Atomy - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy składnika materii. Zapoznaj się również z: inne znaczenie tego słowa.

Atom helu w stanie podstawowym. Zaczernione pole reprezentuje chmurę elektronową. Stopień zaciemnienia określa prawdopodobieństwo "spotkania" w danym miejscu elektronu. Powiększenie ukazuje schematyczny obraz jądra atomowego, proton reprezentuje chmurka czerwona, a neutron niebieska. Jądro ma rozmiary rzędu 1 fm – ok. 100 000 razy mniej od rozmiarów chmury elektronowej.

Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

Wiązanie jonowe (inaczej elektrowalencyjne, heteropolarne lub biegunowe) jest to rodzaj wiązania chemicznego. Istotą tego wiązania jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach.
Mechanika statystyczna (lub fizyka statystyczna) to gałąź fizyki, zajmująca się układami wielu oddziałujących ciał. Specyfiką tej teorii jest jej metoda. Poszczególne ciała są bowiem opisane przez zmienne losowe. Obliczenia prowadzone w ramach mechaniki statystycznej dotyczą średnich z tych zmiennych z wykorzystaniem metod statystycznych. Fizyczną podstawą mechaniki statystycznej jest termodynamika fenomenologiczna.

Słowo atom pochodzi z greckiego ἄτομος − átomos (od α-, „nie-” + τέμνω − temno, „ciąć”), oznaczającego coś, czego nie da się przeciąć ani podzielić. Idea istnienia niepodzielnych składników materii pojawiła się już w pismach starożytnych filozofów indyjskich i greckich. W XVII i XVIII wieku chemicy potwierdzili te przypuszczenia, identyfikując pierwiastki chemiczne i pokazując, że reagują one ze sobą w ściśle określonych proporcjach. W XIX wieku odkryto ruchy Browna, będące pośrednim dowodem ziarnistości materii. Na początku XX wieku fizycy odkryli wewnętrzną strukturę atomów, pokazując tym samym, że są one podzielne. Teorie mechaniki kwantowej pozwoliły stworzyć matematyczne modele wnętrza atomu.

Promień atomowy - umowna odległość najdalej położonych elektronów występujących w danym atomie od jądra tego atomu, ustalana teoretycznie dla atomów uczestniczących w hipotetycznych wiązaniach chemicznych.
Spektroskopia – nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektroskopia jest też często rozumiana jako ogólna nazwa wszelkich technik analitycznych polegających na generowaniu widm.

Atomy mają rozmiary rzędu 10 m i masę rzędu 10 kg. Można je obserwować jedynie przy użyciu specjalnych urządzeń, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy. Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze. Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów: protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętnych neutronów. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne. To samo oddziaływanie pozwala atomom łączyć się w cząsteczki. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W przeciwnym przypadku ma ładunek i nazywany jest jonem.

Otto Hahn (ur. 8 marca 1879 we Frankfurcie nad Menem, zm. 28 lipca 1968 w Getyndze) – niemiecki fizykochemik. Laureat Nagrody Nobla (chemia, 1944) za prace nad rozszczepieniem jądra atomu. Czasem uważany za "ojca" współczesnej technologii jądrowej.
Cząsteczka, inaczej molekuła – obojętne elektrycznie indywiduum chemiczne, złożone z więcej niż jednego atomu, które są ze sobą trwale połączone wiązaniami chemicznymi.

Główne właściwości chemiczne atomów określa liczba protonów w jądrze (liczba atomowa), gdyż determinuje ona strukturę chmury elektronowej oraz liczbę elektronów koniecznych do tego, aby atom był elektrycznie obojętny. Elektrony związane w atomach rozłożone są na powłokach, między którymi mogą przechodzić emitując bądź absorbując fotony o określonej energii. Struktura chmury elektronowej wpływa na chemiczne właściwości atomów i większość ich właściwości magnetycznych. Zbiory atomów o tej samej liczbie atomowej stanowią pierwiastki chemiczne. Atomy mające tę samą liczbę protonów, ale różniące się liczbą neutronów w jądrze to izotopy. Suma protonów i neutronów w jądrze atomu określana jest jako liczba masowa.

Gaz – stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się w przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania dalekozasięgowe, a jeśli, to bardzo słabe. Jedyny sposób, w jaki cząsteczki na siebie oddziałują, to zderzenia. Oprócz tego, jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie.
Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 107do 1012 gwiazd, orbitujących wokół środka swojej masy.

Wszystkie pierwiastki mają niestabilne izotopy. Ich jądra ulegają spontanicznemu rozpadowi, co zazwyczaj prowadzi do powstania atomów innych pierwiastków. Rozpadowi temu towarzyszy emisja promieniowania jonizującego. Zjawisko to jest nazywane naturalną radioaktywnością.

Historia

Atomizm

Osobny artykuł: Atomizm.

Pomysł, że materia składa się z mikroskopijnych składników, których nie da się w nieskończoność dzielić na mniejsze części, był znany już w starożytności. Nie opierał się jednak na żadnych danych empirycznych, a jedynie stanowił jedną z filozoficznych koncepcji natury rzeczywistości. Cechy tych mikroskopijnych składników różnie opisywały różne szkoły filozoficzne, często uwzględniając ich duchowe właściwości. Istnienie atomów zostało powszechnie zaakceptowane w XVIII wieku, gdy okazało się, że pozwala w elegancki sposób opisać prawa chemii.

