsuse keemik Antoine Lavoisier esimest korda mõiste "element". Ta ütles, et element on mis tahes põhiaine, mida ei saa keemiliste meetoditega teisteks aineteks lagundada. Iga aine, mida saab lagundada, on ühend.

1803. aastal pakkus inglise filosoof John Dalton välja, et elemendid on väikesed, tahked pallid, mis koosnevad aatomitest. Dalton uskus, et kõigil ühe ja sama elemendi aatomitel on ühesugune mass. Ta ütles, et ühendid tekivad, kui mitme elemendi aatomid ühinevad. Daltoni arvates kombineeruvad teatavas ühendis elemendi aatomid alati ühtemoodi.

1827. aastal vaatles Briti teadlane Robert Brown oma mikroskoobi all õietolmuterasid vees. Õietolmuterad näisid kõikusid. Brown kasutas Daltoni aatomiteooriat, et kirjeldada nende liikumise mustreid. Seda nimetati Browni liikumiseks. 1905. aastal kasutas Albert Einstein matemaatikat, et tõestada, et näiliselt juhuslikud liikumised on põhjustatud aatomite reaktsioonidest, ning tõestas sellega lõplikult aatomi olemasolu. 1869. aastal avaldas vene teadlane Dmitri Mendelejev esimese versiooni perioodilisustabelist. Perioodiline tabel rühmitab elemendid nende aatomiarvu järgi (kui palju prootoneid neil on. See on tavaliselt sama, mis elektronide arv). Samas veerus ehk perioodis olevad elemendid on tavaliselt sarnaste omadustega. Näiteks heelium, neoon, argoon, krüptoon ja ksenoon on kõik samas veerus ja neil on väga sarnased omadused. Kõik need elemendid on gaasid, millel ei ole värvi ega lõhna. Samuti ei suuda nad teiste aatomitega ühenduda, et moodustada ühendeid. Koos nimetatakse neid väärisgaasideks.

Füüsik J. J. Thomson oli esimene inimene, kes avastas elektronid. See juhtus, kui ta töötas 1897. aastal katoodkiirtega. Ta mõistis, et neil on negatiivne laeng, erinevalt prootonitest (positiivsed) ja neutronitest (laenguta). Thomson lõi ploomipudingi mudeli, mille kohaselt on aatom nagu ploomipuding: kuivatatud puuviljad (elektronid) on kinni pudingimassis (prootonid). 1909. aastal tõestas teadlane Ernest Rutherford Geiger-Marsdeni katse abil, et suurem osa aatomist asub väga väikeses ruumis, mida nimetatakse aatomituumaks. Rutherford võttis fotoplaadi, kattis selle kuldfooliumiga ja tulistas sellele alfaosakesi (mis koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist, mis on kokku kleepunud). Paljud osakesed läksid läbi kullakile, mis tõestas, et aatomid on enamasti tühi ruum. Elektronid on nii väikesed, et moodustavad vaid 1% aatomi massist.

1913. aastal tutvustas Niels Bohr Bohri mudelit. See mudel näitas, et elektronid liiguvad ümber tuuma kindlatel ringiratastel. See oli täpsem kui Rutherfordi mudel. Siiski ei olnud see veel täiesti õige. Bohri mudelit on pärast selle esmakordset kasutuselevõttu täiustatud.

1925. aastal leidis keemik Frederick Soddy, et mõnedel elementidel on perioodilisustabelis rohkem kui üks aatomi liik. Näiteks peaks iga aatom, millel on 2 prootonit, olema heeliumi aatom. Tavaliselt sisaldab heeliumi aatomituum ka kaks neutronit. Mõnel heeliumi aatomil on aga ainult üks neutron. See tähendab, et nad on tõesti heelium, sest element on määratletud prootonite arvu järgi, kuid nad ei ole ka tavaline heelium. Soddy nimetas sellist aatomit, millel on erinev neutronite arv, isotoobiks. Isotoobi nime saamiseks vaatame, mitu prootonit ja neutronit tal tuumas on, ja lisame selle elemendi nimele. Nii nimetatakse heeliumi aatomi, millel on kaks prootonit ja üks neutron, heelium-3-ks ja süsiniku aatomi, millel on kuus prootonit ja kuus neutronit, süsiniku-12-ks. Kuid oma teooria väljatöötamisel ei saanud Soddy olla kindel, et neutronid on tegelikult olemas. Nende olemasolu tõestamiseks lõi füüsik James Chadwick koos meeskonnaga massispektromeetri. Massispektromeeter mõõdab tegelikult üksikute aatomite massi ja kaalu. Sellega tõestas Chadwick, et kogu aatomi massi arvestamiseks peavad neutronid olema olemas.

1937. aastal sai saksa keemik Otto Hahnist esimene inimene, kes suutis laboris tuumalõhustumist tekitada. Ta avastas selle juhuslikult, kui ta tulistas neutroneid uraani aatomile, lootes luua uut isotoopi. Kuid ta märkas, et uue isotoobi asemel muutus uraan lihtsalt baariumi aatomiks, mis on uraanist väiksem aatom. Ilmselt oli Hahn uraani aatomi "lõhkunud". See oli maailma esimene registreeritud tuumalõhustumisreaktsioon. See avastus viis lõpuks aatomipommi loomisele.

