Atomo

Grafiko de nuklidoj kolorigitaj laŭ duoniĝa tempo

Atomo (de la greka vorto ἄτομος [atomos] = "netranĉebla") estas, en filozofio kaj poste fiziko, baza ero kiu konsistigas materion.

Priskribo

La materio estas elfarita el atomoj, kaj dum tre longa tempo estis kreita, ke atomoj estis vere nedisigeblaj, sed hodiaŭ oni scias, ke fakte ili estas elfaritaj de tri diversaj partikloj: protonoj, elektronoj kaj neŭtronoj. Protonoj kaj elektronoj estas nomitaj ĉi tiel ĉar ili estas la plej malgrandaj stabilaj partikloj havantaj tiujn elektrajn ŝargojn kaj neŭtronoj estas la plej malgrandaj stabilaj partikloj sen elektra ŝargo. Protonoj kaj neŭtronoj formas la centron de la atomo kaj havas plejparton de la maso dum elektronoj ŝvebas ĉirkaŭ la centro.

Atomoj estas kutime elektre neŭtralaj kaj pro tio havas saman kvanton de protonoj kaj elektronoj.

Atomoj povas havi malsamajn nombrojn de protonoj kaj ĉi tiu nombro determinis la posedaĵon de la atomo. Do atomoj kun la sama nombro de protonoj estas la sama elemento. Atomoj de la sama elemento povas havi malsaman nombron de neŭtronoj. Atomoj kun malpli protonoj havas ĉirkaŭ la saman kvanton de neŭtronoj kaj protonoj, sed laŭ atomoj havas pli kaj pli protonojn ili havas eĉ pli neŭtronojn.

La elementoj kuniĝas por formi molekulojn. Ekzemplo de ordinara molekulo estas tiu de akvo (H₂O), kiu formiĝas el du atomoj de hidrogeno kaj unu de oksigeno.

Atomoj estas tiel malgrandaj, ke ili neniel videblas, eĉ ne per elektrona mikroskopo. Ekzemple, la grando de atomo de hidrogeno estas nur 0,1 nanometro, aŭ 1/100.000.000.000 m (aŭ 10⁻¹⁰m). Unu gramo da aluminio proksimume havas 20.000.000.000.000.000.000.000 atomojn (2x10²²).

Historio de malkovroj

Demokrito, plej grava reprezentanto de la greka atomisma skolo (5-a jarcento a.K.). Portreto de Johannes Moreelse en la amuza sinteno kun kiu oni identigis la filozofon.

La greka filozofo Demokrito unue tezis, ĉirkaŭ la jaro 400 a.K., ke devas ekzisti nedivideblaj eroj de materio, aŭ elementoj. Li nomis ĉi tiujn malgrandegajn erojn de materio "atomos", vorto kiu en la greka signifis "netranĉebla". Tamen, hodiaŭ oni scias, ke la atomo vere estas dividebla.

La atommodelo de Thomson estas unu el la pluraj sciencaj modeloj de la atomo. Ĝi estis unue proponita de Joseph John Thomson en 1904 rapide post la malkovro de la elektronoj, sed antaŭ la malkovro de la atomkerno. La modelo provis kombini la tiame konatajn ecojn de atomoj: 1) elektronoj estas negative ŝargitaj partikloj kaj 2) atomoj estas neŭtre ŝargitaj.

La planeda modelo diris, ke la atomo pli-malpli similas la sunsistemon; la kerno similas la sunon, kaj la elektronoj similas la ĉirkaŭantajn planedojn. Hodiaŭ oni scias, ke la elektronoj ŝvebas ĉirkaŭ la centro ne kiel planedoj, sed laŭ malsimplaj orbitoj determinitaj per la Ekvacio de Ŝrodinger.

Atommodeloj

Modelo de Dalton

La modelo de Dalton estis la unua atoma modelo kiu uzis sciencajn bazojn, kaj estis formulita en 1803 de John Dalton, kiu imagis la atomojn kiel malgrandajn sferojn. Tiu unua atoma modelo postulis jenon:

• La materio estas formata per tre malgrandaj partikloj nomataj atomoj, kiuj estas nedivideblaj kaj nedetrueblaj.
• La atomoj de unu elemento estas egalaj inter si, havas propran pezon kaj proprajn kvalitojn. La atomoj de la diversaj elementoj havas malsamajn pezojn.
• La atomoj restas nedividataj, eĉ kombinataj en la kemiaj reagoj.
• La atomoj, se kombinataj por formi komponaĵojn konservas simplajn rilatojn.
• La atomoj de diferencaj elementoj estas kombineblaj en diferencaj proporcioj kaj povas formi pli ol unu komponaĵo.
• La kemiaj komponaĵoj estas formataj kiam unuiĝas atomoj de du aŭ pliaj diversaj elementoj.

Modelo de Thomson

Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Atommodelo de Thomson.

La atommodelo de Thomson estas unu el la pluraj sciencaj modeloj de la atomo. Ĝi estis unue proponita de Joseph John Thomson en 1904 rapide post la malkovro de la elektrono, sed antaŭ la malkovro de la atomkerno. La modelo provis kombini la tiame konatajn ecojn de atomoj: 1) elektronoj estas negative ŝargitaj partikloj kaj 2) atomoj estas neŭtre ŝargitaj. Tiele la elektronoj estas supozataj dronigitaj en pozitiva "supo" kiel prunoj (angle plum) en pudingo (angle pudding), sekvas la imaga nomo de tia "plum pudding modelo".