Mechanika klasyczna – dział mechaniki w fizyce opisujący ruch ciał (kinematyka), wpływ oddziaływań na ruch ciał (dynamika) oraz badaniem równowagi ciał materialnych (statyka). Mechanika klasyczna oparta jest na prawach ruchu (zasadach dynamiki) sformułowanych przez Isaaca Newtona, dlatego też jest ona nazywana "mechaniką Newtona" (Principia). Mechanika klasyczna wyjaśnia poprawnie zachowanie się większości ciał w naszym otoczeniu.
Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy Natura. Natomiast w naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.

Najstarsze odniesienia do atomów można znaleźć w pismach poświęconych dżinizmowi napisanych w VI wieku p.n.e. w Indiach. Szkoły filozoficzne Njaja i Waiśeszika opracowały zawiłe teorie, opisujące łączenie się atomów w bardziej złożone obiekty. W cywilizacji zachodniej odniesienia do atomów pojawiły się około sto lat później w pismach Leukipposa i zostały usystematyzowane przez jego ucznia Demokryta. Około 450 roku p.n.e. Demokryt wprowadził słowo átomos (niepodzielny). Choć te koncepcje były czysto filozoficzne, współczesna nauka zaadaptowała tę nazwę.

Książę Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (ur. 15 sierpnia 1892 w Dieppe, zm. 19 marca 1987 w Louveciennes we Francji) - francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla w 1929 za odkrycie falowej natury elektronów.
Mikroskopia jonowa - bardziej poprawnie zwana mikroskopią pola jonowego Field ion microscopy (FIM) to technika analityczna stosowana w nauce o materiałach.

W XIII wieku w alchemii pojawiła się koncepcja korpuskularyzmu. Za jej autora uważa się alchemika podpisującego się Geber. Według tej koncepcji wszystkie fizyczne obiekty posiadają wewnętrzną i zewnętrzną warstwę z mikroskopijnych cząstek. Przypominało to teorię atomizmu, z wyjątkiem odrzucenia koncepcji, że te cząsteczki są niepodzielne. Przykładowo spekulowano, że rtęć może wnikać do wnętrza metali i zmieniać ich wewnętrzną strukturę, co miało umożliwić wytwarzanie złota. Koncepcja ta zdominowała alchemię na następnych kilkaset lat.

Rad (Ra, łac. radium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali ziem alkalicznych w układzie okresowym. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa radius oznaczającego promień.
Proces s (ang. s-process, slow neutron captures process) – reakcja jądrowa polegająca na wolnym wychwycie neutronów przez nuklidy. Proces ów zachodzi w końcowym etapie życia gwiazd o masach porównywalnych do masy Słońca (liczony w tysiącach lat), gdy gwiazda przechodzi przez fazę AGB. Proces ten pozwala na powstanie izotopów cięższych od niklu. Proces powstawania wyższych jąder atomowych polega zazwyczaj na:

W 1661 roku Robert Boyle opublikował traktat The Sceptical Chymist, w którym argumentował, że materia zbudowana jest z kombinacji wielu różnych korpuskuł zamiast z klasycznych czterech (powietrza, ziemi, wody i ognia). Koncepcji tej użył dziesięć lat później Izaak Newton do opracowania korpuskularnej teorii światła.

Alotropia - zjawisko występowania różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą budową kryształów lub liczbą atomów w cząsteczce.
Pseudo-Geber – nieznany z nazwiska średniowieczny alchemik podpisujący się imieniem Geber. Tworzył w XIV w., z pochodzenia prawdopodobnie był Hiszpanem. Jako pierwszy opisał kwas siarkowy(VI) oraz podał metodę otrzymywania stężonego kwasu azotowego(V). Pseudonim Geber jest prawdopodobnie nawiązaniem do perskiego alchemika Dżabir Ibn Hajjana.

Początki naukowej teorii atomu

Różne atomy i cząsteczki w traktacie Johna Daltona A New System of Chemical Philosophy (1808) – jednej z najstarszych prac naukowych poświęconych atomom

Wraz z przekształcaniem się chemii w naukę ścisłą nastąpił dalszy rozwój teorii atomów. W 1789 roku Antoine Lavoisier odkrył prawo zachowania masy i zdefiniował pierwiastek chemiczny jako podstawową substancję, która nie może już być rozdzielona metodami chemicznymi. W 1803 roku John Dalton skorzystał z koncepcji atomów do wytłumaczenia, czemu pierwiastki wchodzą w reakcje w stosunkach ilościowych dających się przedstawić w postaci niewielkich liczb naturalnych (prawo stosunków wielokrotnych) i czemu jedne gazy łatwiej się rozpuszczają w wodzie niż inne. Postulował, że każdy pierwiastek składa się z atomów jednego, unikalnego typu i że te atomy mogą się łączyć, tworząc związki chemiczne. Postawienie tych hipotez uczyniło Daltona twórcą współczesnej teorii atomów.

