Vad är en atom?
Enligt den vetenskapliga teorin atomteorin är all materia uppbyggd av atomer, men vad är en atom?
Historisk tillbakablick
- Ordet atom är grekiska och betyder odelbar
- Myntades av den grekiska filosofen Demokritos (400 f.kr) som lade fram en teori om att all materia är uppbyggd av oförstbara partiklar
- Han kunde varken visa att dessa partiklar existerade eller att de var oförstörbara
- Begreppet och teorin återuppväcktes sedan först på 1800-talet
- John Dalton (1803) teoriserade att all materia var uppbyggd av olika grundämnen. Alla grundämnen bestod av specifika atomer som sedan kunde kombineras till olika kemiska föreningar.
- Han kunde även bevisa att massan bevarades vid kemiska reaktioner.
- Under slutet av 1800-talet och början 1900-talet upptäcktes även atomens struktur och att den inte var odelbar, utan faktiskt bestod av fler partiklar.
- J.J Thomson upptäckte 1897 elektronen och tog fram russinkakemodellen.
- 1909 visade Ernest Rutherford att atomen hade en atomkärna och Thomsons modell falsifierades.
- Niels Bohr tog fram Bohrmodellen 1913 som är den modell vi använder oss av idag för att beskriva en atom.
- 1913 upptäcktes även isotoper, att atomer av samma grundämne kunde ha olika massor.
- James Chadvwick bevisade neutronens existens 1932.
Begreppen som tas upp i den historiska tillbakablicken kommer definieras och förklaras i resten av sammanfattningen.
Modeller av en atom
En klassisk modell av en litiumatom. Modellen utgår från den modell Nils Bohr tog fram.
Moderna atommodeller utgår i största del från den modell Nils Bohr tog fram redan i 1900-talets början. Där ritar vi en atomkärna med positivt laddade protoner och neutralt laddade neutroner. Runt atomkärnan cirkulerar sedan negativt laddade elektroner i omloppsbana runt atomkärnan. Detta är en förenklad bild av verkligheten, men ger en bra inblick i hur atomer är uppbyggda.
Atomnummer, masstal och isotoper
Två varianter av grundämnet väte.
I bilderna ovan ser vi två varianter av grundämnet väte. En atom består av tre stycken subatoma partiklar.
Proton: positivt laddad partikel i atomkärnan Neutron: neutralt laddad partikel i atomkärnan Elektron: negativt laddad partikel i cirkulation runt atomkärnan
Antalet protoner bestämmer vilket grundämne en atom är och kallas för atomnummer.
I bilderna ovan ser vi att även om de två väteatomerna har samma antalet protoner (och alltså samma atomnummer), så skiljer sig antalet neutroner. Det medför att de har olika masstal.
Vi markerar det i våra två modeller.
*Den övre väteatomen har endast 1 proton, och har därför både masstalet och atomnummer 1. Den nedre har 1 proton och 2 neutroner och har därför masstalet 3, men fortfarande *atomnummer 1.
Att atomerna skiljer sig åt trots att de har samma atomnummer och är samma grundämne kallas att de är isotoper.
Begrepp
- Atomnummer: antalet protoner
- Masstal: antal protoner och neutroner
- Isotop: varianter av samma grundämne (samma atomnummer, men olika masstal)
Modern modell av en atom
En mer modern modell av en atom. Modellen är närmare verkligheten, men inte lika användbar. Atomkärnan befinner sig fortfarande i mitten, medan elektronerna befinner sig i ett “elektronmoln”, och de olika prickarna motsvarar sannolikheten av att en elektron befinner sig där.
Elektronskal och valenselektroner
För att vidare förklara hur en atom beter sig och reagerar med andra atomer har det visat sig att den modell Bohr tog fram är fullt duglig och lättare att förstå än ovan mer moderna modell.
Vi utökar modellen med så kallade elektronskal.
En utökad modell av en atom visar att elektronerna kan befinna sig i olika “skal” runt om atomkärnan.
Elektronerna kan i denna modell befinna sig i olika elektronskal runt om atomkärnan. Varje skal har plats för ett visst antal elektroner. Skalen numreras med bokstavsordning, och börjar med K, L, M, N och fortsätter hela vägen till Q.
| Skal | Elektronplatser |
|---|---|
| K | 2 |
| L | 8 |
| M | 8 |
Skalen fylls generellt sätt inifrån och ut. Då det krävs mindre energi att befinna sig närmare atomkärnan.
OBS!
Detta är en oerhörd förenkling av verkligheten, men för grundämnen upp till atomnummer 20 fungerar den relativt väl.
Valenselektroner och valensskal
Det är alltid elektronerna i det yttersta skalet som ger ett grundämne sina specifika egenskaper. Det yttersta skalet som har elektroner kallas för valensskal och elektronerna som befinner sig där för valenselektroner.
Ovan syns grundämnena syre och neon. Hur många valenselektroner har de?
Atomer vill ha fyllda skal, därför är grundämnen som inte har fulla yttersta skal mer reaktiva än ämnen med fulla skal. I bilden ovan ser vi syre och neon, där syre är betydligt mer reaktiv än neon eftersom den inte har ett fullt yttre elektronskal.
Periodiska systemet
Ett exempel på hur det periodiska systemet kan se ut.
För att organisera och strukturera upp de olika grundämnena som bygger upp vår värld används ofta det periodiska systemet.
Beroende på hur detaljerat det periodiska systemet är finns olika mycket information. I ovan exempel kan vi se följande.
- Atomnummer
- Huvudgrupp (Siffrorna högst upp, ämnen i samma huvudgrupp har liknande egenskaper och oftast lika många valenselektroner)
- Kemisk beteckning (O för syre, H för väte osv.)
- Ämnesgrupper (Metaller, halvmetaller, ädelgaser etc.)
I mer detaljerade periodiska system kan det också finnas information om exempelvis:
- Aggregationstillstånd vid rumstemperatur (fast, flytande, gas)
- Masstal
- Ämnets namn
För den nyfikne
Det periodiska systemet är användbart för att snabbt kunna uppskatta olika grundämnens egenskaper och hur de agerar vid kemiska reaktioner.
Fission och fusion
Ordet atom betyder ju som bekant odelbar, men det här kan ju uppenbarligen inte vara sant eftersom vi även hittar subatoma partiklar som protoner, neutroner och elektroner.
Under 1900-talet upptäcktes även att vi kan klyva atomer och frigöra mänger med energi. Detta kallas fission.
Uran beskjuts med en fri neutron. Masstalet ökar då hos uran och ämnet blir instabilt och klyvs till grundämnena barium och krypton. Det totala masstalet sjunker och mängder med energi frigörs.
Fission är tekniken som ligger bakom både kärnkraft och kärnvapen. Det ger oss en bild av vilka ofattbara mängder energi som frigörs genom processen.
Eftersom atomer kan klyvas kan de även slås ihop. Detta kallas istället fusion. Istället för att en tung atom klyvs till två lättare, sammansmälter istället två lättare atomkärnor till en tyngre.
Två väteatomer (notera att de är olika isotoper) slås ihop till en heliumatom. Energi frigörs och en neutron blir fri.
Fusion sker främst i universums alla stjärnor, då processen kräver extremt höga temperaturer. På jorden har det använts för mer avancerade kärnvapen, då kallade vätebomber.
Det sker massvis med forskning för att lyckas med fusion på jorden, då det hade varit en fantastisk energikälla som inte påverkat miljön.