Modelo de Nagaoka

Hantaro Nagaoka malakceptis la modelon de Thomson, ĉar la ŝargoj ne estas penetreblaj de siaj kontraŭoj. Pro sia malkonsento kun la tiama modelo, li proponis alternativan modelon, en kiu la centro de pozitiva ŝargo estis ĉirkaŭata de nombraj elektronoj kiuj turnis, farante similan bildon al tiu de la planedo Saturno kun ĝiaj ringoj, surbaze de la teorioj kiuj klarigis la stabilecon kaj la gravitajn rilatojn inter la planedo kaj ĝiaj ringoj. La tezo estis jena: la ringoj estas stabilaj, ĉar la planedo kiun ili estas ĉirkaŭanta estas tre amasa.

Modelo de Dirac

La Diraka ekvacio aspektas tiel:

$\left(\alpha _{0}mc^{2}+\sum _{j=1}^{3}\alpha _{j}p_{j}\,c\right)\psi (\mathbf {x} ,t)=i\hbar {\frac {\partial \psi }{\partial t}}(\mathbf {x} ,t)$

kie m estas kvietmaso de la elektrono, c estas lumrapideco, p estas la momanta operatoro, $\hbar$ estas la reduktita konstanto de Planck, x kaj t estas, respektive, la spaca kaj tempa koordinatoj, kaj ψ(x, t) estas kvar-komponanta ondfunkcio. La modelo de Dirac anstataŭas la tro simplan "planedan modelon" de atomo per inkludo de ondfunkcioj al la videbloj (pozicio, movkvanto...) de atomelektronoj.

La α-oj estas linearaj operatoroj, kiuj agas en la ondfunkcio. Ilia plej fundamenta eco estas ke ili estu kontraŭkomutaj. En aliaj vortoj,

$\alpha _{i}\alpha _{j}=-\alpha _{j}\alpha _{i}$,

kie $i\neq j$, kaj i kaj j estas inter nulo kaj tri. La plej simpla maniero por ricevi tiajn ecojn estas per 4×4 matricoj. Ne ekzistas aro de matricoj kun pli malgranda dimensio, kiu verigus la postulon de kontraŭkomuteco. Tiuj kvar-dimensiaj matricoj nomiĝas α-matricoj de Dirako:

Oportuna (sed ne unika) elekto de $\alpha$-matricoj estas

$\alpha _{0}={\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&-1&0\\0&0&0&-1\end{bmatrix}}\quad \alpha _{1}={\begin{bmatrix}0&0&0&1\\0&0&1&0\\0&1&0&0\\1&0&0&0\end{bmatrix}}$,

$\alpha _{2}={\begin{bmatrix}0&0&0&-i\\0&0&i&0\\0&-i&0&0\\i&0&0&0\end{bmatrix}}\quad \alpha _{3}={\begin{bmatrix}0&0&1&0\\0&0&0&-1\\1&0&0&0\\0&-1&0&0\end{bmatrix}}$,

La Diraka ekvacio priskribas la probablecajn amplitudojn por sola elektrono. Ĝi estas sola-partikla teorio, en aliaj vortoj, ĝi ne aplikas la kreadon kaj detruadon de la partikloj. Ĝi donas bonan antaŭdiron por la magneta momanto de elektrono kaj klarigas fajnan strukturon observeblan en atomaj spektraj linioj. Ĝi ankaŭ eksplikas la spinon de la elektrono. Du de la kvar solvoj de la ekvacio konformas al du spinaj ŝtatoj de elektrono. La aliaj du solvoj sugestas, ke ekzistas malfinia aro da kvantumaj statoj, en kiuj la elektrono havas negativan energion. Ĉi tiu stranga rezulto gvidis Dirakon al konkludo, tra rimarkinda hipotezo sciata kiel "trua teorio", ke ekzistas pozitive ŝargitaj "elektronoj". Ĉi tiu antaŭdiro estis pruvita per malkovro de pozitronoj en 1932 (antaŭe nomitaj pozitonoj kiel elektronoj estis nomitaj negatonoj).

Bildaro

• 
  Simpla bildigo de heliumoatomo
• 
  La kolorintenso estas proporcia al la probablodenso laŭ la elektronaj orbitaloj
• 
  Pudinga modelo de atomo
• 
  Atoma modelo de Rutherford
• 
  Bildigo de la modelo de Schrödinger
• 

Vidu ankaŭ

• Joniga energio
• Kemia ligo
• Listo de partikloj
• Pozitrono kaj Pozitronio
• Atomkerno
• Nuklido kaj Izotopo
• Nuklea izomero
• Strukturiĝo de atomoj
• Subatoma partiklo

Bibliografio

• Teaching Standard Model at high school» (en angla). Kronologio de la atoma modelo.
• Sokolovsky, Silvia (2002). «El Átomo». (en hispana) Arkivita el la originalo en la 5a de Oktobro 2011. Konsultita la 17an de Junio 2021.
• Bransden, B.H.; Joachain, J.C. (1983). Physics of atoms and molecules (en angla). Longman Group Limited. ISBN 0-582-44401-2.
• Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. (2004). An introduction to nuclear physics (en angla). Cambridge University Press. ISBN 0-521-65149-2.
• Demtröder, Wolfgang (2006). Atoms, molecules and photons (en angla). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-20631-6.
• Kramer, Kenneth (1988). Introductory nuclear physics (en angla). ISBN 047180553X.
• «Los ladrillos del Universo: los bloques constituyentes de la materia». Arkivita el la originalo en la 8a de februaro 2009. Disvastiga materialo de la CERN.

Eksteraj ligiloj

• La Aventuro de Partikloj (germane, angle, hispane, france, itale, portugale, norvege, rumane, serbe, ĉine)
• Historio de la modeloj de atomo Arkivigite je 2006-03-05 per la retarkivo Wayback Machine (nederlande)