Filozofia indyjska – filozofia uprawiana na subkontynencie indyjskim oraz na obszarach, w których zaznaczyły się indyjskie wpływy kulturowe (jak Azja Środkowa, Tybet, Indonezja, Indochiny). Powstała niezależnie od filozofii europejskiej i od filozofii chińskiej. Jest ściśle związana z religiami indyjskimi, zwłaszcza z hinduizmem, buddyzmem i dżinizmem.
Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

Fakty doświadczalne mające w przyszłości stanowić dodatkowe potwierdzenie teorii atomów pojawiły się w 1827 roku, gdy botanik Robert Brown odkrył zjawisko spontanicznego chaotycznego ruchu pyłków kwiatowych zawieszonych w wodzie. Zjawisko to zostało potem nazwane ruchami Browna. Jego wyjaśnienie przez termiczne ruchy cząsteczek wody zasugerował w 1877 roku Joseph Delsaulx, a w 1905 roku Albert Einstein przedstawił jego pełną matematyczną analizę. Fundamentalny wkład do teorii ruchów Browna wniósł w latach 1906–1917 Marian Smoluchowski (tworząc przy okazji nową gałąź fizyki statystycznej określanej obecnie jako procesy stochastyczne). Analiza Einsteina została potwierdzona eksperymentalnie po raz pierwszy już w 1906 roku przez Theodora Svedberga, a Jean Baptiste Perrin wykorzystał teoretyczne prace Einsteina i Smoluchowskiego do eksperymentalnego wyznaczenia mas i „rozmiarów” atomów (1908) potwierdzając ostatecznie teorię Daltona.

Elektroujemność to miara tendencji do przyciągania elektronów przez atomy danego pierwiastka, gdy tworzy on związek chemiczny z atomami innego pierwiastka. Bardziej elektroujemny pierwiastek "ściąga" do siebie elektrony tworzące wiązanie z atomem mniej elektroujemnym, co prowadzi do polaryzacji wiązania. W skrajnym przypadku, gdy elektroujemności obu pierwiastków bardzo się różnią (np. sód i chlor), dochodzi do pełnego przeskoku elektronów na bardziej elektroujemny atom, co prowadzi do powstania wiązania jonowego.
Sir Ernest Marsden (ur. 19 lutego 1889 w Lancashire, zm. 15 grudnia 1970 w Wellington) – fizyk brytyjsko-nowozelandzki. W roku 1908 w czasie studiów na Uniwersytecie Manchesterskim razem z Hansem Geigerem pod kierunkiem Ernest Rutherforda przeprowadził słynny eksperyment polegający na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii cząstkami alfa i obserwowaniu charakteru odbić tych cząstek co pozwoliło później Ruterfordowi określić strukturę budowy atomu i odkryć jądro atomowe.

Pierwszy układ okresowy pierwiastków Mendelejewa (1869)

W 1869 Dmitrij Mendelejew opublikował swój układ okresowy pierwiastków. Układ przedstawiał wizualnie prawo okresowości głoszące, że właściwości chemiczne pierwiastków powtarzają się okresowo, gdy uporządkuje się te pierwiastki zgodnie z ich masami atomowymi.

Diament – minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Nazwa pochodzi od gr. ἀδάμας adamas (dopełniacz ἀδάμαντος adamantos, łac. diamentum) = "niepokonany, niezniszczalny" i nawiązuje do wyjątkowej twardości tego minerału. Jest najtwardszą znaną substancją z występujących w przyrodzie.
Orbital molekularny (inaczej: cząsteczkowy, skrót: MO) jest funkcją, opisującą stan elektronu w cząsteczce, w ramach teorii orbitali molekularnych. Zwykle przedstawia się go jako kombinację orbitali atomowych - "zwykłych" bądź zhybrydyzowanych.

Wewnętrzna struktura i teoria kwantowa

W 1897 roku J. J. Thomson, badając promienie katodowe, odkrył elektrony i doszedł do wniosku, że znajdują się one w każdym atomie. Tym samym obalił tezę, że atomy są ostatecznymi, niepodzielnymi elementami materii. Stworzył pierwszy model struktury atomu, w którym ujemnie naładowane elektrony unoszą się w jednorodnej, dodatnio naładowanej kuli. Model ten obalili w 1909 roku Hans Geiger, Ernest Marsden i Ernest Rutherford, gdy bombardując złotą folię cząstkami alfa odkryli, że niewielka część cząstek alfa jest odbijana, co było sprzeczne z przewidywaniami w modelu Thomsona. Na podstawie tych wyników Rutherford stworzył nowy model atomu, w którym dodatni ładunek i większość masy atomu są skupione w niewielkim jądrze w jego centrum, a ujemnie naładowane elektrony krążą wokół jądra.

Indie w szerokim rozumieniu to subkontynent w Azji Południowej, wielki półwysep na Oceanie Indyjskim, o powierzchni prawie 7,5 mln km². Od północy ograniczony masywem Himalajów, od wschodu dżunglami birmańskimi, otwarty jest tylko od północnego zachodu na Afganistan i Iran.
Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.

