Τι είναι Άτομο (ως σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου)

Πρώτος ο Δημόκριτος διατύπωσε την υπόθεση ότι η ύλη δεν είναι “επ’ άπειρον” διαιρετή, αλλά αποτελείται από μικρότατα “άτμητα” σωματίδια, που γι αυτό το λόγο ονομάστηκαν άτομα. Η άποψη αυτή του Δημόκριτου δεν προήλθε από παρατηρήσεις ή πειράματα, αλλά από φιλοσοφικούς συλλογισμούς.

Τον περασμένο αιώνα ο Dalton στην προσπάθειά του να εξηγήσει τους νόμους της χημείας και τη συμπεριφορά των σωμάτων κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων διαμόρφωσε σε επιστημονική θεωρία – την ατομική θεωρία – που επιβεβαιώθηκε από μετέπειτα πειράματα. Η ατομική θεωρία παραδέχεται ότι δεν υπάρχει άπειρη ποικιλία διάφορων ατόμων, αλλά περιορισμένος αριθμός από αυτά και μάλιστα υπάρχουν τόσα είδη ατόμων, όσα και τα χημικά στοιχεία και ότι όλα τα άτομα ενός στοιχείου είναι ομοειδή και έχουν το ίδιο πάντα βάρος, ενώ τα άτομα των διάφορων στοιχείων έχουν διάφορο βάρος.

Τα άτομα, σε πολλές περιπτώσεις, ενώνονται μεταξύ τους με ορισμένες απλές αναλογίες και σχηματίζουν μεγαλύτερα συγκροτήματα που ονομάζονται μόρια. Τα μόρια των απλών σωμάτων αποτελούνται από άτομα του ίδιου είδους ή από ένα μόνο άτομο (ατμοί μετάλλων, ευγενή αέρια). Τα μόρια των συνθέτων σωμάτων αποτελούνται από άτομα διάφορων ειδών.

Ατομικό βάρος

Κάθε άτομο σαν υλικό σώμα έχει ένα πάρα πολύ μικρό βάρος. Τούτο το απόλυτο βάρος είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστεί. Έτσι προσδιορίζεται το σχετικό βάρος ως εξής:

Στην αρχή μονάδα αποτέλεσε το βάρος του ατόμου του υδρογόνου (Η) του ελαφρότερου από όλα τα χημικά στοιχεία. Σύγκριναν δηλαδή πόσες φορές βαρύτερο ήταν το άτομο ενός οποιουδήποτε στοιχείου π.χ. του σιδήρου (Fe) από το άτομο του υδρογόνου.

Αργότερα διαπίστωσαν ότι είναι ακριβέστερο, αν διαλέξουν για μονάδα το 1/16 του βάρους του ατόμου του οξυγόνου, που ελάχιστα διαφέρει από το βάρος ενός ατόμου υδρογόνου. Νεότερες, όμως, έρευνες απόδειξαν ότι το φυσικό οξυγόνο, δε συνίσταται από ένα είδος ατόμων.

Έτσι από το 1961, η I.U.P.Α.C. (International Union of Pure and Applied Chemistry – Διεθνής Ένωσις Καθαρής και Εφηρμοσμένης Χημείας) καθόρισε σαν πρότυπο το ισότοπο του άνθρακα 12C και από τότε σαν μονάδα της κλίμακας των ατομικών βαρών παίρνεται το 1/12 του βάρους αυτού.

Έτσι, ατομικό βάρος στοιχείου καλείται ο αριθμός που δείχνει πόσες φορές είναι βαρύτερο το άτομο του στοιχείου από το 1)12 του βάρους του ισοτόπου του άνθρακα 12 C.

Π.χ. το ατομικό βάρος του νατρίου (Να) είναι 23, δηλ. το άτομο αυτού είναι 23 φορές βαρύτερο από το 1/12 του βάρους του ισοτόπου 12C.

Φαίνεται ότι το ατομικό βάρος, παρά την ονομασία του, δεν είναι βάρος, αλλά καθαρός αριθμός, σαν πηλίκο δύο βαρών.

