Budowa atomu - jak działa świat na poziomie najmniejszych cząstek?

Wstęp

Budowa atomu jest jednym z kluczowych zagadnień w chemii, fizyce i biologii. Każda z tych dziedzin nauki korzysta z wiedzy na temat tej struktury, aby lepiej zrozumieć naturę nauki na poziomie mikroskopowym. W tym artykule omówimy, jak działa świat na poziomie najmniejszych cząstek i skupimy się na podstawowej strukturze atomu.

Podstawy

Atom składa się z trzech podstawowych składników: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony znajdują się w jądrze atomowym, a elektrony krążą wokół jądra. Liczba protonów w jądrze decyduje o nazwie pierwiastka chemicznego.

Elektrony krążące wokół jądra są uważane za cząstki o charakterze falowym. Każdy elektron jest opisywany przez szereg wartości liczbowych, takich jak liczba kwantowa i magnetyczna, które określają, jaką część przestrzeni elektron zajmuje wokół jądra. Te liczby określają, w jakiej odległości od jądra znajduje się dany elektron i jakie kształty obwodów krążących pozwala zaakceptować dla elektronów.

Jądro atomowe

Jak już wspomnieliśmy, jądro atomowe składa się z protonów i neutronów. Elektrony znajdują się poza jądrem, a oddziaływanie między nimi a protonami w jądrze utrzymuje całą strukturę w całości. Jednym z kluczowych aspektów tego oddziaływania jest siła elektromagnetyczna, która przyciąga elektrony do jądra, ale jednocześnie elektrony w ruchu generują magnetyczne pole, które odpycha je od jądra. To nic innego jak oddziaływanie centryfugalne opisujące prędkość obiegową elektronu, w którym cząstka zostaje w równowadze, przy zachowaniu ciągłej potrzeby bilansu między przyciąganiem i oddalaniem się od jądra.

Protony

Protony są pozytywnie naładowanymi cząstkami. W jądrze atomowym każdy proton jest obok innych protonów i neutronów, które generują siły przyciągające, oddalające i wprowadzające cykliczne równowagi. Większość pierwiastków jest zbudowana z atomów z różną liczbą protonów, a to właśnie decyduje o ich osobliwych właściwościach.

Neutrony

Neutrony istnieją w jądrze atomowym razem z protonami. Neutrony są zazwyczaj obojętne elektrycznie, ale cząsteczki, w które są zintegrowane, jak np. neutrony w nukleonach lub cząstki atomowe, w postaci neutronów i protonów, oddziałują pomiędzy sobą. Siły, które działają w jądrze atomowym, utrzymują równowagę między siłami przyciągającymi i odpychającymi.

Elektrony

Elektrony składające się na okrywy atomu są cząstkami naładowanymi ujemnie. W zależności od poziomu energetycznego elektronów, krążą one na różnej odległości od jądra, określanej jako orbital. Pierwsza okrywa atomu zawiera tylko jeden orbital, podczas gdy kolejne okrywy mają już wiele takich obszarów. Elektrony, które krążą na okrywach, tworzą tzw. powłoki elektronowe, na których opiera się cała teoria struktury atomowej.

Powłoki elektronowe

Elektrony na okręgach, nazywanymi również powłokami, mają określone poziomy energii. Zwykle nazywamy je również warstwami. Określenie poziomu elektronowego opiera się na liczbach kwantowych, opisujących ich stan.

  • Pierwsza powłoka elektronowa: pierwszy poziom elektronowy zawiera tylko jeden orbital, który może pomieścić najwyżej dwa elektrony.
  • Druga powłoka elektronowa: ta powłoka ma już więcej orbitali niż pierwsza. Może pomieścić do 8 elektronów.
  • Trzecia powłoka elektronowa: ta trzecia powłoka może pomieścić do 18 elektronów.
  • Czwarta powłoka elektronowa: ta powłoka już nieznacznie powiększa się w stosunku do trzeciej, i pomieścić już może maksymalnie 32 elektrony.

Podsumowanie

Budowa atomu jest jednym z fundamentów nauki. Poznanie struktury atomu i rzeczy, które składają się na tę strukturę, stanowi podstawę do zrozumienia wielu zjawisk chemicznych i fizycznych. W tym artykule omówiliśmy, jak działa świat na poziomie najmniejszych cząstek i skupiliśmy się na tym, jak atom jest zbudowany z protonów, neutronów i elektronów. Omówiliśmy również powłoki elektronowe i jak oddziaływają ze sobą, aby utrzymać strukturę atomową. W rezultacie, poznanie podstawowej struktury atomu umożliwia nam lepsze zrozumienie świata w naszym otoczeniu, w tym procesów biologicznych, jakie zachodzą na poziomie molekularnym u organizmów żywych.