W 1913 roku Frederick Soddy, badając produkty rozpadu promieniotwórczego, odkrył, że atomy każdego pierwiastka mogą występować w kilku odmianach różniących się nieco masą atomową. Określenie izotop (z gr. isos topos – „w tym samym miejscu”) zasugerowała mu szkocka pisarka i lekarz, Margaret Todd (1859–1918). J. J. Thomson opracował technikę segregowania atomów ze względu na ich stosunek masy do ładunku w zjonizowanych gazach, co umożliwiło odkrycie stabilnych izotopów.

Beryl (Be, łac. beryllium) – pierwiastek chemiczny, metal należący do drugiej grupy głównej układu okresowego. Jedynym stabilnym izotopem jest 9Be. Został odkryty przez Louisa Vauquelina w 1798 r.
Richard Phillips Feynman [ˈɹɪtʃɝd ˈfɪlɪps ˈfaɪnmən] (ur. 11 maja 1918 w Nowym Jorku, zm. 15 lutego 1988 w Los Angeles) – amerykański fizyk teoretyk.

Model Bohra atomu wodoru, pokazujący przeskok elektronu między orbitami i emisję fotonu o określonej energii

Jednocześnie w 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował wyjaśnienie występowania linii spektralnych w widmach emisyjnych pierwiastków przez wprowadzenie hipotezy istnienia zestawu dopuszczalnych orbit, na których mogą krążyć elektrony wokół jądra atomowego. W jego modelu każdy elektron musiał zaabsorbować lub wyemitować foton o określonej energii, żeby przeskoczyć między orbitami.

Anihilacja – proces oddziaływania cząstki z odpowiadającą jej antycząstką, podczas którego cząstka i antycząstka zostają zamienione na fotony (zasada zachowania pędu nie dopuszcza możliwości powstania jednego fotonu – zawsze powstają co najmniej dwa) o sumarycznej energii równoważnej ich masom, zgodnie ze wzorem Einsteina: E=mc2 (zobacz: Szczególna teoria względności).
Nukleony to wspólna nazwa protonów i neutronów, czyli podstawowych cząstek tworzących jądro atomu. Nukleony składają się z kwarków. Choć przez obecne teorie cząstek protony i neutrony nie są uznawane za cząstki elementarne, ale z historycznych względów zalicza się je do cząstek elementarnych.

Korzystając z tego modelu, Gilbert Newton Lewis zaproponował w 1916 roku wyjaśnienie istoty wiązań chemicznych jako wymianę i współdzielenie elektronów na najwyższych orbitach atomowych. W 1919 roku Irving Langmuir zaproponował wytłumaczenie okresowości właściwości pierwiastków jako efekt grupowania się elektronów na pewnych orbitach tworzących powłoki elektronowe.

Liczba masowa (A) to wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego izotopu.
Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.

W 1922 roku doświadczenie Sterna-Gerlacha pokazało, że kierunek wektora magnetycznego momentu dipolowego atomów jest skwantowany. Specjalnie ukształtowane pole magnetyczne dzieliło strumień przelatujących przez nie atomów srebra na dwie rozdzielone wiązki. Zgodnie z mechaniką klasyczną takie zjawisko nie powinno mieć miejsca, ponieważ moment magnetyczny każdego atomu powinien móc być skierowany w dowolnym kierunku i oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym mogło jedynie rozciągnąć strumień atomów w jakimś kierunku. Zamiast tego atomy zostały rozdzielone na dwie grupy, w których wektor momentu magnetycznego skierowany był w górę lub w dół.

Linia spektralna — ciemna lub jasna linia w jednolitym, ciągłym widmie, powstającą wskutek nadmiaru lub deficytu fotonów (w porównaniu z pobliskimi częstotliwościami) w wąskim zakresie częstotliwości.
Proces stochastyczny - rodzina zmiennych losowych określonych na pewnej przestrzeni probabilistycznej o wartościach w pewnej przestrzeni mierzalnej. Najprostszym przykładem procesu stochastycznego jest wielokrotny rzut monetą: dziedziną funkcji jest zbiór liczb naturalnych (liczba rzutów), natomiast wartością funkcji dla danej liczby jest jeden z dwóch możliwych stanów losowania (zdarzenie), orzeł lub reszka. Nie należy mylić procesu losowego, którego wartości są zdarzeniami losowymi, z funkcją, która zdarzeniom przypisuje wartość prawdopodobieństwa ich wystąpienia (mamy wówczas do czynienia z rozkładem gęstości prawdopodobieństwa).

W 1924 roku Louis de Broglie zaproponował, że wszystkie cząstki mogą zachowywać się jak fale. W 1926 roku Erwin Schrödinger rozwinął tę ideę, przedstawiając matematyczny model atomu, w którym ruch elektronów został opisany funkcjami fal stojących. Konsekwencją opisywania cząstek jako fali było to, że matematycznie niemożliwe stało się jednoczesne określenie ich położenia i pędu, co zostało sformułowane jako zasada nieoznaczoności przez Wernera Heisenberga w 1926 roku. Zgodnie z nią, zwiększając precyzję pomiaru położenia, zmniejsza się jednocześnie precyzję pomiaru pędu i vice versa. Model Schrödingera umożliwił rozwiązanie problemów, które napotykały wcześniejsze modele przy wyjaśnianiu linii spektralnych atomów cięższych od wodoru. Obecnie przyjmuje się go za obowiązujący.

