ატომი

ატომი — ჩვეულებრივი მატერიის შემადგენელი უმცირესი ერთეული, რომელსაც ქიმიური ელემენტის თვისებები გააჩნია. ყოველი მყარი სხეული, სითხე, აირი და პლაზმა შედგება ნეიტრალური ან იონიზირებული ატომებისაგან. ატომები ძალიან მცირე ზომისაა, მათი ჩვეულებრივი ზომა დაახლოებით 100 პიკომეტრია (მეტრის ათმემილიარდედი მეტრულ სისტემაში),

დალტონს სჯეროდა, რომ ატომურ თეორიას შეეძლო აეხსნა თუ რატომ შთანთქავდა წყალი სხვადასხვა აირს სხვადასხვა პროპორციით. მაგალითად, მან დაადგინა, რომ წყალი გაცილებით უკეთ შთანთქავდა ნახშირორჟანგს, ვიდრე აზოტს. დალტონმა ივარაუდა, რომ ეს გამოწვეული იყო აირების შესაბამისი ნაწილაკების მასებსა და სირთულეებს შორის არსებული განსხვავებით. მართლაც, ნახშირორჟანგის მოლეკულები (2) უფრო დიდები და მძიმეებია, ვიდრე აზოტის მოლეკულები (2).

ბროუნის მოძრაობა
1827 წელს, ბოტანიკოსმა რობერტ ბროუნმა, რომელიც მიკროსკოპის გამოყენებით წყალში მოტივტივე მტვრის მარცვლებს აკვირვებოდა, აღმოაჩინა, რომ მათი მოძრაობა თითქმის მთლიანად არაპროგნოზირებადი იყო. ეს ფენომენი „ბროუნის მოძრაობის“ სახელითაა ცნობილი. იფიქრეს, რომ ეს მარცვლებზე წყლის მოლეკულების მოქმედებით იყო გამოწვეული. 1905 წელს ალბერტ აინშტაინმა დაამტკიცა სიმართლე ამ მოლეკულებისა და მათი მოძრაობის შესახებ ბროუნის მოძრაობის პირველი სტატისტიკური ფიზიკის ანალიზის წარმოების შედეგად. მალევე დადგინდა, რომ ისინი ის ნაწილაკები იყვნენ, რომლებსაც მეტალის მავთულებში ელექტრული დენი გადაჰქონდათ და გააჩნდათ უარყოფითი მუხტი ატომის შიგნით. ტომსონმა ამ ნაშრომისათვის 1906 წელს ნობელის პრემია მიიღო ფიზიკის დარგში. ამდენად, მან შეცვალა წარმოდგენა იმის შესახებ, რომ ატომი მატერიის საბოლოო, განუყოფელი ნაწილაკი იყო.

ქიმიური ბმის ახსნა
ქიმიური ბმები ატომებს შორის 1916 წელს გილბერტ ნიუტონ ლევისის მიერ უკვე ახსნილი იყო, როგორც ურთიერთმოქმედება მათ შემადგენელ ელექტრონებს შორის. 1919 წელს ამერიკელმა ქიმიკოსმა ირვინგ ლენგმიურმა ივარაუდა, რომ ეს შესაძლოა ახსნილიყო იმ შემთხვევაში, თუ ატომში ელექტრონები დაკავშირებული ან დაჯგუფებულები იქნებოდნენ გარკვეული წესით. ფიქრობდნენ, რომ ელექტრონთა ჯგუფებს ეკავათ ელექტრონული გარსი ბირთვის მახლობლად. წინა მოდელებისაგან განსხვავებით, ამ უკანასკნელმა შეძლო აეხსნა ატომის ქცევის დაკვირვებები, როგორიცაა წყალბადზე დიდი ატომების გარკვეული სტრუქტურული და სპექტრალური ნიმუშები. აქედან გამომდინარე, ატომის პლანეტარული მოდელი დაიწუნეს მის სასარგებლოდ, რომელიც აღწერდა ატომური ორბიტალების ზონებს ბირთვის გარშემო, სადაც მოცემული ელექტრონის ყოფნის მეტი ალბათობა არსებობდა. იგი წარმოადგენს ყველაზე მსუბუქ ნაწილაკს დადებითად გაზომილი უძრაობის მასით. ჩვეულებრივ პირობებში, ელექტრონი დადებითად დამუხტულ ბირთვთან საპირისპირო მუხტების ქონის გამო წარმოქმნილი მიზიდულობითაა დაკავშირებული. თუ ატომს მის ატომურ ნომერზე მეტი ან ნაკლები ელექტრონი გააჩნია, მაშინ იგი, მთლიანობაში, შესაბამისად, უარყოფით ან დადებით მუხტს იძენს. დამუხტულ ატომს იონი ეწოდება. ელექტრონი გვიანდელი საუკუნიდანაა ცნობილი, რაც, მეტწილად, ჯოზეფ ჯონ ტომსონის დამსახურებაა (დეტალებისათვის იხილეთ სუბატომური ფიზიკის ისტორია).

