atom

Atomet har en svært sentral rolle i flere grunnleggende vitenskaper, spesielt fysikk og kjemi. Materialer og molekyler oppstår når atomer slår seg sammen ved å danne kjemiske bindinger. Sammen med de radioaktive egenskapene til visse atomer, er dette grunnlaget for anvendelser innenfor områder som medisin og nanoteknologi.

Radioaktive atomer kan for eksempel benyttes innenfor medisin til diagnostikk for å visualisere strukturen til indre organer. Det skjer ved at en pasient inntar en dose med radioaktive atomer som kun tas opp av visse organer i kroppen. Strålingen som avgis fra atomene kan da registreres og gi informasjon om det relevante organet. Dersom den radioaktive strålingen er sterk nok til å skade vev, kan samme metode benyttes til å behandle kreftsvulster.

Innenfor nanoteknologi lager man nanomaterialer, som består av en relativt liten mengde atomer hvor de mekaniske og termiske egenskapene er veldig annerledes fra oppførselen til materialet på større skala. Slike nanomaterialer kan for eksempel brukes til å lage fleksible solceller, effektive katalysatorer og dioder i TV- og PC-skjermer for å avgi sterkt lys med lavt energiforbruk (LED-teknologi).

Et atom består av en atomkjerne og en sky av elektroner rundt kjernen. Atomkjernen er bygget opp av protoner og nøytroner, som igjen er bygget opp av kvarker.

Ulike atomer skiller seg fra hverandre gjennom hvor mange partikler atomkjernen har og hvor mange elektroner som befinner seg i skyen rundt kjernen.

Protonene i atomkjernen har positiv elektrisk ladning mens nøytronene er nøytrale. Atomkjernen har derfor totalt sett positiv ladning. Elektronene har negativ elektrisk ladning. Et vanlig atom er derfor som helhet elektrisk nøytralt. Dersom ett eller flere elektroner fjernes eller legges til, blir atomet til et ion.

Atomkjernen er stabil på grunn av den sterke vekselvirkningen, mens atomet som helhet er stabilt fordi atomkjernen og elektronene tiltrekker hverandre gjennom elektrisk vekselvirkning.

Atomkjernen er bygget opp av positivt ladde protoner og elektrisk nøytrale nøytroner. Protoner og nøytroner kalles samlet for nukleoner, fra det latinske ordet nucleus ('kjerne'). Et proton og et nøytron er omtrent like tunge. Antallet protoner bestemmer kjernens elektriske ladning og dermed hvilket grunnstoff atomet tilhører. Atomets atomnummer i grunnstoffenes periodesystem er lik antallet protoner i kjernen. Alle grunnstoffer består av atomer med samme atomnummer.

• Les mer om protoner og nøytroner.

Atomkjernen deler seg ikke i kjemiske reaksjoner. Imidlertid kan protoner eller nøytroner rives løs fra kjernen hvis atomet bestråles utenfra med ulike partikler, for eksempel i en partikkelakselerator. Atomkjerner av noen grunnstoff kan også endre seg uten at de blir påvirket utenfra. Dette skjer gjennom radioaktive prosesser.

• Les mer om grunnstoffomdanning.

Atomets størrelse bestemmes av atomkjernen og av fordelingen av elektroner. Størrelsen på ett atom varierer fra 0,1 nanometer til noen få ganger større. Dette betyr at man må legge rundt 100 millioner atomer etter hverandre i rekke for hver centimeter.

• Les mer om atomkjernen.

Kjernen i forskjellige atomer av det samme grunnstoffet kan inneholde ulikt antall nøytroner. Dette fører til at et grunnstoff kan opptre som forskjellige isotoper.

Isotopene av et grunnstoff har de samme kjemiske egenskapene. Men fordi massetallet i isotopene er forskjellig, selv om atomnummeret er likt, vil enkelte fysiske egenskaper være ulike.

Isotoper beskrives gjerne med massetallet i hevet skrift foran grunnstoffets atomsymbol. For eksempel skrives den vanligste isotopen av grunnstoffet karbon slik: ¹²C (uttales «C tolv» eller «karbon tolv»). At massetallet er 12 betyr at i tillegg til de seks protonene som finnes i alle karbonatomer, er det i dette isotopet seks nøytroner i kjernen. I ¹³C er det seks protoner og syv nøytroner i kjernen.