Rozpad alfa (przemiana α) - reakcja jądrowa rozpadu, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 42He2+). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadajace się jądra to promieniowanie alfa.
Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali. Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,0019%. Stabilnymi izotopami azotu są 14N i 15N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotany oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).

Schemat działania spektrometru mas

Wynalezienie spektrometru mas umożliwiło dokładne zmierzenie bezwzględnych mas atomowych. Urządzenie to wykorzystuje pole magnetyczne do odchylenia trajektorii jonów, a stopień odchylenia zależy od stosunku ładunku jonu do jego masy. Francis William Aston jako pierwszy udowodnił przy jego użyciu, że izotopy mają różne masy i że różnice w ich masach są wielokrotnościami tej samej masy. W 1932 roku fizyk James Chadwick wyjaśnił te różnice odkrywając neutron – elektrycznie obojętną cząstkę podobną do protonu. Izotopy okazały się atomami o tej samej liczbie protonów, ale różniącymi się liczbą neutronów w jądrze.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.
Język grecki albo greka — język indoeuropejski z grupy helleńskiej, w starożytności ważny język basenu Morza Śródziemnego. W cywilizacji Zachodu zaadaptowany obok łaciny jako język terminologii naukowej, wywarł wpływ na wszystkie współczesne języki europejskie, a także część pozaeuropejskich i starożytnych. Od X wieku p.n.e. zapisywany jest alfabetem greckim. Obecnie, jako język nowogrecki, pełni funkcję języka urzędowego w Grecji i Cyprze. Jest też jednym z języków oficjalnych Unii Europejskiej. Po grecku mówi współcześnie około 15 milionów ludzi.

Rozbicie atomu i fizyka materii skondensowanej

W 1938 roku niemiecki chemik Otto Hahn skierował strumień neutronów na atomy uranu próbując uzyskać cięższe pierwiastki. Produktem okazał się lżejszy pierwiastek bar. Rok później Lise Meitner i Otto Frisch potwierdzili, że ten eksperyment był pierwszym sztucznie wywołanym rozbiciem jądra atomowego. Po 1950 roku budowa akceleratorów cząstek i detektorów cząstek pozwoliła fizykom badać wyniki zderzeń atomów poruszających się z dużymi prędkościami. Odkryto w ten sposób dziesiątki, a później setki nowych cząstek. Ich strukturę wyjaśnili niezależnie od siebie Gell-Mann i G. Zweig w 1964 roku, wprowadzając pojęcie kwarków. Neutrony i protony okazały się być hadronami – cząsteczkami zbudowanymi z kwarków. Na bazie tego stworzono Model Standardowy, wyjaśniający strukturę jądra atomowego w oparciu o kwarki i siły, jakim podlegają.

Mionium (symbol Mu) – nazwa egzotycznego atomu zbudowanego z antymionu i elektronu (μ i e). Mionium strukturą przypomina atom wodoru; antymion, którego masa jest 207 razy większa od elektronu, zajmuje w nim miejsce protonu. Ze względu na dużą różnicę mas cząstek mionium przypomina atom wodoru także pod względem energii jonizacji i promienia atomu w modelu Bohra. Stan podstawowy mionium ma energię -13,54 eV, bardzo bliską wartości -13,64 eV dla wodoru.
Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Składniki

Cząstki subatomowe

Mimo że słowo atom pierwotnie oznaczało cząstkę, której nie da się podzielić na mniejsze, współcześnie nazywa się nim strukturę zbudowaną z mniejszych cząstek: elektronów, protonów i neutronów. Jedynie wodór H nie zawiera żadnych neutronów, a jego dodatnio naładowany jon nie zawiera też elektronów.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.
Masa spoczynkowa (in. masa niezmiennicza lub po prostu masa) - wielkość fizyczna w fizyce relatywistycznej, charakteryzująca ciało bądź układ ciał, która nie zależy od układu odniesienia. W dowolnym układzie odniesienia, masa spoczynkowa jest wyznaczona przez energie i pędy wszystkich ciał.

Elektron jest najmniej masywną z tych trzech cząstek, z masą 9,11×10 kg. Posiada ujemny ładunek i rozmiary zbyt małe, aby dało się je określić przy użyciu współczesnych metod. Protony posiadają dodatni ładunek i masę około 1836 razy większą od elektronów: 1,6726×10 kg. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego i są około 1839 razy cięższe od elektronu, z masą 1,6929×10 kg. Masa protonów i neutronów wewnątrz jądra jest pomniejszona o energię wiązania. Neutrony i protony mają podobne średnice, rzędu 2,5×10 m – jednak z powodu ich wewnętrznej struktury trudno zdefiniować, co jest ich „powierzchnią”.

Wikicytaty to polska wersja serwisu Wikiquote, siostrzanego projektu Wikipedii, który działa jako jedno z przedsięwzięć Fundacji Wikimedia. Angielska wersja powstała 27 czerwca 2003, zaś polska 17 lipca 2004 roku. Wikicytaty są obecnie trzecią pod względem wielkości wersją językową - zawierają ponad 8,5 tysiąca artykułów ustępując tylko projektowi angielskiemu (ponad 17,7 tys. stron) i włoskiemu (ponad 9,7 tys. artykułów). W lipcu 2007 uruchomiono czterdziestą wersję językową.
Nauki ścisłe to inaczej nauki matematyczne i przyrodnicze, czyli grupa nauk, które zajmują się badaniem otaczającego świata oraz konstruowaniem abstrakcyjnych modeli, mogących służyć do tego opisu.