პროტონს გააჩნია დადებითი მუხტი და ელექტრონისაზე 1 836-ჯერ მეტი მასა, რაც 1,6726−27 კგ-ს შეადგენს. პროტონთა რიცხვს ატომში მისი ატომური ნომერი ეწოდება. ერნესტ რეზერფორდმა (1919 წ.) აღმოაჩინა, რომ ალფა ნაწილაკებით „დაბომბვის“ პირობებში, აზოტი გამოდევნის რაღაცას, რაც, როგორც დადგინდა, წყალბადის ბირთვი იყო. 1920 წლისათვის მან გააცნობიერა, რომ წყალბადის ბირთვი ატომის შემადგენელ ნაწილაკს წარმოადგენდა და მას პროტონი უწოდა.

ნეიტრონს ელექტრული მუხტი არ გააჩნია, მისი მასა კი ელექტრონისაზე 1 839-ჯერ მეტია და 1,6929−27 კგ-ს შეადგენს. იგი ატომის შემადგენელ სამ ნაწილაკს შორის ყველაზე მძიმეა, თუმცა, შესაძლოა, შემცირდეს ბირთვული დამაკავშირებელი ძალის მიერ. ნეიტრონსა და პროტონს (ერთობლივად ნუკლოები) გააჩნიათ შედარებითი განზომილებები (2,5−15 მ-ის ფარგლებში), თუმცა ამ ნაწილაკთა „ზედაპირი“ ზუსტად გარკვეული არ არის. ნეიტრონი 1932 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯეიმზ ჩედვიკმა აღმოაჩინა.

ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში ელექტრონი ჭეშმარიტად ელემენტარული ნაწილაკია შიდა სტრუქტურის გარეშე, თუმცა, როგორც პროტონი, ასევე, ნეიტრონი შედგენილ ნაწილაკებს წარმოადგენენ, რომლებიც კვარკის სახელით ცნობილი ელემენტარული ნაწილაკებით არიან აგებულნი. ატომში ორი სახის კვარკი არსებობს, თითოეულ მათგანს დანაწევრებული ელექტრული მუხტი გააჩნია. პროტონი შედგენილია ორი -კვარკისა (თითოეულის მუხტია +⅔) და ერთი -კვარკისაგან (მუხტი — -⅓), ხოლო ნეიტრონი — ერთი -კვარკისა და ორი -კვარკისაგან. ეს სხვაობა მოითვლება ამ ორი ნაწილაკის მასებსა და მუხტებს შორის არსებული განსხვავებისათვის. იგი გაცილებით მცირეა, ვიდრე ატომის რადიუსი, რომელიც 105 ფმ-ის ფარგლებშია. ნუკლონები ნარჩენი ძლიერი ძალის სახელით ცნობილი მცირე დისტანციაზე მოქმედი მიზიდულობის პოტენციალით არიან ერთად შეკავშირებულნი. 2,5 ფმ-ზე მცირე მანძილზე ეს ძალა ელექტროსტატიკურ ძალაზე ბევრად ძლიერია, რაც იწვევს დადებითად დამუხტული პროტონების ურთიერთგანზიდვას.

ერთი ელემენტის ატომებს პროტონთა ერთნაირი რაოდენობა აქვთ, რასაც ატომური ნომერი ეწოდება, თუმცა, იმავე ელემენტის ატომებში ნეიტრონთა რიცხვი, შესაძლოა, განსხვავდებოდეს, რაც ელემენტის იზოტოპის განმსაზღვრელია. პროტონთა და ნეიტრონთა მთლიანი რიცხვი ნუკლიდის განმსაზღვრელია. პროტონების რაოდენობასთან მიახლოვებული ნეიტრონთა რიცხვი ბირთვის სტაბილურობას განსაზღვრავს. გარკვეული იზოტოპები რადიოაქტიურ დაშლას განიცდიან.

ორი ბირთვის შეერთება, რომელიც წარმოქმნის უფრო დიდ ბირთვს უფრო მცირე ატომური ნომრით ვიდრე რკინა და ნიკელია (ნოკლონთა მთლიანი რიცხვი, დაახლოებით 60), ჩვეულებრივ, ეგზოთერმული პროცესია, რომელიც გამოათავისუფლებს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე ეს მათ ერთად შესაკრებადაა საჭირო.