Det er elektronene i atomet som bestemmer atomets kjemiske og optiske egenskaper. Et proton og et elektron har like stor elektrisk ladning, men med motsatt fortegn. Elektronets elektriske ladning kalles den elektriske elementærladningen.

Rundt atomkjernen i et elektrisk nøytralt atom beveger det seg like mange elektroner som det er protoner i kjernen. Elektronene som beveger seg rundt kjernen utgjør det som kalles atomets elektronsky.

Atomer kan virke med en tiltrekkende kraft på hverandre og danne kjemiske bindinger som holder ulike atomer sammen. Dette kalles kjemiske forbindelser.

Den tiltrekkende kraften mellom atomer oppstår fordi det skjer endringer i elektronskallet til atomene når de er i nærheten av hverandre. For eksempel kan to atomer dele elektroner på den måten at elektronene i elektronskallene til de individuelle atomene flytter seg til å hovedsakelig befinne seg mellom de to atomene. Dette fører til en reduksjon av energi i henhold til det kvantemekaniske prinsippet om at jo mindre lokalisert en partikkel er i rommet, jo mindre kinetisk energi har den.

Hvorvidt kjemiske bindinger dannes og hva slags type bindinger som dannes er svært avhengig av hvilke elektronskall som det befinner seg elektroner i, for et gitt atom. Derfor er det i første rekke antallet elektroner og deres energi (med andre ord hvilket elektronskall de er plassert i) som bestemmer grunnstoffenes kjemiske egenskaper.

Atomkjernen er derimot svært stabil og blir ikke påvirket av vanlige kjemiske reaksjoner.

Praktisk talt all masse i et atom er i atomkjernen. Elektronenes masse er svært liten, den er mindre enn en promille av atomets masse.

Atommassene er i seg selv svært små. De spenner fra 10⁻²⁴ gram (et kvadrilliondels gram) til 10⁻²² gram (tall på standardform).

Siden det er upraktisk å gjøre utregninger med så små tall, har man valgt å angi atommassene i forhold til massen for et bestemt, utvalgt atom. Dette kalles relativ atommasse eller atomvekt. I 1961 blei det internasjonalt vedtatt å velge massen av karbonisotopen med massetall 12 (¹²C) som ny standard for atommasser. Dette atomets masse ble i definisjonen satt lik 12, og som enhet i den relative atommasseskalaen valgte man \(\frac{1}{12}\) av denne massen. Denne enheten kalles atommasseenheten og har symbol u.

• Les mer om atommasseenheten.
• Les mer om atommasse.

De aller fleste grunnstoffer er en blanding av isotoper. Atommassetallene er derfor gjennomsnittsverdier. Blandingsforholdene for isotoper er konstante, slik at også gjennomsnittsverdiene er konstante størrelser som kan brukes for kjemiske beregninger. Det finnes unntak, for eksempel varierer blandingsforholdet mellom isotoper av grunnstoffet svovel med hvor de forekommer geografisk på Jorda.

• Les mer om isotoper.

De tidligste naturfilosofene i antikkens Hellas tenkte seg at stoff var delelig i det uendelige. Levkippos og hans elev Demokrit i år 400 fvt. mente derimot at materien ikke kunne være delelig i det uendelige. I stedet antok de at materien måtte være bygget opp av små, udelelige partikler, som de kalte atomer, og som de tenkte seg måtte være adskilt med tomt rom.

Det var britiske John Dalton som med sin atomhypotese fra 1807 kan sies å ha lagt grunnlaget for den moderne modellen av atomet. Den svenske kjemikeren Jacob Berzelius' mer nøyaktige kvantitative analyser bidro også til at atomteorien ble bekreftet og akseptert av flere.

Den britiske fysikeren Ernest Rutherford fant i 1911 ut at atomet måtte bestå av en tung kjerne omgitt av lette elektroner som gikk i baner i relativt stor avstand fra kjernen. Den danske fysikeren Niels Bohr foreslo i 1913 en teoretisk modell for et slikt atom. Bohrs modell ble igjen erstattet med en teoretisk atommodell foreslått av Erwin Schrödinger i 1926. Denne modellen er det mest presise uttrykket for den atommodellen som brukes i kjemien i dag.

• Les mer om atomteori.

• kjernefysikk
• atomkjerne
• elementærpartikler
• atomteori
• periodesystemet
• grunnstoff