atom

Atomet har en svært sentral rolle i flere grunnleggende vitenskaper, spesielt fysikk og kjemi. Materialer og molekyler oppstår når atomer slår seg sammen gjennom å danne kjemiske bånd. Dette danner grunnlaget for anvendelser innenfor områder som medisin og nanoteknologi.

Atomet består av en atomkjerne og en sky av elektroner rundt kjernen. Atomkjernen er stabil på grunn av den sterke vekselvirkningen, mens atomet som helhet er stabilt fordi atomkjernen og elektronene tiltrekker hverandre gjennom elektrisk vekselvirkning. Ulike atomer skiller seg fra hverandre gjennom hvor mange partikler som er i atomkjernen og hvor mange elektroner som befinner seg i skyen rundt kjernen.

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. Antallet protoner er lik atomnummeret i grunnstoffenes periodesystem.

• Les mer om protoner og nøytroner.

Atomkjernen er udelelig i kjemiske reaksjoner. Men protoner eller nøytroner kan 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. Det 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 en må legge rundt 100 millioner atomer etter hverandre i rekke for hver centimeter.

• Les mer om atomkjernen.

Kjernen i forskjellige atomer av et grunnstoff kan inneholde forskjellig 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, 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 isopoet seks nøytroner i kjernen. I ¹³C er det seks protoner og syv nøytroner i kjernen.

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.

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 elementærladninga.

Atomer kan virke med en tiltrekkende kraft på hverandre og danne kjemiske bindinger som holder de sammen. Dette kalles for kjemiske forbindelser. Den tiltrekkende kraften mellom atomer oppstår fordi at 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 i mellom de to atomene. Dette fører til en reduksjon av energi i henhold til kvantemekaniske prinsipper: 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 mindre enn en promille av atomets masse.

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

Siden det er svært 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.

De aller fleste grunnstoffene 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.

Massen til et atom består ikke kun av summen av massene til hvert enkelt proton, nøytron og elektron i atomet. Massen påvirkes også av at energien til disse partiklene blir redusert av de tiltrekkende kreftene (sterk vekselvirkning og elektrisk vekselvirkning) som virker mellom dem.

Et eksempel på dette er helium som er bygd opp av to hydrogenatomer (¹H) og to nøytroner. To hydrogenatomer og to nøytroner har til sammen massen 4,034. Helium har likevel en relativ atommasse som er mindre: 4,003. Denne forskjellen i masse har å gjøre med energi, basert på Albert Einsteins likning E = mc². Her står E for energien, m for massen og c er lysfarten. Når partiklene i atomkjernen tiltrekkes av hverandre, reduseres deres energi og dermed reduseres også deres totale masse ifølge den spesielle relativitetsteorien.

De tidligste naturfilosofene i antikkens Hellas tenkte seg at stoff var delelig i det uendelige. Anaxagoras utformet denne teorien til sin ytterste konsekvens og uttalte: «Alt inneholdes i alt», med andre ord at ethvert stoff er en blanding av alle mulige stoffer.

I motsetning til dette kom Levkippos og hans elev Demokrit i år 400 fvt. frem til at materien ikke kunne være delelig i det uendelige. I stedet antok de at materien måtte være bygd opp av små, udelelige partikler, som de kalte atomer, og som de tenkte seg måtte være adskilt med tomt rom.

Levkippos kom til dette resultatet ved å gå ut fra at det er bevegelse til stede i verden. Det må derfor være et tomt rom som bevegelsen kan foregå i. Stoffdelene må derfor være adskilt ved tomrom. Hvis stoffet skulle være delelig i det uendelige, måtte det være tomrom mellom delene, og stoffdelene selv måtte være bitte små, det vil si at de ikke kunne eksistere. Med udelelig menes her fysikalsk udelelig, slik at man godt kan tenke seg atomet delt videre som enhver geometrisk figur. Levkippos tenkte seg atomene dannet av ett og samme urstoff. Det var bare formen som var forskjellig. Atomets form ble derfor det som karakteriserte dem.

Demokrit mente at også atomets størrelse kunne variere. Demokrits lære ble delvis overtatt av epikureerne, og ble også skildret av den romerske dikteren Lukrets i diktet De rerum natura fra rundt år 60 fvt.

Aristoteles trodde derimot ikke på atomer. På grunn av den dominerende innflytelsen den aristoteliske lære fikk i middelalderen i Europa, gikk atomteorien nesten helt i glemmeboken.

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