მახასიათებლები
ბირთვული მახასიათებლები
განსაზღვრების მიხედვით, ნებისმიერი ორი ატომი პროტონთა იდენტური რიცხვით ბირთვში ერთ ქიმიურ ელემენტს მიეკუთვნება. ატომები პროტონთა ტოლი რიცხვით, მაგრამ ნეიტრონთა განსხვავებული რაოდენობით, ერთი ქიმიური ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპებს წარმოადგენენ. მაგალითად, წყალბადის ყველა ატომს ზუსტად ერთი პროტონი აქვს, თუმცა არსებობენ იზოტოპები ნეიტრონის გარეშე (წყალბად-1, ყველაზე გავრცელებული ფორმაა,

80 ქიმიურ ელემენტს, სულ ცოტა, ერთი სტაბილური იზოტოპი მაინც გააჩნია. როგორც წესი, თითოეული ასეთი ელემენტისათვის მხოლოდ რამდენიმე სტაბილური ელემენტი არსებობს, რაც, საშუალოდ, 3,2 სტაბილურ იზოტოპს შეადგენს თითოეულ ელემენტზე. 26 ელემენტს მხოლოდ ერთი სტაბილური ელემენტი გააჩნია. ყველაზე მეტი სტაბილური იზოტოპის რაოდენობა, რომელიც ერთ ელემენტს აქვს, ათს შეადგენს და ისინი კალის იზოტოპებს წარმოადგენენ. ელემენტებს, ატომური ნომრით 43, 61 და 83 ან მეტი, სტაბილური იზოტოპები არ გააჩნიათ.

იზოტოპის სტაბილურობას განაპირობებს პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობათა შეფარდება, ასევე, პროტონების ან ნეიტრონების განსაზღვრული „მაგიური რიცხვის“ არსებობა, რომელიც წარმოადგენს დახურულ ან შევსებულ კვანტურ შრეებს. ეს კვანტური შრეები შეესაბამებიან ენერგიის დონეების ნაკრებს ბირთვის შრეოვან მოდელში. შევსებული შრეები, როგორიცაა 50 პროტონიანი შევსებული შრე კალისათვის, ნუკლიდს უჩვეულო სტაბილურობას ანიჭებს. 254 სტაბილური ნუკლიდიდან მხოლოდ ოთხს აქვს როგორც პროტონთა, ასევე, ნეიტრონთა კენტი რიცხვი (წყალბად-2 (დეიტერიუმი), ლითიუმ-6, ბორ-10 და აზოტ-14). აგრეთვე, მხოლოდ 4 ბუნებრივად არსებულ რადიოაქტიურ კენტ-კენტ ნუკლიდებს აქვთ მილიარდ წელზე მეტი ხანგრძლივობის ნახევრად დაშლის პერიოდი (კალიუმ-40, ვანადიუმ-50, ლანთან-138 და ტანტალ-180). კენტ-კენტი ბირთვთა უმეტესობა ბეტა დაშლის მიმართ მაღალი არასტაბილურობით ხასიათდება, რადგანაც ამ უკანასკნელის პროდუქტები ლუწ-ლუწია და შესაბამისად, უფრო მტკიცედ არიან დაკავშირებულნი ბირთვული დაწყვილების ეფექტის წყალობით.

ფორმა და ზომა
ატომებს არ გააჩნიათ მკაფიოდ გამოხატული გარე საზღვრები, ამიტომაც მათი განზომილებები აღიწერება ტერმინით ატომის რადიუსი. იგი წარმოადგენს მანძილს ატომის ბირთვსა და ელექტრონული გარსის ყველაზე შორს მდებარე ელექტრონის სტაბილურ ორბიტალს შორის, თუმცა ეს ატომის სფერულ ფორმას გულისხმობს, რაც მხოლოდ ვაკუუმში ან თავისუფალ სივრცეში მიიღწევა. ატომური რადიუსი შეიძლება მიღებულ იქნას ორ ბირთვს შორის არსებული მანძილიდან, როდესაც ორი ატომი ქიმიური ბმითაა დაკავშირებული ერთმანეთთან. რადიუსი მერყეობს ატომურ ცხრილზე ატომის მდებარეობის, ქიმიური ბმის ტიპის, მეზობელი ატომების რაოდენობისა (საკოორდინაციო რიცხვი) და სპინის სახელით ცნობილი კვანტური მექანიკის ხარისხის მიხედვით.