Δομή του ατόμου

Με την ανακάλυψη ορισμένων φαινομένων όπως της ραδιενέργειας των ακτίνων Χ κλπ., αποδείχτηκε ότι το άτομο δεν είναι άτμητο όπως πίστευαν, αλλά αποτελείται από άλλα απλούστερα σωμάτια. Αυτά τα θεμελιώδη σωμάτια είναι κοινά για όλα τα είδη των ατόμων και είναι τα εξής:

• Το ηλεκτρόνιο (συμβολισμός e), που είναι σωμάτιο με μάζα πάρα πολύ μικρή, πρακτικά αμελητέα (1836 φορές μικρότερη απ’ τη μάζα του ελαφρότερου ατόμου, του ατόμου του υδρογόνου) και με φορτίο αρνητικό (- e). Τα μεγέθη αυτά, δηλαδή μάζα (συμβολισμός m) και e είναι τα ίδια για όλα τα ηλεκτρόνια, δηλαδή ανεξάρτητα από το άτομο στο οποίο αυτά ανήκουν. Το φορτίο e του ηλεκτρονίου αποτελεί τη μικρότερη δυνατή ποσότητα ηλεκτρισμού που απαντάται στη φύση και της οποίας ακέραιο πολλαπλάσιο είναι οποιοδήποτε μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο, γι’ αυτό το φορτίο e καλείται και στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο.
• Το πρωτόνιο (συμβολισμός p), που είναι σωμάτιο με μάζα 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου (δηλ. ίση προς τη μάζα του ατόμου του υδρογόνου) και φορτίο, το στοιχειώδες ηλεκτρικό θετικό φορτίο, που είναι ίσο και αντίθετο προς το φορτίο του ηλεκτρονίου.
• Το νετρόνιο ή ουδετερόνιο (n), που είναι σωμάτιο με μάζα ίση περίπου προς τη μάζα του πρωτονίου και ηλεκτρικώς ουδέτερο. Απ’ όλα τ’ άτομα μόνο το άτομο του ελαφριού υδρογόνου ή πρωτίου δεν περιέχει νετρόνιο.

Αρχιτεκτονική του ατόμου

Μετά την ανακάλυψη των θεμελιωδών σωματιδίων δημιουργήθηκε το πρόβλημα του τρόπου με τον οποίο τα σωματίδια αυτά κατανέμονται μέσα στα άτομα, αν δηλαδή η μάζα και το φορτίο είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα μέσα στο άτομο ή βρίσκονται συγκεντρωμένα σε ορισμένες περιοχές.

Ο Νεοζηλανδός Ράδερφορντ (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1908) έδωσε την απάντηση στο πρόβλημα αυτό. Αυτός απόδειξε πειραματικά ότι σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου περιέχεται μέσα σε μια πολύ μικρή θετικά φορτισμένη περιοχή που λέγεται πυρήνας του ατόμου. Γύρω από τον πυρήνα περιστρέφονται αρνητικά φορτισμένα σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις σε σχέση με τις διαστάσεις του πυρήνα.

Τα ηλεκτρόνια αυτά περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Κατά τις σημερινές αντιλήψεις, ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια που χαρακτηρίζονται από τη γενική ονομασία με το κοινό όνομα νουκλεόνια. Εφόσον τα άτομα είναι ηλεκτρικώς ουδέτερα, βγαίνει το συμπέρασμα ότι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι ίσος προς τον αριθμό των γύρω από αυτά περιστρεφόμενων ηλεκτρονίων, επειδή είναι γνωστό ότι αυτά φέρουν ίσο και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.

Επειδή ακριβώς η μάζα του πρωτονίου και του νετρονίου είναι 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου, εξηγείται γιατί η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη σχεδόν ολόκληρη στον πυρήνα. Αντίθετα, ο πυρήνας καταλαμβάνει ελάχιστο μόνο τμήμα του όγκου ολόκληρου του ατόμου, γιατί τα ηλεκτρόνια, όπως είπαμε προηγουμένως, περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις. Για να δώσουμε μια σαφή εικόνα, μπορούμε να πούμε ότι, εάν παρατηρήσουμε τον πυρήνα σαν σφαίρα με διάμετρο 1 εκατοστό, ολόκληρο το άτομο θα πρέπει να παρασταθεί σαν σφαίρα διαμέτρου 100 έως 1.000 μέτρα.

Ατομικός αριθμός

Ατομικός αριθμός (Ζ) καλείται ο ακέραιος αριθμός που εκφράζει του αριθμό των πρωτονίων που περιέχονται στον πυρήνα του ατόμου του. Τούτος ο αριθμός είναι ίσος προς τον αριθμό των γύρω από τον πυρήνα περιστρεφόμενων ηλεκτρονίων, όταν το άτομο είναι ηλεκτρικώς ουδέτερο.

Ο ατομικός αριθμός είναι απόλυτα χαρακτηριστικός για τα άτομα κάθε στοιχείου και με βάση αυτό μπορούμε να κατατάξουμε αυτά σε μια συνεχή σειρά έτσι, ώστε καθένα να διαφέρει απ’ το προηγούμενο και απ’ το επόμενό του κατά ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο (βλ. περιοδικό σύστημα).