Według Modelu Standardowego protony i neutrony są zbudowane z kwarków. Kwarki stanowią jedną z podstawowych grup cząstek tworzących materię (drugą są leptony, których przykładem jest elektron). Istnieje sześć typów kwarków, każdy posiadający ułamkowy ładunek elektryczny wynoszący albo +2/3 albo −1/3. Protony są zbudowane z dwóch kwarków górnych (o ładunku +2/3) i jednego kwarku dolnego (o ładunku −1/3). Neutrony są zbudowane z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Ta różnica odpowiada za różnicę w masach i ładunku tych dwóch cząstek. Kwarki są powiązane ze sobą silnym oddziaływaniem jądrowym, którego nośnikiem są gluony. Gluony są bozonami cechowania – podstawowymi cząstkami przenoszącymi oddziaływania fizyczne.

Energia wiązania – energia potrzebna do rozdzielenia układu na jego elementy składowe i oddalenia ich od siebie tak, by przestały ze sobą oddziaływać.
Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.

Jądro atomowe

Średnia energia wiązania dla nukleonu w jądrach poszczególnych pierwiastków

Osobny artykuł: Jądro atomowe.

Wszystkie protony i neutrony w atomie (nazywane wspólnie nukleonami) skupiają się w jądro atomowe. Średnica jądra atomowego wynosi około $\begin{smallmatrix}1.07 \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}$ fm, gdzie A oznacza liczbę nukleonów. Jest to około 1/100 000 średnicy całego atomu. Nukleony są związane ze sobą przez siły jądrowe, będące resztkowym przejawem oddziaływania silnego. Na odległościach mniejszych niż 2,5 fm te siły są wielokrotnie silniejsze od odpychania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami.

Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.
Niels Henrik David Bohr (ur. 7 października 1885 w Kopenhadze, zm. 18 listopada 1962 tamże) - fizyk duński, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1922 za opracowanie teorii budowy (struktury) atomu.

Atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów, nazywaną liczbą atomową. Liczba neutronów może być różna, w zależności od izotopu tego pierwiastka. Łączna liczba protonów i neutronów określana jest jako liczba masowa. Stabilność jądra zależy od liczby protonów, jak i neutronów w jądrze. Jądra niestabilne ulegają rozpadowi promieniotwórczemu.

Hiperony (z gr. hyper "ponad") – grupa ciężkich cząstek (barionów), zawierających przynajmniej jeden kwark dziwny (s). Zaliczane są w związku z tym do cząstek dziwnych.
Historia Ziemi obejmuje okres około 4,6 miliarda lat (4 567 000 000 lat), od uformowania się planety z mgławicy słonecznej do czasów współczesnych. Niniejszy artykuł przedstawia zarys jej historii i podsumowuje wiodące teorie naukowe. Aby ułatwić czytelnikowi umiejscowienie opisywanych zdarzeń na osi czasu, w artykule posłużono się analogią, odwzorowując dzieje naszej planety na 24-godzinną dobę. Godzinie 00:00 w tym modelu odpowiada moment powstania Ziemi 4,567 miliarda lat temu, natomiast godzinie 24:00 odpowiadają czasy nam współczesne. Oznacza to, że każdej sekundzie umownego "życia" Ziemi w naszym modelu odpowiada 53 000 lat czasu rzeczywistego. Wielki Wybuch, podczas którego powstał Wszechświat, nastąpił około 13,7 miliarda lat temu, co oznacza, że nastąpił około trzech "dni" temu czyli dwa "dni" przed rozpoczęciem historii Ziemi.

Zarówno protony, jak i neutrony są fermionami. Reguła Pauliego zabrania identycznym fermionom zajmowania jednocześnie tego samego stanu kwantowego. Dlatego każdy proton w jądrze musi znajdować się w innym stanie kwantowym, podobnie jak każdy neutron. Reguła ta nie zabrania protonowi i neutronowi znajdować się w tym samym stanie, ponieważ są innym typem cząstek.

Wodór (H) (Masa atomowa: 1,00782504(7) u) posiada trzy występujące naturalnie izotopy, 1H, 2H, i 3H. Pozostałe, (4H - 7H) zostały wytworzone sztucznie i nie występują w środowisku naturalnym.
Atomizm fizykalny - teoria o ziarnistej, nieciągłej strukturze materii, twierdzenie, że materia składa się z niepodzielnych elementów, niegdyś atomów a współcześnie: cząstek elementarnych)

W atomach z małą liczbą protonów (poniżej 20) najstabilniejsze są izotopy, w których liczba protonów i neutronów jest w przybliżeniu równa. Jądro atomu z tej grupy, zawierające znacząco różną liczbę neutronów i protonów, może obniżyć swoją energię przez rozpad radioaktywny prowadzący do zmniejszenia tej różnicy. W miarę wzrostu liczby protonów w jądrze ich odpychanie elektrostatyczne sprawia, że stabilniejsze stają się jądra z nieco większą liczbą neutronów. Jądra wszystkich atomów cięższych od wapnia (20 protonów), których liczba neutronów jest równa liczbie protonów, są niestabilne. Z dalszym wzrostem liczby protonów optymalny stosunek liczby neutronów do protonów rośnie, osiągając około 1,5 dla najcięższych jąder. Najcięższym trwałym atomem jest ołów, którego izotop Pb zawiera 82 protony i 126 neutronów. Do roku 2003 za najcięższy trwały atom uważano bizmut (izotop Bi), który jednak, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, ostatecznie okazał się niestabilny.

