อะตอมคืออะไร? ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการสร้างบล็อกของจักรวาล

อะตอมเป็นหน่วยพื้นฐานของสสาร ทุกสิ่งในจักรวาลนอกเหนือจากพลังงานทำจากสสารดังนั้นอะตอมจึงประกอบขึ้นทุกอย่างในจักรวาลตามมหาวิทยาลัยนอร์ ธ เวสเทิร์น- คำว่า "อะตอม" มาจากคำภาษากรีกสำหรับแบ่งแยกไม่ได้เพราะครั้งหนึ่งเคยคิดว่าอะตอมเป็นสิ่งที่เล็กที่สุดในจักรวาลและไม่สามารถแบ่งได้ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอะตอมประกอบด้วยสามอนุภาคที่รู้จักกันในชื่ออนุภาค subatomic: โปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอน - ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กเช่นกันเช่นควาร์ก-

อะตอมถูกสร้างขึ้นหลังจากบิ๊กแบง13.7 พันล้านปีก่อน เมื่อจักรวาลใหม่ที่ร้อนแรงและหนาแน่นเย็นลงเงื่อนไขก็เหมาะสำหรับควาร์กและอิเล็กตรอนในรูปแบบ ควาร์กมารวมกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอนและอนุภาคเหล่านี้รวมกันเป็นนิวเคลียส ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในไม่กี่นาทีแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลตามเซิร์น-

ใช้เวลา 380,000 ปีกว่าที่จักรวาลจะเย็นพอที่จะชะลอตัวอิเล็กตรอนเพื่อให้นิวเคลียสสามารถจับพวกมันให้เป็นอะตอมตัวแรก อะตอมที่เก่าแก่ที่สุดเป็นหลักไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งยังคงเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในจักรวาลตามเจฟเฟอร์สันแล็บ- ในที่สุดแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดเมฆก๊าซไปสู่การรวมตัวกันและก่อตัวดาวฤกษ์และอะตอมที่หนักกว่าก็ถูกสร้างขึ้นภายในดวงดาวและส่งไปทั่วจักรวาลเมื่อดาวระเบิด (ซูเปอร์โนวา)

ที่เกี่ยวข้อง:Antimatter คืออะไรมันทำอย่างไรและอันตราย? 

อนุภาคย่อย

โปรตอนและนิวตรอนนั้นหนักกว่าอิเล็กตรอนและอาศัยอยู่ในนิวเคลียสที่กึ่งกลางของอะตอม อิเล็กตรอนมีน้ำหนักเบามากและมีอยู่ในเมฆโคจรรอบนิวเคลียส เมฆอิเล็กตรอนมีรัศมีมากกว่านิวเคลียส 10,000 เท่าตามข้อมูลของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos-

โปรตอนและนิวตรอนมีมวลประมาณเดียวกัน อย่างไรก็ตามโปรตอนหนึ่งตัวมีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1,835 เท่า อะตอมมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันเสมอและจำนวนโปรตอนและนิวตรอนมักจะเหมือนกันเช่นกัน การเพิ่มโปรตอนลงในอะตอมทำให้องค์ประกอบใหม่ในขณะที่การเพิ่มนิวตรอนทำให้ไอโซโทปหรืออะตอมรุ่นที่หนักกว่า

นิวเคลียสทำอะไร?

นิวเคลียสถูกค้นพบในปี 2454 โดยเออร์เนสต์รัทเธอร์ฟอร์ดนักฟิสิกส์จากนิวซีแลนด์สถาบันฟิสิกส์อเมริกัน- ในปี 1920 รัทเธอร์ฟอร์ดเสนอชื่อโปรตอนสำหรับอนุภาคที่มีประจุบวกของอะตอม นอกจากนี้เขายังตั้งทฤษฎีว่ามีอนุภาคที่เป็นกลางภายในนิวเคลียสซึ่ง James Chadwick นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและนักเรียนของ Rutherford's สามารถยืนยันได้ในปี 1932