Συνεπώς, είναι αυτονόητο ότι άτομα που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό ανήκουν στο ίδιο στοιχείο και έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες. Και αντίθετα, άτομα που έχουν διαφορετικό ατομικό αριθμό ανήκουν σε διαφορετικά στοιχεία.

Μαζικός αριθμός

Μαζικός αριθμός (Α) ενός ατόμου καλείται ο αριθμός που εκφράζει τον αριθμό των νουκλεονίων, δηλαδή των πρωτονίων (Ζ) και νετρονίων (Ν) που περιέχονται στον πυρήνα του.

Έτσι: Α=Ζ+Ν.

Στη φύση υπάρχουν άτομα που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφορετικό μαζικό, επειδή οι πυρήνες τους περιέχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Τα άτομα αυτά του ίδιου στοιχείου λέγονται ισότοπα. Εάν σε ένα άτομο μεταβληθεί ο αριθμός των πρωτονίων, δηλαδή μεταβληθεί ο ατομικός τους αριθμός, τούτο μετατρέπεται σε άτομο άλλου στοιχείου, οπότε λέμε ότι γίνεται μεταστοιχείωση.

Αν όμως μεταβληθεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων, δε θα προκύψει άτομο άλλου στοιχείου, αλλά απλώς τούτο θα φορτιστεί με ηλεκτρικό φορτίο θετικό ή αρνητικό, ανάλογα αν θα πάρει ή θα αποβάλει ηλεκτρόνια. Τα σωμάτια, που προκύπτουν, κατ’ αυτόν τον τρόπο λέγονται ιόντα. Τα ιόντα έχουν τον ίδιο ατομικό και μαζικό αριθμό με τα άτομα από τα οποία προήλθαν.

Διάταξη των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα

Όπως αναφέραμε παραπάνω, τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα έλκονται απ’ αυτόν με τη δύναμη Coulomb. Τα ηλεκτρόνια αυτά, κάτω από την επίδραση της κεντρομόλου αυτής δύναμης, θα μπορούσαν να περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε κυκλικές τροχιές, με οσοδήποτε μέγεθος ακτίνας, αρκεί η ταχύτητά τους σε καθεμιά τροχιά να εκπληρώνει τη θεμελιώδη εξίσωση:

δύναμη = μάζα x επιτάχυνση

Επειδή, όμως, οι φασματοσκοπικές παρατηρήσεις δε συμφωνούσαν με την κλασσική θεωρία ο Neil Bohr (Δανός, Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1911), διατύπωσε δύο παραδοχές, με τις οποίες εξηγήθηκε ικανοποιητικά η διάταξη των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

1η (παραδοχή) συνθήκη του Μπορ

Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου δεν κινούνται σε οποιεσδήποτε τροχιές, αλλά μόνο σε ορισμένες επιτρεπόμενες τροχιές που έχουν ορισμένη διάμετρο και ενέργεια που υπολογίζονται από ορισμένες περιορισμένες συνθήκες. Η ολική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που περιστρέφεται σε μια ορισμένη επιτρεπόμενη τροχιά είναι ίση με το άθροισμα της κινητικής ενέργειας και της δυναμικής ενέργειας του ηλεκτρονίου. Έχει αποδειχτεί ότι η ολική ενέργεια του ηλεκτρονίου μόνο ορισμένες τιμές μπορεί να πάρει.

2η (παραδοχή) συνθήκη του Μπορ

Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα στις τροχιές που ορίζονται από την πρώτη συνθήκη, χωρίς η κίνησή τους να συνοδεύεται από εκπομπή ακτινοβολίας. Ακτινοβολία εκπέμπεται μόνο, όταν το ηλεκτρόνιο πηδά από τροχιές που έχουν μεγαλύτερη ενέργεια σε τροχιές που έχουν μικρότερη ενέργεια.

Οι τροχιές, που γράφουν τα ηλεκτρόνια που κινούνται στην ίδια απόσταση από τον πυρήνα, καθορίζουν μια επιφάνεια που ονομάζεται ηλεκτρονικός φλοιός ή ηλεκτρονική στοιβάδα.

Οι ηλεκτρονικές στιβάδες ονομάζονται με τα γράμματα Κ, L, M, Ν, Ο, Ρ, Q, …, αρχίζοντας από τις πιο κοντινές στον πυρήνα και προχωρώντας προς τις πιο μακρινές. Η ενέργεια των στοιβάδων, που είναι πιο κοντά στον πυρήνα, είναι πιο μικρή από την ενέργεια των στοιβάδων που είναι πιο μακριά.

