אטומים הם היחידות הבסיסיות של החומר והמבנה המגדיר של אלמנטים. המונח "אטום" בא מהמילה היוונית לבלתי ניתן לחלוקה, מכיוון שהיה נהוג לחשוב שאטומים הם הדברים הקטנים ביקום ולא ניתן לחלקם. אנו יודעים כעת כי האטומים מורכבים משלושה חלקיקים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים - המורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר, כמו קווארקים.
אטומים נוצרו לאחר המפץ הגדול לפני 13.7 מיליארד שנה. ככל שהתקרר היקום החדש והצפוף, התנאים התאימו ליצירת קווארקים ואלקטרונים. קוורקים התאגדו ויצרו פרוטונים ונויטרונים, והחלקיקים הללו התאגדו לגרעינים. הכל התרחש בתוך הדקות הראשונות לקיומו של היקום, על פי CERN.
לקח היקום 380,000 שנים עד שהתקרר מספיק כדי להאט את האלקטרונים כך שהגרעינים יוכלו לתפוס אותם ליצירת האטומים הראשונים. האטומים הקדומים ביותר היו בעיקר מימן והליום, שהם עדיין היסודות השופעים ביותר ביקום, על פי מעבדת ג'פרסון. הכבידה גרמה בסופו של דבר לענני גז להתגבש וליצור כוכבים, ואטומים כבדים יותר נוצרו (ועדיין) בתוך הכוכבים ונשלחו ברחבי היקום כאשר הכוכב התפוצץ (סופרנובה).
חלקיקים אטומיים
פרוטונים ונויטרונים הם כבדים יותר מאלקטרונים ושוכנים בגרעין במרכז האטום. אלקטרונים הם בעלי משקל קל במיוחד וקיימים בענן המקיף את הגרעין. ענן האלקטרונים רדיוס גדול פי 10,000 מהגרעין, על פי המעבדה הלאומית של לוס אלמוס.
לפרוטונים ולנויטרונים יש אותה המסה בערך. עם זאת, פרוטון אחד הוא מסיבי פי 1,835 יותר מאלקטרון. לאטומים תמיד יש מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים, ומספר הפרוטונים והנויטרונים הוא בדרך כלל גם זהה. הוספת פרוטון לאטום הופכת יסוד חדש, ואילו הוספת נויטרון הופכת איזוטופ, או גרסה כבדה יותר, של אותו אטום.
גרעין
הגרעין התגלה בשנת 1911 על ידי ארנסט רתרפורד, פיזיקאי מניו זילנד. בשנת 1920 הציע רתרפורד את פרוטון השם לחלקיקים הטעונים באופן חיובי של האטום. הוא גם תיאורטי שיש חלקיק ניטרלי בתוך הגרעין, אותו הצליח ג'יימס צ'אדוויק, פיזיקאי בריטי וסטודנט של רות'רפורד, לאשר ב -1932.
על פי הכימיה LibreTexts, כמעט כל מסת האטום שוכנת בגרעין שלו. הפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את הגרעין הם בערך אותה מסה (הפרוטון מעט פחות) ויש להם אותו תנופה זוויתית, או סיבוב.
הגרעין מוחזק יחד על ידי הכוח החזק, אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים בטבע. כוח זה בין הפרוטונים לנויטרונים מתגבר על הכוח החשמלי הדוחה שאחרת ידחיק את הפרוטונים לגזרים, על פי כללי החשמל. גרעינים אטומיים מסוימים אינם יציבים מכיוון שהכוח הקשור משתנה עבור אטומים שונים בהתבסס על גודל הגרעין. לאחר מכן אטומים אלה יתפרקו ליסודות אחרים, כמו פחמן -14 שמתפרק לחנקן -14.
פרוטונים
פרוטונים הם חלקיקים טעונים באופן חיובי הנמצאים בתוך גרעינים אטומיים. רתרפורד גילה אותם בניסויים עם צינורות קרני קתודה שנערכו בין 1911 ל- 1919. פרוטונים הם כ- 99.86% מסיביים כמו נויטרונים.
