atom
Atom — Atom – to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego posiadająca jeszcze własności chemiczne tego pierwiastka. Atomy określonych pierwiastków mają określoną masę atomową oraz specyficzne własności fizyczne.
Budowa atomu
Atom składa się z jądra, w którym znajdują się nukleony, o dodatnim ładunku elektrycznym i otaczających jądro elektronów o ładunkach ujemnych, tworzących tak zwaną chmurę elektronową. Elektrony o podobnej energii wchodzące w skład chmury tworzą powłoki elektronowe. Atom jest obojętny elektrycznie, ponieważ ładunki dodatnie i ujemne się równoważą. Jeśli w atomie występuje niedobór lub nadmiar elektronów, wtedy atom nazywa się jonem naładowanym ujemnie lub dodatnio.
Masa atomu niemal w całości jest skupiona w jądrze. Tworzą ją protony i neutrony, nazywane wspólnie nukleonami. Liczba protonów znajdujących się w jądrze atomowym tworzy liczbę atomową i jest oznaczana za pomocą litery Z. Suma protonów i neutronów tworzy łącznie liczbę masową i jest oznaczana za pomocą litery A. Atomy danego pierwiastka mogą różnić się między sobą liczbą masową, w zależności od tego ile neutronów znajduje się w ich jądrze.
Masa atomowa pierwiastka jest wyliczana, jako średnia liczb masowych z wielu atomów pierwiastka, dlatego zazwyczaj nie jest ona liczbą całkowitą.
Oddzielanie od jąder atomowych elektronów to jonizacja w wyniku, której otrzymywane są ładunki ujemne, czyli elektrony oraz ładunki dodatnie, czyli protony.
Ponieważ chmura elektronowa nadaje atomowi własności chemiczne i fizyczne, to elektrony, które są związane z jądrem atomowym, dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu, pozwalają atomom łączyć się w większe struktury, jakimi są cząsteczki.
Przestrzeń wokół atomu
W przestrzeni wokół atomu poruszają się elektrony, które według teorii Schrödingera można opisać w sposób matematyczny. Rozwiązaniem równania jest funkcja falowa lub inaczej orbital. Orbital jest taką przestrzenią, w której istnieje największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu lub maksymalnie dwóch elektronów. Istnieją cztery orbitale, nazwane s, p, d oraz f, które mają różne kształty. Spośród wszystkich orbitali, tylko w orbitalu s rozkład ładunku jest bezkierunkowy, natomiast w pozostałych jest on kierunkowy.
Każdy orbital ma swoją powłokę elektronową, której pojemność jest ograniczona. W ten sposób w powłoce pierwszej mieszczą się dwa elektrony, w drugiej do ośmiu elektronów, w trzeciej do osiemnastu i w czwartej do trzydziestu dwóch elektronów. Elektrony znajdujące się najdalej od jądra, mają największą energię.
Pojedynczo obsadzone orbitale mają odzwierciedlać liczbę wiązań kowalencyjnych, które mogą zostać utworzone w atomie. Jedynie atomy związane w cząsteczce mogą zostać wzbudzone. Atomy wolne nie ulegają wzbudzeniu.
Atomy posiadające do trzech elektronów walencyjnych na powłoce mogą tworzyć jedynie odpowiadającą tym elektronom liczbę wiązań walencyjnych. Atomy, które posiadają więcej elektronów walencyjnych, od czterech w górę, mogą tworzyć tyle wiązań ile jest im potrzebnych do zapełnienia orbitali s i p powłok walencyjnych. W ten sposób dążą do osiągnięcia oktetu na powłoce walencyjnej.
Izotopy
Każdy atom posiada liczbę atomową, określaną za pomocą litery Z i będącą liczbą protonów znajdujących się w jądrze oraz liczbę masową, oznaczaną literą A i będącą sumą protonów i neutronów. Liczba protonów w jądrze zawsze jest stała, natomiast liczba neutronów może się zmieniać. Atomy jednego pierwiastka, które różnią się między sobą liczbą neutronów są nazywane izotopami. Jednym z najbardziej znanych atomów posiadających izotopy jest wodór. Posiada on izotopy o nazwie deuter i tryt.
Izotopy dzieli się na stabilne, czyli takie, które nie rozpadają się samorzutnie oraz izotopy niestabilne, które rozpadają się samorzutnie. Z izotopów stabilnych, najwięcej izotopów trwałych tworzy cyna, która ma ich aż 10. O tym, czy izotop będzie stabilny czy też nie, decydują przemiany zachodzące wewnątrz jądra. Izotopy, które są niestabilne mogą samoistnie ulec rozpadowi promieniotwórczemu, wysyłając przy tym promieniowanie jonizujące. Efekt ten nazywa się radioaktywnością, która dotyczy większości izotopów naturalnie tworzących się w przyrodzie lub wytworzonych sztucznie przez człowieka.