Veel 20. sajandil süvenesid füüsikud aatomi saladustesse. Kasutades osakeste kiirendeid, avastasid nad, et prootonid ja neutronid koosnevad tegelikult teistest osakestest, mida nimetatakse kvarkideks.

Seni kõige täpsem mudel pärineb Schrödingeri võrrandist. Schrödinger mõistis, et elektronid eksisteerivad tuuma ümber pilves, mida nimetatakse elektronipilveks. Elektronipilves on võimatu täpselt teada, kus elektronid asuvad. Schrödingeri võrrandit kasutatakse selleks, et välja selgitada, kus elektron tõenäoliselt asub. Seda ala nimetatakse elektroni orbiidiks.

Ernest Rutherford

Struktuur ja osad

Osad

Kompleksne aatom koosneb kolmest põhiosakesest: prootonist, neutronist ja elektronist. Vesiniku isotoopil Vesinik-1 ei ole neutroneid, vaid ainult üks prooton ja üks elektron. Positiivsel vesinikuioonil ei ole elektrone, vaid ainult üks prooton ja üks neutron. Need kaks näidet on ainsad teadaolevad erandid reeglist, et kõigil teistel aatomitel on kummalgi vähemalt üks prooton, üks neutron ja üks elektron.

Elektronid on kolmest aatomiosakesest kaugelt kõige väiksemad, nende mass ja suurus on liiga väikesed, et neid saaks praeguse tehnoloogia abil mõõta. Neil on negatiivne laeng. Prootonid ja neutronid on üksteisega sarnase suuruse ja massiga, prootonid on positiivselt laetud ja neutronid laenguta. Enamik aatomeid on neutraalse laenguga; kuna prootonite (positiivne) ja elektronide (negatiivne) arv on sama, siis laengud tasakaalustuvad nullini. Kuid ioonidel (erinev arv elektrone) ei ole see alati nii ja neil võib olla positiivne või negatiivne laeng. Prootonid ja neutronid koosnevad kvarkidest, mida on kahte tüüpi: üles- ja allakvarkidest. Prooton koosneb kahest ülespoole suunatud kvarkist ja ühest allapoole suunatud kvarkist ning neutron koosneb kahest allapoole suunatud kvarkist ja ühest ülespoole suunatud kvarkist.

Nucleus

Aatomi keskel asub aatomi tuum. See koosneb prootonitest ja neutronitest. Tavaliselt looduses kaks sama laenguga asja tõrjuvad või löövad teineteisest eemale. Seega oli teadlastele pikka aega mõistatus, kuidas positiivselt laetud prootonid tuumas koos püsivad. Nad lahendasid selle, leides osakese, mida nimetatakse gluooniks. Selle nimi tuleneb sõnast "liim", sest gluoonid toimivad nagu aatomiliim, kleepides prootonid kokku tugeva tuumajõu abil. Just see jõud hoiab koos ka kvarkke, mis moodustavad prootonid ja neutronid.

Neutronite arv prootonite suhtes määrab, kas tuum on stabiilne või läbib radioaktiivse lagunemise. Kui neutroneid või prootoneid on liiga palju, püüab aatom liigsetest osakestest vabanemise teel arvud samaks muuta. Seda teeb ta alfa-, beeta- või gammahajumise kujul kiirguse eraldamise teel. Tuumad võivad muutuda ka muul viisil. Tuuma lõhustumisel lõhustub aatomituum kaheks väiksemaks tuumaks, kusjuures vabaneb palju salvestatud energiat. See energia vabanemine on see, mis teeb tuumalõhustumise kasulikuks pommide ja elektrienergia valmistamiseks tuumaenergia kujul. Teine viis, kuidas tuumad võivad muutuda, on tuumasünteesi kaudu, kui kaks tuuma ühinevad ehk sulanduvad, et luua raskem tuuma. See protsess nõuab äärmuslikku energiat, et ületada prootonite vaheline elektrostaatiline tõrjumine, kuna neil on sama laeng. Selline suur energia on kõige tavalisem tähtede puhul, nagu meie Päike, mis sulatab kütuseks vesinikku.

Elektronid

Elektronid tiirlevad või liiguvad ümber tuuma. Neid nimetatakse aatomi elektronipilveks. Neid tõmbab tuuma poole elektromagnetilinejõud. Elektronidel on negatiivne laeng ja tuumal on alati positiivne laeng, mistõttu nad tõmbavad üksteist ligi. Aatomituuma ümber on mõned elektronid kaugemal kui teised, erinevates kihtides. Neid nimetatakse elektronkehadeks. Enamiku aatomite esimesel kestal on kaks elektroni ja kõigil järgnevatel kaheksa elektroni. Erandeid esineb harva, kuid neid juhtub ja neid on raske ette näha. Mida kaugemal on elektron tuumast, seda nõrgem on tuuma tõmme sellele. Seetõttu reageerivad suuremad aatomid, millel on rohkem elektrone, kergemini teiste aatomitega. Tuuma elektromagnetism ei ole piisavalt tugev, et oma elektronidest kinni hoida, ja aatomid kaotavad elektrone väiksemate aatomite tugeva tõmbejõu tõttu.