มวลทั้งหมดของอะตอมทั้งหมดอยู่ในนิวเคลียสของมันเคมีคลังสินค้า- โปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสนั้นมีมวลประมาณเดียวกัน (โปรตอนน้อยกว่าเล็กน้อย) และมีโมเมนตัมเชิงมุมหรือสปินเดียวกัน

นิวเคลียสจัดขึ้นโดยแรงที่แข็งแกร่งหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานในธรรมชาติ แรงนี้ระหว่างโปรตอนและนิวตรอนเอาชนะแรงไฟฟ้าที่น่ารังเกียจซึ่งจะผลักโปรตอนออกจากกันตามกฎของไฟฟ้า นิวเคลียสอะตอมบางตัวไม่เสถียรเนื่องจากแรงที่มีผลผูกพันแตกต่างกันไปตามอะตอมที่แตกต่างกันตามขนาดของนิวเคลียส อะตอมเหล่านี้จะสลายตัวเป็นองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นการสลายตัวของคาร์บอน -14 ในไนโตรเจน -14

โปรตอนคืออะไร?

โปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกที่พบภายในนิวเคลียสอะตอม รัทเธอร์ฟอร์ดค้นพบพวกเขาในการทดลองกับหลอดแคโทดเรย์ที่ดำเนินการระหว่างปี 1911 และ 1919 โปรตอนเป็นเรื่องเกี่ยวกับ99.86% เป็นขนาดใหญ่เท่ากับนิวตรอนตามที่ Jefferson Lab

จำนวนโปรตอนในอะตอมนั้นไม่ซ้ำกันในแต่ละองค์ประกอบ ตัวอย่างเช่น,คาร์บอนอะตอมมีหกโปรตอนไฮโดรเจนอะตอมมีหนึ่งและออกซิเจนอะตอมมีแปด จำนวนโปรตอนในอะตอมเรียกว่าจำนวนอะตอมขององค์ประกอบนั้น จำนวนโปรตอนยังกำหนดพฤติกรรมทางเคมีขององค์ประกอบ องค์ประกอบถูกจัดเรียงในตารางธาตุขององค์ประกอบเพื่อเพิ่มจำนวนอะตอม

ควาร์กสามตัวทำขึ้นโปรตอนแต่ละอัน-ควาร์ก "ขึ้น" สองแห่ง (แต่ละอันมีประจุบวกสองในสาม) และหนึ่ง "ลง" ควาร์ก (มีประจุลบหนึ่งในสาม)-และพวกเขาจะถูกจับโดยอนุภาค subatomic อื่น ๆ ที่เรียกว่า gluons ซึ่งไม่มีมวล

อิเล็กตรอนคืออะไร?

อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเล็กกว่าโปรตอนหรือนิวตรอนมากกว่า 1,800 เท่า อิเล็กตรอนมีขนาดใหญ่ประมาณ 0.054% เท่ากับนิวตรอนตามที่เจฟเฟอร์สันแล็บ

โจเซฟจอห์น (เจเจ) ทอมสันนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษค้นพบอิเล็กตรอนในปี 2440 ตามสถาบันประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์- เดิมทีรู้จักกันในชื่อ "corpuscles" อิเล็กตรอนมีประจุลบและถูกดึงดูดด้วยไฟฟ้าไปยังโปรตอนที่มีประจุบวก อิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียสอะตอมในเส้นทางที่เรียกว่า Orbitals ซึ่งเป็นความคิดที่นำออกมาโดย Erwin Schrödingerนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียในปี 1920 วันนี้โมเดลนี้เรียกว่ารุ่นควอนตัมหรือแบบจำลองเมฆอิเล็กตรอน orbitals ภายในรอบอะตอมนั้นเป็นทรงกลม แต่วงโคจรด้านนอกนั้นซับซ้อนกว่ามาก

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของอะตอมหมายถึงตำแหน่งของอิเล็กตรอนในอะตอมทั่วไป การใช้การกำหนดค่าอิเล็กตรอนและหลักการของฟิสิกส์นักเคมีสามารถทำนายคุณสมบัติของอะตอมได้เช่นความเสถียรจุดเดือดและค่าการนำไฟฟ้าตามห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos-

ที่เกี่ยวข้อง:ควอนตัมพัวพันคืออะไร?