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN (fr. Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) — ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. Najważniejszym narzędziem ich pracy jest największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów.
Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Schemat syntezy jądra deuteru z dwóch protonów. Emitowany jest pozyton (e) — cząstka antymaterii — oraz neutrino elektronowe.

W wyniku zderzeń jąder atomowych może dojść do utworzenia nowych jąder, ale doprowadzenie do takiej reakcji wymaga często bardzo wysokich energii. Fuzja jądrowa zachodzi, gdy lżejsze jądra łączą się w cięższe. Przykładowo protony muszą zderzyć się z energią 3–10 keV, aby przezwyciężyć wzajemne odpychanie i zbliżyć się na tyle, żeby połączyć się w jądro deuteru. Rozszczepienie jądra atomowego to odwrotny proces, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa lżejsze. Jądro może też zostać zmodyfikowane w wyniku zderzenia z wysokoenergetyczną cząstką lub fotonem – które zmieni proton w neutron lub na odwrót.

Rozpad beta – jeden z typów reakcji rozpadu jądra. Jest to przemiana jądrowa, której skutkiem jest przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżnia się dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) oraz rozpad β + (beta plus). W wyniku tego rozpadu zawsze wydzielana jest energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii rozpadu może pozostać zmagazynowana w jądrze w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania gamma.
Theodor (The) Svedberg (ur. 30 sierpnia 1884 w Valbo koło Gävle, zm. 25 lutego 1971 w Kopparberg) - szwedzki profesor chemii fizycznej uniwersytetu (1912-1949) i Instytucie Chemii Jądrowej w Uppsali (od roku 1949), członek honorowy PTCh (1935).

Jeśli masa powstałego jądra i emitowanych cząstek jest mniejsza niż masa substratów, różnica zostanie wyemitowana w postaci promieniowania gamma lub energii kinetycznej produktów, zgodnie ze wzorem na równoważność masy i energii E = mc. Różnica mas wynika z energii wiązania w jądrze i jej utrata sprawia, że powstałe jądro jest stabilne – aby się rozpaść, musi otrzymać tę energię z otoczenia.

Johannes (Hans) Wilhelm Geiger (ur. 30 września 1882 w Neustadt an der Weinstrasse, zm. 24 września 1945 w Poczdamie) – niemiecki fizyk. Stał się znany dzięki opracowanemu wraz z innym niemieckim fizykiem, Walterem Müllerem, licznikowi Geigera.
Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

Fuzja, w której powstaje jądro lżejsze od żelaza – o liczbie nukleonów mniejszej niż 60 – powoduje zwykle wyemitowanie większej ilości energii, niż jest potrzebna do jej wywołania. Ta energia napędza reakcję termojądrową we wnętrzu gwiazd. Dla jąder cięższych od jadra żelaza energia wiązania w przeliczeniu na nukleon zaczyna spadać. Oznacza to, że fuzja takich jąder zużywa energię i nie może podtrzymać równowagi hydrostatycznej w gwiazdach.

Dmitrij Iwanowicz Mendelejew, Дмитрий Иванович Менделеев (ur. ) – chemik rosyjski, odkrywca (w roku 1869) prawa okresowości pierwiastków chemicznych.
Spektroskopia strat energii elektronów EELS (ang. Electron Energy Loss Spectroscopy) - jedna z odmian spektroskopii elektronowej, polegająca na analizie rozkładu energetycznego elektronów rozproszonych niesprężyście. Elektrony przechodzące przez próbkę są rozdzielane zależnie od ilości utraconej energii za pomocą spektrometru z sektorowym polem magnetycznym. Widmo EELS może być mierzone równolegle z obserwacjami za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego i skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego z użyciem systemu opartego na diodach i scyntylatorach.

Powłoki elektronowe

Studnia potencjału, pokazująca minimalną energię V(x) potrzebną do osiągnięcia pozycji x. W mechanice klasycznej cząstka o energii E jest ograniczona do pozycji między x1 i x2.

Osobne artykuły: Orbital i Konfiguracja elektronowa.