ელექტრული ველის მსგავსი გარე ძალების ზემოქმედებით, ატომის ფორმა შეიძლება განსხვავდებოდეს სფერული სიმეტრიისაგან. დეფორმაცია დამოკიდებულია ველის სიდიდესა და ელექტრონის ორბიტალის გარე შრის ტიპზე, როგორც ნაჩვენებია კიდეც ჯგუფთა თეორიის განხილვით. ასფერული გადახრები შესაძლოა გამოვლინდეს, მაგალითად, კრისტალებში, სადაც შესაძლოა ადგილი ჰქონდეთ დიდ კრისტალურ-ელექტრულ ველებს დაბალსიმეტრიულ სტრუქტურულ ერთეულებში. უკანასკნელ პერიოდში გამოვლინდა, რომ გოგირდისა და ჰალკოგენის იონებს პირიტის მსგავს ნაერთებში, შესაძლოა, მნიშვნელოვანი ელიფსური დეფორმაციები ახასიათებდეთ.

ატომის განზომილებები სინათლის ტალღის სიგრძეზე (400-700 ნმ) რამდენიმე ათასეულჯერ მცირეა, ასე რომ, მათი დანახვა ოპტიკური მიკროსკოპით შეუძლებელია, თუმცა ცალკეულ ატომებზე დაკვირვება გვირაბული სკანირების მიკროსკოპითაა შესაძლებელი. ატომის სიმცირის თვალსაჩინოებისათვის, განიხილავენ შემდეგ მაგალითებს: ადამიანის ჩვეულებრივი თმის ღერი სიგანეში 1 მილიონი ნახშირბადის ატომის ტოლია; ალმასის ერთი კარატი, რომლის მასაც 2×10−4 კგ-ის ტოლია, დაახლოებით, 10 სექსტილიონ (1022) ნახშირბადის ატომს შეიცავს; თუ ვაშლს დედამიწის ზომამდე გავადიდებთ, მაშინ ვაშლში არსებული ატომი, დაახლოებით, ვაშლის საწყისი ზომისა გახდება.

რადიოაქტიური დაშლა
ყველა ელემენტს გააჩნია ერთი ან მეტი იზოტოპი, რომელთაც არასტაბილური ბირთვი აქვთ და რადიოაქტიურ დაშლას ექვემდებარებიან, რაც იწვევს ბირთვის მიერ ნაწილაკების ან ელექტრომაგნიტური რადიაციის გამოსხივებას. რადიოაქტივობა, შეიძლება, გამოვლინდეს მაშინ, როდესაც ბირთვის რადიუსი ბევრად აღემატება ძლიერი ძალის რადიუსს, რომელიც მხოლოდ 1 ფმ-ის მანძილზე მოქმედებს.

ენერგიის დონეები
ატომში ელექტრონის პოტენციური ენერგია უარყოფითია, მისი დამოკიდებულება მის პოზიციაზე მინიმუმს (ყველაზე აბსოლუტური მნიშვნელობა) ბირთვის შიგნით აღწევს და ქრება, როდესაც ბირთვიდან დაშორება უსასრულობაში მიდის, უხეშად რომ ვთქვათ, დაშორების უკუპროპორციულად. კვანტურ-მექანიკურ მოდელში ჩაჭერილ ელექტრონს მდგომარეობათა მხოლოდ გარკვეული რაოდენობის დაკავება შეუძლია, რომელთა ცენტრშიც ბირთვი იგულისხმება. თითოეული მდგომარეობა შეესაბამება კონკრეტულ ენერგიის დონეს. ენერგიის დონე შეიძლება გაიზომოს იმ ენერგიის რაოდენობით, რომელიც ელექტრონის ატომისაგან მოსაწყვეტადაა საჭირო. მას, ჩვეულებრივ, ელექტრონვოლტებში გამოსახავენ. ჩაჭერილი ელექტრონის ყველაზე დაბალ ენერგო მდგომარეობას სტაციონარულ მდგომარეობას უწოდებენ, ხოლო მაღალ დონეზე გადასვლისას ელექტრონი აღგზნებულ მდგომარეობაში გადადის. თითოეულ ელემენტს გააჩნია მისთვის დამახასიათებელი სპექტრი, რომელიც, შეიძლება, დამოკიდებული იყოს ბირთვის მუხტზე, ელექტრონებით შევსებულ ქვედონეებზე, ელექტრონებს შორის ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებასა და სხვა ფაქტორებზე.