מספר הפרוטונים באטום הוא ייחודי לכל יסוד. לדוגמא, לאטומי פחמן יש שישה פרוטונים, לאטומי מימן יש אטום ואטומי חמצן יש שמונה. מספר הפרוטונים באטום מכונה המספר האטומי של אותו יסוד. מספר הפרוטונים קובע גם את ההתנהגות הכימית של היסוד. האלמנטים מסודרים בטבלה המחזורית של האלמנטים לפי סדר הגדלת המספר האטומי.
שלושה קווארקים מהווים כל פרוטון - שני קווארקים "למעלה" (כל אחד עם מטען חיובי של שני שלישים) ואחד קווארקים "מטה" (עם מטען שלילי שליש) - והם מוחזקים יחד על ידי חלקיקים תת-אטומיים אחרים הנקראים גלונים, שהם חסרי המונים.
אלקטרונים
אלקטרונים זעירים בהשוואה לפרוטונים ונויטרונים, קטנים פי 1,800 מאשר פרוטון או נויטרון. על פי ג'פרסון מעבדה, אלקטרונים הם בערך 0.054% מסיביים כמו נויטרונים.
ג'וזף ג'ון (J.J.) תומסון, פיזיקאי בריטי, גילה את האלקטרון בשנת 1897, על פי המכון להיסטוריה מדעית. במקור המכונה "גופות", לאלקטרונים יש מטען שלילי והם נמשכים באופן חשמלי לפרוטונים הטעונים חיובית. אלקטרונים מקיפים את הגרעין האטומי בנתיבים המכונים אורביטלים, רעיון שהגיש ארווין שרדינגר, פיזיקאי אוסטרי, בשנות העשרים. כיום ידוע מודל זה כמודל הקוונטי או מודל ענן האלקטרונים. האורביטלים הפנימיים המקיפים את האטום הם כדוריים אך האורביטלים החיצוניים מסובכים הרבה יותר.
תצורת האלקטרונים של האטום מתייחסת למיקומי האלקטרונים באטום טיפוסי. על פי המעבדה הלאומית בלוס אלמוס, על ידי שימוש בתצורת האלקטרונים ועקרונות הפיזיקה, כימאים יכולים לחזות את תכונות האטום, כמו יציבות, נקודת רתיחה ומוליכות.
נויטרונים
קיומו של הנויטרון אומץ על ידי רתרפורד בשנת 1920 והתגלה על ידי צ'אדוויק בשנת 1932, על פי החברה האמריקאית לפיזיקה. ניטרונים נמצאו במהלך הניסויים כאשר נורו אטומים לעבר גיליון דק של בריליום. חלקיקים תת-אטומיים ללא מטען שוחררו - הנייטרון.
נויטרונים הם חלקיקים לא טעונים הנמצאים בכל גרעיני האטום (למעט מימן). המסה של הנויטרון מעט גדולה יותר מזו של פרוטון. כמו פרוטונים, גם נויטרונים עשויים מקווארקים - קווארק "למעלה" (עם מטען חיובי של 2/3) ושני קווארקים "למטה" (כל אחד עם מטען שלילי שלילי).
היסטוריה של האטום
תורת האטום תאריך לפחות עד 440 לפנה"ס. לדמוקריטוס, מדען ופילוסוף יווני. ככל הנראה, דמוקריטוס בנה את תורת האטומים שלו על עבודתם של פילוסופים בעבר, על פי אנדרו ג 'ואן מלזן, מחבר הספר "מאתומוס לאטום: תולדות המושג אטום" (הוצאת אוניברסיטת דיוקסן, 1952).
ההסבר של הדמוקריטוס על האטום מתחיל באבן. אבן שנחתכה לחצי נותנת שני חצאים של אותה אבן. אם היה חותך את האבן ברציפות, בשלב מסוים הייתה קיימת חתיכת האבן קטנה מספיק בכדי שלא ניתן יהיה לחתוך אותה עוד. המונח "אטום" בא מהמילה היוונית לבלתי ניתנת לחלוקה, שדמוקריטוס הסיק שהיא חייבת להיות הנקודה בה לא ניתן לחלק יותר ישות (כל סוג של חומר).