Wiązanie atomowe
Wiązanie atomowe, inaczej kowalencyjne jest wynikiem sparowania dwóch elektronów, po jednym z każdego atomu, które mają przeciwny spin. Wiązanie to tworzą atomy, które nie różnią się elektroujemnością, lub różnica w elektroujemności jest niewielka. Wtedy para elektronów rozmieszczona jest symetrycznie pomiędzy oboma jądrami atomów, co oznacza, że oba jądra przyciągają elektrony z drugiego atomu z jednakową siłą.
Atomy, które tworzą wiązania kowalencyjne dążą do osiągnięcia konfiguracji gazu szlachetnego. W ten sposób, na przykład, atomy w cząsteczce wodoru dążą do osiągnięcia konfiguracji helu, a atomy w cząsteczce chloru dążą do osiągnięcia konfiguracji argonu. Jedynym wyjątkiem od tej reguły są atomy pierwiastków metalicznych, które nie wykazują tendencji do tworzenia wiązań kowalencyjnych.
Ponieważ nie zawsze wystarczają dwa elektrony do utworzenia oktetu, atomy mogą wiązać dwa lub trzy elektrony. Tworzą się w ten sposób wiązania wielokrotne, podwójne lub potrójne.
Te cząsteczki, w których występuje pojedyncze wiązanie atomowe, mają ładunek rozłożony symetrycznie, nie są więc cząsteczkami polarnymi.
Pojedyncze wiązania atomowe skierowane wzdłuż prostej, która łączy jądra dwóch atomów noszą nazwę wiązań sigma s. Istnieją trzy typy wiązań sigma, które powstają w wyniku nałożenia się na siebie różnych orbitali. Można wyróżnić wiązanie s-s, p-p oraz s-p.
Energia atomowa
Energia atomowa, inaczej jądrowa powstaje w wyniku przemian jądrowych. Wiązania, które tworzą się pomiędzy poszczególnymi jądrami atomów mają różną energię. Aby uzyskać energię z takiego wiązania, w reaktorze atomowym dochodzi do przebiegu kontrolowanej reakcji łańcuchowej, podczas której jądro atomowe rozpada się wydzielając energię. Tak powstałą energię można później przetworzyć na energię elektryczną. W reaktorze jądrowym używa się jąder uranu, które rozpadają się na dwie prawie równe części, wydzielając przy tym ogromną ilość energii.
Wielki Zderzacz Hadronów
Wielki Zderzacz Hadronów, lub inaczej Akcelerator LHC (ang. Large Hadron Collider) to skomplikowane urządzenie, będące rodzajem mikroskopu, znajdujące się w ośrodku CERN pod Genewą. Za jego pomocą możliwe jest badanie świata w bardzo małej skali. Dochodzi w nim do zderzania wiązek protonów lub jąder ołowiu, poruszających się w przeciwnych kierunkach. Działanie LHC napędza cały kompleks akceleratorów, których zadaniem jest rozpędzanie cząstek jądrowych do coraz większych prędkości.
Cały proces rozpoczyna się jednak od atomów wodoru, które składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy wodoru są pobierane raz na kilka godzin i jonizowane, w celu oddzielenia od nich elektronów. Otrzymane w ten sposób protony są przekierowywane do akceleratora liniowego, rozpędzane do trzydziestu procent prędkości światła, by następnie trafić do kolejnego akceleratora, gdzie ich energia kinetyczna wzrasta niemal trzydziestokrotnie. To jednak jeszcze nie koniec drogi, ponieważ są przepuszczane do kolejnych akceleratorów, gdzie na każdym etapie, za każdym razem zwiększają energię dwudziestokrotnie, by w końcu trafić do wnętrza tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Jądra ołowiu są rozpędzane w trochę inny sposób, ale ostatecznie także trafiają do tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów.
W LHC cząstki biegną kilkucentymetrowymi rurami i są formowane w wiązki, które będą poruszały się w przeciwległych kierunkach. Panuje tu ultra wysoka próżnia, która powoduje, że cząstki nie rozpraszały zbyt szybko w gazach.
Energia cząstek jest bardzo wysoka. Energia jednej paczki dorównuje eksplozji nawet 80 kilogramów trotylu, natomiast w ostatecznej konfiguracji uzyskuje energię pociągu o masie 800 ton, poruszającego się z prędkością 150 km/h.