 , . , . . , . , . ატომის ყველაზე გარე ელექტრონული შრე მის არაკომბინირებულ მდგომარეობაში სავალენტო შრის სახელითაა ცნობილი, ხოლო ამ შრეში მდებარე ელექტრონს სავალენტო ელექტრონს უწოდებენ. სავალენტო ელექტრონთა რიცხვი განსაზღვრავს ატომის ქცევას სხვა ატომებთან ქიმიური ბმის წარმოქმნისას. როგორც წესი, ატომები ქიმიურ რეაქციას იმგვარად ამყარებენ, რომ შეივსოს (ან დაცარიელდეს) მათი გარე სავალენტო შრე. კონკრეტულ აგრეგატულ მდგომარეობაშიც, ნივთიერება შეიძლება არსებობდეს სხვადასხვა ალოტროპიული სახეცვლილების სახით, რის მაგალითსაც წარმოადგენს მყარი ნახშირბადი, რომელიც შეიძლება არსებობდეს როგორც გრაფიტის, ასევე, ალმასის სახით. მიჩნეულია, რომ მზე ადგილობრივ ბუშტში, მაღალიონიზირებულ აირის რეგიონში, მდებარეობს, ასე რომ, სიმჭიდროვე მზის სამეზობლოში მხოლოდ, დაახლოებით 103 ატომი/მ3-ს შეადგენს. (მასის დანარჩენ ნაწილს უცნობი ბნელი მატერია იკავებს). ამიტომაც, ამ ელემენტთა ამოცნობადი რაოდენობა დიდი ხნის დაშლილია. გამონაკლისია პლუტონიუმ-244-ის კვალი, რომელიც, შესაძლოა, კოსმოსური მტვრისაგან დეპონირდა. პლუტონიუმისა და ნეპტუნიუმის ბუნებრივი საბადოები წარმოიქმნებიან ურანის მადნის მიერ ნეიტრონის ჩაჭერის შედეგად.

იშვიათი და თეორიული ფორმები
სუპერმძიმე ელემენტები
მიუხედავად იმისა, რომ ტყვიაზე (82) მაღალი ატომური ნომრის მქონე იზოტოპები რადიოაქტიურია, ზოგიერთი ელემენტისათვის, 103-ზე მაღალი ატომური ნომრით, წამოყენებულია „სტაბილურობის კუნძულის“ იდეა. ამ სუპერმძიმე ელემენტებს, შესაძლოა, გააჩნდეთ ბირთვები, რომლებიც შედარებით სტაბილურებია რადიოაქტიური დაშლის წინააღმდეგ. სტაბილური სუპერმძიმე ატომის ყველაზე სავარაუდო კანდიდატს, ანბიჰექსიუმს, 126 პროტონი და 184 ნეიტრონი აქვს.

ეგზოტიკური მატერია
მატერიის თითოეულ ნაწილაკს გააჩნია შესაბამისი ანტიმატერიული ნაწილაკი საპირისპირო ელექტრული მუხტით, ამდენად, პოზიტრონი დადებითად დამუხტული ანტიელექტრონია, ხოლო ანტიპროტონი პროტონის უარყოფითად დამუხტული ექვივალენტია. როდესაც მატერიისა და ანტიმატერიის შესაბამისი ნაწილაკები ხვდებიან, ისინი ერთმანეთს ანადგურებენ. ამის გამო, მატერიისა და ანტიმატერიის ნაწილაკებს შორის არსებულ შეუსაბამობასთან ერთად, ეს უკანასკნელები სამყაროში იშვიათობას წარმოადგენენ. ამ შეუსაბამობის პირველადი მიზეზები ჯერ ბოლომდე გასაგები არაა, თუმცა ბარიოგენეზისის თეორიებმა, შესაძლოა, შემოგვთავაზონ მისი ახსნა. შედეგად, ანტიმატერიის ატომები ბუნებაში აღმოჩენილი არ არის. თუმცა, 1996 წელს, ჟენევაში, ატომური კვლევების ევროპული ორგანიზაციის ლაბორატორიაში მოხერხდა წყალბადის ატომის ანტიმატერიული ასლის (ანტიწყალბადი) სინთეზირება.

სხვა ეგზოტიკური ატომები ერთ-ერთი პროტონის, ნეიტრონის ან ელექტრონის იგივე მუხტის მქონე სხვა ნაწილაკებით ჩანაცვლების გზით შეიქმნა. მაგალითად, ელექტრონი შეიძლება ჩანაცვლდეს უფრო მასიური მიუონით მიუონური ატომის შესაქმნელად. ამ ტიპის ატომები შეიძლება გამოყენებულ იქნან ფიზიკის ფუნდამენტური პროგნოზების გამოსაცდელად.