Atomska struktura tvari

Atom je osnovni i najsitniji sastojak tvari koji sadrži svojstva elementa. Sastoji se od atomske jezgre i elektrona u elektronskom omotaču oko nje. Jezgra je sastavljena od nukleona što je zajedničko ime za protone i neutrone, a njena dimenzija je reda veličine 10^-15 – 10^-14 m. Atom, odnosno elektronski omotač oko jezgre zauzima prostor promjera reda veličine 10^-10 m. Atom kao cjelina električki je neutralan, jer je broju protona (Z), koji nose elementarni pozitivan naboj (+e), pridružen jednak broj (Z) elektrona u elektronskom omotaču, svaki s negativnim elementarnim (-e) nabojem.

Ideja da se tvari sastoje od svojih najsitnijih djelova-atoma-postojala je već u antičkoj Grčkoj, no ona je znanstveno fundirana tek u 19. stoljeću, a za otkriće strukture atoma trebalo je doći u 20. stoljeće. Današnja je slika atoma, da je on nalik našem – Sunčevom planetarnom sustavu, u kojoj ulogu Sunca igra atomska jezgra, a ulogu planeta sustava igraju elektroni. To je dakako vrlo gruba analogija, no dovoljna da bi model atoma zvali planetarnim modelom atoma.

Najveći dio atoma ustvari zauzima prazni prostor, jer dimenzije jezgre u kojoj je sadržano 99,98% mase atoma, reda su veličine 10^-15 – 10^-14 m, a veličina samog atoma reda je veličine 10^-10 m. Prostorom od jezgre do granice atoma gibaju se elektroni, koji su u usporedbi s jezgrom gotovo zanemarive mase (0,02% mase atoma). Veličina elektrona do danas nije izmjerena, no ako uopće imaju neku dimenziju onda promjer elektrona mora biti manji od 10^-18 m.

Atom je električki neutralan, što znači da se broj negativnih elementarnih naboja koje posjeduje svaki elektron, poništava s jednakim brojem pozitivnih elementarnih naboja u jezgri atoma. Elementarni naboj, kako sam naziv kaže, najmanji je i nedjeljiv naboj, označava se malim slovom e i iznosi ±1,6 ∙ 10^-19 C (kulona). Naboj elektrona je – e, a naboj jezgre iznosi +Ze, gdje Z predstavlja broj elektrona u atomu i ujedno broj pozitivnih elementarnih naboja u jezgri. Jezgra atoma uz protone sadrži i neutrone, neutralne elementarne čestice približno jednake mase masi protona. Neutrona ima najmanje koliko i protona, a kako masa jezgre (atoma) raste, tako broj neutrona sve više nadmašuje broj protona.

Elementi se međusobno razlikuju brojem protona u jezgri (brojem elektrona u omotaču), tako da broj Z odlučuje o kojem se elementu radi. Taj se broj naziva rednim, ili atomskim brojem elementa, jer on u skupu svih poznatih elemenata zauzima redom brojeve 1, 2, 3, 4, ……..103 (dosad najveći otkriven element). Kako jezgre istog elementa (istog broja Z) mogu sadržavati različiti broj neutrona, uveden je i tzv.: „maseni” broj A, jednak ukupnom broju nukleona, kako se jedinstveno zovu protoni i neutroni, u jezgri. Atomi istog rednog broja Z, a različitog broja nukleona A, čine izotope elementa o kojem je riječ. Usvojen je standardan način označavanja izotopa pojedinog elementa, ispred simbola elementa, dva su broja, donji indeks označava redni a gornji indeks maseni broj, primjerice ¹⁶₈O, označava izotop kisika s 8 protona i 16 nukleona (8 protona i 8 neutrona).

Istraživanja Avogadra (Amadeo Avogadro 1811.) dovela su do formuliranja danas opće poznatog zakona: „Jednaki volumeni idealnog plina, na istoj temperaturi i tlaku, sadrže isti broj molekula”. Jedan mol idealnog plina zauzima 22,4 litara (dm³) pod standardnim uvjetima (0 °C = 273 K i tlak od jedne standardne atmosfere – 101,325 kPa) i sadrži N_A = 6,022 ∙ 10²³ molekula. N_A zovemo Avogadrovim brojem.

U bliskoj vezi s Avogadrovim istraživanjem je i definicija „gram-atoma” nekog elementa za kojeg vrijedi da on iznosi onoliko grama kolika je atomska težina dotičnog elementa izražena u atomskim jedinicama mase (u). Gram-atom sadrži Avogadrov broj atoma. Suvremena skala atomskih i molekularnih masa (težina) kao jediničnu atomsku masu (u) uzima 1/12 atomske mase izotopa ugljika ¹²C (1 u = 1,6605 ∙ 10^-27 kg).