Joonis, mis näitab tuumasünteesi peamist raskust, nimelt seda, et positiivse laenguga prootonid tõrjuvad üksteist kokku surudes.

Radioaktiivne lagunemine

Mõnedel elementidel ja paljudel isotoopidel on nn ebastabiilne tuum. See tähendab, et tuum on kas liiga suur, et end koos hoida, või on selles liiga palju prootoneid või neutroneid. Kui see juhtub, peab tuum vabanema liigsest massist või osakestest. Seda teeb ta kiirguse abil. Aatomi, mis seda teeb, võib nimetada radioaktiivseks. Ebastabiilsed aatomid on jätkuvalt radioaktiivsed, kuni nad kaotavad piisavalt massi/osakesi, et muutuda stabiilseks. Kõik aatomid üle aatomiarvu 82 (82 prootonit, plii) on radioaktiivsed.

On olemas kolm peamist radioaktiivse lagunemise tüüpi: alfa-, beeta- ja gammakiirgus.

• Alfa lagunemine on siis, kui aatomist eraldub osakest, millel on kaks prootonit ja kaks neutronit. See on sisuliselt heeliumi tuum. Tulemuseks on element, mille aatomiarv on kaks korda väiksem kui varem. Näiteks kui berülliumi aatom (aatomiarv 4) läbiks alfahajumise, muutuks ta heeliumiks (aatomiarv 2). Alfa lagunemine toimub siis, kui aatom on liiga suur ja tal on vaja vabaneda mõnest massist.
• Beeta lagunemine on see, kui neutron muutub prootoniks või prooton neutroniks. Esimesel juhul tulistab aatom välja elektroni. Teisel juhul on tegemist positroniga (nagu elektron, kuid positiivse laenguga). Lõpptulemuseks on element, mille aatomiarv on ühe võrra suurem või ühe võrra väiksem kui varem. Beeta lagunemine toimub siis, kui aatomil on kas liiga palju prootoneid või liiga palju neutroneid.
• Gammahajumine on see, kui aatomist kiirgab välja gammakiirgust ehk lainet. See juhtub siis, kui tuuma energia muutub. Tavaliselt toimub see pärast seda, kui tuum on juba läbinud alfa- või beeta- lagunemise. Seejuures ei muutu aatomi mass ega aatomi arv, vaid ainult tuuma sees salvestatud energia.

Igal radioaktiivsel elemendil või isotoobil on poolväärtusaeg. See on aeg, mis kulub poolele selle tüüpi aatomitest, et laguneda, kuni nad muutuvad teiseks stabiilseks isotoobiks või elemendiks. Suurtel aatomitel või isotoopidel, mille prootonite ja neutronite arv on väga erinev, on seega pikk poolväärtusaeg, sest nad peavad kaotama rohkem neutroneid, et muutuda stabiilseks.

Marie Curie avastas esimese kiirguse vormi. Ta leidis selle elemendi ja nimetas selle raadiumiks. Ta oli ka esimene Nobeli preemia naissoost laureaat.

Frederick Soddy viis läbi katse, et jälgida, mis juhtub raadiumi lagunemisel. Ta asetas proovi elektripirni ja ootas, kuni see laguneb. Järsku ilmus lambis heelium (mis sisaldab 2 prootonit ja 2 neutronit) ja selle katse põhjal avastas ta, et seda tüüpi kiirgusel on positiivne laeng.

James Chadwick avastas neutroni, vaadeldes eri tüüpi radioaktiivsete isotoopide laguprodukte. Chadwick märkas, et elementide aatomarv oli väiksem kui aatomi summaarne aatommass. Ta jõudis järeldusele, et elektronid ei saa olla lisamassi põhjuseks, sest neil vaevalt on mass.

Enrico Fermi kasutas neutroneid, et tulistada neid uraani. Ta avastas, et uraan laguneb palju kiiremini kui tavaliselt ja tekitab palju alfa- ja beetaosakesi. Ta uskus ka, et uraan muutus uueks elemendiks, mida ta nimetas hesperiumiks.

Otto Hanh ja Fritz Strassmann kordasid Fermi eksperimenti, et näha, kas uus element hesperium on tõepoolest tekkinud. Nad avastasid kaks uut asja, mida Fermi ei täheldanud. Palju neutroneid kasutades lõhenes aatomi tuum, tekitades palju soojusenergiat. Samuti olid juba avastatud uraani lõhustumisproduktid: toorium, pallaadium, raadium, radoon ja plii.

Seejärel märkas Fermi, et ühe uraani aatomi lõhustumisel eraldub rohkem neutroneid, mis seejärel lõhustavad teisi aatomeid, tekitades ahelreaktsioone. Ta mõistis, et seda protsessi nimetatakse tuumalõhustumiseks ja see võib tekitada tohutul hulgal soojusenergiat.

Just see Fermi avastus viis esimese tuumapommi väljatöötamiseni, mille koodnimetus oli "Trinity".