Elektrony w atomie są przyciągane siłami elektrycznymi przez protony w jądrze. To oddziaływanie tworzy studnię potencjału wokół jądra, uwolnienie z której wymaga dostarczenia elektronom energii z zewnątrz. Im bliżej jądra znajduje się elektron, tym silniej jest przyciągany i wzrasta energia konieczna do jego oderwania od atomu. Zgodnie z mechaniką kwantową, elektrony (tak jak wszystkie cząstki) są jednocześnie cząstkami i falami. Każdy elektron można opisać funkcją matematyczną określającą prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w określonym obszarze. Dla elektronu w studni potencjału, funkcja ta jest funkcją fali stojącej i jest nazywana orbitalem. Zbiór orbitali posiadających podobny poziom energetyczny nazywany jest powłoką elektronową, a łącznie wszystkie powłoki − chmurą elektronową. Istnieje określony, niewielki zbiór stabilnych orbitali wokół jądra a wszystkie pozostałe, które są teoretycznie możliwe, szybko rozpadałyby się na orbitale z tego zbioru. Te stabilne orbitale różnią się między sobą kształtami oraz wielkością i orientacją obszaru, który określają.

Wiktionary – projekt Fundacji Wikimedia, którego założeniem jest stworzenie wolnego słownika w każdym języku opartego na mechanizmie wiki (zawierającego m.in. synonimy czy tłumaczenia). Wiktionary jest jednym z siostrzanych projektów Wikipedii.
Njaja (sanskryt: न्याय, trl. nyāya, wzorzec, procedura, wywód, metoda, reguła, maksyma - wtórnie logika, epistemologia, metodologia) - klasyczny system filozofii indyjskiej (zaliczany do grup astika i sat darśana). Jej przedstawiciele najjajikowie (trl. naiyāyika) dążyli do wyzwolenia, podobnie jak zwolennicy Upaniszad. Znana była jako śiwaicka doktryna paśupatów (pāśupataśāstra). Cechuje ją silne powinowactwo do systemu waiśesziki . Specjalizuje się w metodologii, teorii poznania i soteriologii. Jest szkołą zdecydowanie teistyczną, pluralistyczną, realistyczną.

Kształty pięciu najprostszych orbitali. Trzy orbitale 2p mają identyczny kształt, różnią się jedynie orientacją w przestrzeni.

Każdemu orbitalowi przypisany jest jego poziom energetyczny. Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym pochłaniając foton o odpowiedniej energii lub otrzymując tę energię ze zderzenia z innym atomem lub cząstką. Odwrotnie, elektron z wyższego poziomu może przenieść się na niższy. Powstający w ten sposób nadmiar energii jest unoszony przez emitowany foton (zjawisko to nazywamy emisję spontaniczną) lub przejmowany przez inny atom (przejście bezpromieniste). Charakterystyczne wartości tych energii, będące różnicami energii poszczególnych orbitali, odpowiadają za występowanie linii spektralnych w widmach liniowych poszczególnych pierwiastków.

Bariony – w fizyce cząstek elementarnych rodzina cząstek elementarnych silnie oddziałujących fermionów (o spinie połówkowym). Bariony są podrodziną cząstek silnie oddziałujących nazywanej hadronami. Barionem jest proton czy neutron wspólnie nazywane nukleonami.
Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.

Energia potrzebna na oderwanie bądź przyłączenie elektronu – energia wiązania elektronu – jest o wiele mniejsza niż energia wiązania nukleonów. Potrzeba około 13,6 eV, aby oddzielić elektron w stanie podstawowym od jądra atomu wodoru, podczas gdy wyrwanie nukleonu z jądra deuteru wymaga 2,23 milionów eV.

Irving Langmuir (ur. 31 stycznia 1881 w Nowym Jorku, zm. 16 sierpnia 1957 w Woods Hole, Massachusetts) - fizykochemik amerykański, pionier badań nad wyładowaniami elektrostatycznymi w gazach i zjawiskami powierzchniowymi.
Sole - związki chemiczne powstałe w wyniku całkowitego lub częściowego zastąpienia w kwasach atomów wodoru innymi atomami, bądź grupami o właściwościach elektrofilowych, np. kationy metali, jony amonowe i inne postaci XR4+ (gdzie X = {N, P, As, ...}, R - dowolna grupa organiczna) itp. Sole znalazły liczne zastosowania jako nawozy sztuczne, w budownictwie, komunikacji, przemyśle spożywczym i wielu innych. Sole występują w przyrodzie, jako minerały lub w organizmach żywych w roztworach płynów ustrojowych.

Jeśli atom ma tę samą liczbę protonów i elektronów, jest elektrycznie obojętny. Atomy mające nadmiar lub niedomiar elektronów nazywane są jonami. Elektrony na orbitalach najdalszych od jądra mogą przenosić się na inne atomy bądź tworzyć orbitale wokół dwóch i więcej atomów jednocześnie. W ten sposób atomy tworzą wiązania chemiczne między sobą, łącząc się w związki chemiczne.

Pierwotna nukleosynteza – nukleosynteza, która zachodziła we wczesnej fazie ewolucji Wszechświata, w wyniku czego doszło do powstania jąder atomowych innych niż proton (jądro wodoru 1H).
Bąbel Lokalny – obszar przestrzeni kosmicznej o małej gęstości materii międzygwiazdowej wewnątrz Ramienia Oriona w Drodze Mlecznej, wewnątrz którego aktualnie znajduje się Słońce. Rozciąga się na co najmniej 300 lat świetlnych i ma średnią gęstość około 0,05 atomu/cm, czyli około 1/10 średniej gęstości ośrodka międzygwiazdowego w Drodze Mlecznej.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)