ההסבר שלו כלל את הרעיונות שהאטומים קיימים בנפרד זה מזה, שיש כמות אינסופית של אטומים, שהאטומים מסוגלים לנוע, שהם יכולים לשלב יחד ליצירת חומר אך אינם מתמזגים להפוך לאטום חדש, ושהם לא ניתן לחלק, בהתאם ליקום היום. עם זאת, מכיוון שרוב הפילוסופים באותה תקופה - ובמיוחד אריסטו המשפיע מאוד - האמינו כי כל החומר נוצר מכדור הארץ, האוויר, האש והמים, התיאוריה האטומית של דמוקריטוס הונחה בצד.
ג'ון דלטון, כימאי בריטי, בנה על רעיונותיו של דמוקריטוס בשנת 1803 כאשר הציג תיאוריה אטומית משלו, על פי המחלקה לכימיה באוניברסיטת פרדו. התיאוריה של דלטון כללה כמה רעיונות מדמוקריטוס, כמו אטומים בלתי ניתנים לחלוקה ובלתי ניתנים להפרדה וכי אטומים שונים נוצרים יחד ליצירת כל החומר. התוספות של דלטון לתיאוריה כללו את הרעיונות הבאים: שכל האטומים של יסוד מסוים היו זהים, שלאטומים של יסוד אחד יהיו משקלים ותכונות שונות מאשר אטומים של יסוד אחר, כי אטומים לא יכולים להיווצר או להשמיד והחומר נוצר על ידי אטומים המשלבים מספרים שלמים פשוטים.
תומסון, הפיזיקאי הבריטי שגילה את האלקטרון בשנת 1897, הוכיח שאפשר לחלק את האטומים, על פי קרן המורשת הכימית. הוא הצליח לקבוע את קיומם של אלקטרונים על ידי חקר התכונות של פריקה חשמלית בצינורות קרניים קתודיות. על פי העיתון של תומסון משנת 1897, הקרניים הוסטו בתוך הצינור, מה שהוכיח שיש משהו טעון שלילי בתוך צינור הוואקום. בשנת 1899 פרסם תומסון תיאור של גרסתו לאטום, המכונה בדרך כלל "מודל פודינג השזיף". קטע ממאמר זה נמצא באתר Chem Team. מודל האטום של תומסון כלל מספר גדול של אלקטרונים המותלים במשהו שהייצר מטען חיובי והעניק לאטום מטען ניטרלי כולל. הדגם שלו דמה לפודינג שזיפים, קינוח בריטי פופולרי שהיה צימוקים תלויים בכדור עגול דמוי עוגה.
המדען הבא ששינה וקידם את המודל האטומי עוד יותר היה רתרפורד, שלמד תחת תומסון, על פי המחלקה לכימיה באוניברסיטת פרדו. בשנת 1911 פרסם רתרפורד את גרסתו לאטום, שכללה גרעין טעון חיובי שמקובל על ידי אלקטרונים. מודל זה קם כאשר רתרפורד ועוזריו ירו חלקיקי אלפא על יריעות זהב דקות. חלקיק אלפא מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים, כולם מוחזקים יחד על ידי אותו כוח גרעיני חזק הקושר את הגרעין, כך לפי נתוני מעבדת ג'פרסון.
המדענים שמו לב כי אחוז קטן מחלקיקי האלפא מפוזרים בזוויות גדולות מאוד לכיוון התנועה המקורי בעוד הרוב עבר ממש דרך כמעט ולא הופרע. רתרפורד הצליח לקרב את גודל גרעין אטום הזהב, וגילה שהוא קטן לפחות פי 10,000 מגודלו של האטום כולו, כאשר חלק גדול מהאטום הוא שטח ריק. מודל האטום של רתרפורד הוא עדיין המודל הבסיסי שמשמש כיום.
כמה מדענים אחרים המשיכו למודל האטומי, כולל נילס בוהר (שנבנה על פי המודל של רתרפורד כדי לכלול תכונות של אלקטרונים המבוססים על ספקטרום המימן), ארווין שרדינגר (פיתח את המודל הקוונטי של האטום), ורנר הייזנברג (הצהיר כי אי אפשר לדעת את שניהם מיקום ומהירות האלקטרון בו זמנית), ומורי גל-מאן וג'ורג 'צווייג (פיתחו באופן עצמאי את התיאוריה לפיה פרוטונים ונויטרונים מורכבים מקווארקים).