Κάθε μια ηλεκτρονική στοιβάδα μπορεί να περιέχει ορισμένο ανώτατο αριθμό ηλεκτρονίων. Όταν δηλαδή γίνει αυτό, η στοιβάδα αυτή θεωρείται συμπληρωμένη και αρχίζει να συμπληρώνεται άλλη στοιβάδα. Ο ανώτατος αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορούν να περιληφθούν σε μια στοιβάδα δίνεται για τις τέσσερις πρώτες στοιβάδες, δηλαδή νια την Κ, L, M, Ν, από τον τύπο 2n², όπου ο “n” είναι ένας ακέραιος αριθμός που δείχνει τη θέση της κάθε στοιβάδας από τα μέσα προς τα έξω, δηλ. για τη στοιβάδα Κ ο n είναι ίσος με 1, για τη στοιβάδα L ο n είναι ίσος με 2, κλπ.

Έτσι, από τον τύπο έχουμε:

Κ : 2 x 1²=2, L : 2 x 2²=8, M : 2 x 3²=18, Ν : 2 x 4²=32.

Δηλαδή η στοιβάδα Κ μπορεί να περιλάβει μέχρι 2 ηλεκτρόνια, η στοιβάδα L μέχρι 8 η Μ μέχρι 18 και η Ν μέχρι 32.

Τέλος, οποιαδήποτε στοιβάδα είναι η εξωτερική στοιβάδα του ατόμου δεν μπορεί να περιέχει περισσότερα από οκτώ ηλεκτρόνια. Εάν μια στοιβάδα είναι πιο κοντά προς την εξωτερική δεν μπορεί να περιέχει περισσότερα από δέκα οκτώ.

Διέγερση του ατόμου

Στις προηγούμενες παραγράφους αναφερθήκαμε στην κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Εάν τώρα σε ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια δοθεί αρκετή ενέργεια, τότε αυτό μπορεί να εγκαταλείψει τη θεμελιώδη τροχιά και να αρχίσει να περιστρέφεται σε τροχιά που έχει μεγαλύτερη ακτίνα και συνεπώς μεγαλύτερη ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό καλείται διέγερση του ατόμου. Η περιφορά του ηλεκτρονίου στη νέα αυτή τροχιά δεν είναι σταθερή και έτσι το ηλεκτρόνιο μέσα σε πάρα πολύ μικρό διάστημα επανέρχεται στην αρχική τροχιά.

Κατά την πτώση αυτή του ηλεκτρονίου ελευθερώνεται ενέργεια που εκπέμπεται με τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δηλαδή με τη μορφή ενός φωτονίου. Η ενέργεια αυτή είναι ίση με τη διαφορά της ενέργειας της τελικής και της αρχικής τροχιάς.

Η διέγερση των ατόμων μπορεί να γίνει με την επίδραση ενός εξωτερικού αίτιου (π.χ. εξαιτίας της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στο άτομο ή της σύγκρουσης αυτού με κινούμενο σωμάτιο).

Η πτώση του ηλεκτρονίου στη θεμελιώδη του τροχιά δεν είναι απαραίτητο να γίνει κατευθείαν με ένα μόνο άλμα, αλλά και με ενδιάμεσα άλματα από τροχιά σε τροχιά.

Ιονισμός του ατόμου

Προηγουμένως αναφέραμε ότι, για να διεγείρουμε ένα άτομο, μπορούμε να προσφέρουμε σ’ αυτό την ενέργεια που απαιτείται, είτε με κρούση είτε με ακτινοβολία. Αν, όμως, η ενέργεια που προσφέρεται είναι πολύ μεγάλη, τότε μπορεί το ηλεκτρόνιο να απομακρυνθεί πολύ από τον πυρήνα, ώστε να μην μπορεί αυτός να εξασκήσει καμιά δύναμη. Στην περίπτωση αυτή το ηλεκτρόνιο απομακρύνεται οριστικά από το άτομο που παραμένει ιονισμένο. Η ενέργεια, που απαιτείται για τον ιονισμό ενός ατόμου, καλείται ενέργεια ή έργο ιονισμού.

Το άτομο του υδρογόνου (Η)

Το πιο απλό από όλα τα άτομα είναι το άτομο του υδρογόνου. Αυτό έχει ατομικό αριθμό Ζ=1 και συνεπώς ένα ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο αυτό κινείται στη θεμελιώδη τροχιά, δηλαδή στην τροχιά Κ. Στην τροχιά αυτή το ηλεκτρόνιο έχει την πιο μικρή ενέργεια. Οι υπόλοιπες τροχιές του ατόμου παραμένουν κενές.