นิวตรอนอยู่ที่ไหน?

การดำรงอยู่ของนิวตรอนถูกทฤษฎีโดยรัทเธอร์ฟอร์ดในปี 2463 และค้นพบโดยแชดวิคในปี 2475 ตามข้อมูลสังคมกายภาพอเมริกัน- พบนิวตรอนในระหว่างการทดลองเมื่ออะตอมถูกยิงที่แผ่นบาง ๆเบริลเลียม- อนุภาค subatomic ที่ไม่มีประจุถูกปล่อยออกมา - นิวตรอน

นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุที่พบภายในนิวเคลียสอะตอมทั้งหมด (ยกเว้นไฮโดรเจน) มวลของนิวตรอนมีขนาดใหญ่กว่าโปรตอนเล็กน้อย เช่นเดียวกับโปรตอนนิวตรอนทำจากควาร์ก-หนึ่ง "ขึ้น" ควาร์ก (มีค่าใช้จ่าย 2/3 บวก) และควาร์ก "ลง" สองแห่ง (แต่ละอันมีค่าใช้จ่ายหนึ่งในสาม)

ประวัติความเป็นมาของอะตอม

ทฤษฎีของอะตอมอย่างน้อยที่สุดเท่าที่ 440 BC ถึง Democritus นักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีก ประชาธิปไตยมีแนวโน้มที่จะสร้างทฤษฎีอะตอมของเขาต่อการทำงานของนักปรัชญาที่ผ่านมาตามที่ Andrew G. Van Melsen ผู้แต่ง "จาก Atomos to Atom: ประวัติความเป็นมาของแนวคิดอะตอม" (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Duquesne, 1952)

คำอธิบายของประชาธิปไตยเกี่ยวกับอะตอมเริ่มต้นด้วยหิน การตัดหินครึ่งหนึ่งให้สองครึ่งของหินก้อนเดียวกัน หากหินถูกตัดอย่างต่อเนื่อง ณ จุดหนึ่งจะมีหินชิ้นเล็ก ๆ พอที่จะไม่ถูกตัดอีกต่อไป คำว่า "อะตอม" มาจากคำภาษากรีกที่แบ่งแยกไม่ได้ซึ่งประชาธิปไตยสรุปจะต้องเป็นประเด็นที่สิ่งมีชีวิต (รูปแบบใด ๆ ) ไม่สามารถแบ่งได้อีกต่อไปตามเว็บไซต์การศึกษาการเรียนรู้ลูเมน-

คำอธิบายของเขารวมถึงความคิดที่ว่าอะตอมมีอยู่แยกต่างหากจากกันและกันว่ามีอะตอมจำนวนที่ไม่มีที่สิ้นสุดที่อะตอมสามารถเคลื่อนที่ได้ว่าพวกเขาสามารถรวมกันเพื่อสร้างสสาร แต่ไม่รวมกันเป็นอะตอมใหม่จักรวาลวันนี้- อย่างไรก็ตามเนื่องจากนักปรัชญาส่วนใหญ่ในเวลานั้น - โดยเฉพาะอย่างยิ่งอริสโตเติลผู้มีอิทธิพล - เชื่อว่าทุกเรื่องถูกสร้างขึ้นจากโลกอากาศไฟและน้ำทฤษฎีปรมาณูของประชาธิปไตยถูกวางไว้

John Dalton นักเคมีชาวอังกฤษที่สร้างขึ้นตามแนวคิดของ Democritus ในปี 1803 เมื่อเขานำทฤษฎีอะตอมของเขาเองออกไปตามแผนกเคมีที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู- ทฤษฎีของดัลตันรวมถึงแนวคิดหลายอย่างจากประชาธิปไตยเช่นอะตอมนั้นแยกไม่ออกและทำลายไม่ได้ การเพิ่มทฤษฎีของดัลตันรวมถึงแนวคิดต่อไปนี้: อะตอมทั้งหมดขององค์ประกอบบางอย่างเหมือนกันว่าอะตอมขององค์ประกอบหนึ่งจะมีน้ำหนักและคุณสมบัติที่แตกต่างกันกว่าอะตอมขององค์ประกอบอื่นที่อะตอมไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้

ทอมสันนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่ค้นพบอิเล็กตรอนในปี 1897 พิสูจน์แล้วว่าอะตอมสามารถแบ่งได้ตามมูลนิธิมรดกทางเคมี- เขาสามารถตรวจสอบการมีอยู่ของอิเล็กตรอนได้โดยการศึกษาคุณสมบัติของการปล่อยไฟฟ้าในหลอดแคโทดเรย์ ตามกระดาษของ Thomson ในปี 1897 รังสีถูกเบี่ยงเบนภายในหลอดซึ่งพิสูจน์ว่ามีบางสิ่งที่ถูกตั้งข้อหาในเชิงลบภายในหลอดสุญญากาศ

ในปี 1899 ทอมสันตีพิมพ์คำอธิบายเกี่ยวกับอะตอมของเขาหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็น "โมเดลพุดดิ้งพลัม" ข้อความที่ตัดตอนมาจากบทความนี้พบได้ในไฟล์ทีมเคมีเว็บไซต์. โมเดลของอะตอมของ Thomson รวมอิเล็กตรอนจำนวนมากแขวนอยู่ในสิ่งที่ผลิตประจุบวกทำให้อะตอมมีประจุที่เป็นกลางโดยรวม นางแบบของเขาคล้ายกับพุดดิ้งพลัมของหวานอังกฤษยอดนิยมที่มีลูกเกดแขวนอยู่ในลูกบอลเค้กกลมกลม

นักวิทยาศาสตร์คนต่อไปที่จะปรับเปลี่ยนและพัฒนาแบบจำลองอะตอมคือรัทเธอร์ฟอร์ดซึ่งศึกษาภายใต้ทอมสันตามแผนกเคมีที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู ในปี 1911 รัทเธอร์ฟอร์ดตีพิมพ์อะตอมรุ่นของเขาซึ่งรวมถึงนิวเคลียสที่มีค่าใช้จ่ายในเชิงบวกโดยอิเล็กตรอน แบบจำลองนี้เกิดขึ้นเมื่อรัทเธอร์ฟอร์ดและผู้ช่วยของเขายิงอนุภาคอัลฟ่าที่แผ่นทองบางแผ่น หนึ่งอนุภาคอัลฟ่าประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวซึ่งทั้งหมดจัดขึ้นด้วยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเดียวกันที่ผูกกับนิวเคลียสตาม Jefferson Lab

นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าอนุภาคอัลฟ่ามีเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยกระจัดกระจายในมุมที่มีขนาดใหญ่มากไปยังทิศทางดั้งเดิมของการเคลื่อนไหวในขณะที่คนส่วนใหญ่ผ่านไปทางขวาผ่านการรบกวน รัทเธอร์ฟอร์ดสามารถประมาณขนาดของนิวเคลียสของอะตอมทองคำได้พบว่ามีขนาดเล็กกว่าขนาดของอะตอมทั้งหมดอย่างน้อย 10,000 เท่าโดยมีอะตอมเป็นพื้นที่ว่าง แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ดยังคงเป็นแบบจำลองพื้นฐานที่ใช้ในปัจจุบัน

นักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ อีกหลายคนได้สร้างแบบจำลองอะตอมรวมถึงNiels Bohr(สร้างขึ้นบนแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ดเพื่อรวมคุณสมบัติของอิเล็กตรอนที่ใช้สเปกตรัมไฮโดรเจน), เออร์วินชโรดิงเดอร์ (พัฒนาแบบจำลองควอนตัมของอะตอม), เวอร์เนอร์ไฮเซนเบิร์ก (ระบุว่าไม่สามารถรู้ได้ทั้งตำแหน่งและความเร็วของอิเล็กตรอน

ทรัพยากรเพิ่มเติม

• อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับจักรวาลยุคแรกจาก Cern
• เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประวัติของเคมีปรมาณูในเรื่องนี้วิดีโอจาก Khan Academy-
• ตรวจสอบสิ่งที่เป็นประโยชน์นี้สไลด์โชว์เกี่ยวกับอะตอมจาก Jefferson Lab