Budowa atomu

Wstęp — z czego zbudowany jest świat?

Rozejrzyj się. Krzesło, woda w szklance, powietrze, Twoja własna dłoń — wszystko to zbudowane jest z tych samych, maleńkich „klocków". Nazywamy je atomami.

Atomy są tak małe, że nie zobaczysz ich przez zwykłą lupę ani nawet przez szkolny mikroskop. W poprzeczce litery „i" z tej strony zmieściłyby się miliardy atomów. A jednak to właśnie od ich budowy zależy, czy coś jest metalem, wodą czy powietrzem — i czy potrafi świecić, przewodzić prąd albo być promieniotwórcze.

W tej lekcji poznasz:

• z jakich cząstek zbudowany jest atom i jaki mają ładunek,
• czym są liczba atomowa $Z$ i liczba masowa $A$ oraz jak zapisujemy pierwiastek symbolem,
• czym jest jon i czym różnią się izotopy tego samego pierwiastka.

Atom — jądro i elektrony

Atom składa się z dwóch części:

• jądra atomowego — maleńkiego, ciężkiego środka o ładunku dodatnim,
• elektronów — leciutkich cząstek o ładunku ujemnym, które krążą wokół jądra.

Jądro jest bardzo małe w porównaniu z całym atomem, ale skupia się w nim prawie cała masa atomu. Gdyby powiększyć atom do wielkości stadionu, jądro byłoby ziarnkiem grochu na środku boiska, a elektrony — pyłkami krążącymi gdzieś przy trybunach.

Rys. 1. Atom: dodatnie jądro (protony i neutrony) w środku, a wokół niego krążące ujemne elektrony.

Trzy cząstki, z których zbudowany jest atom

W atomie znajdują się trzy rodzaje cząstek. Różnią się ładunkiem i masą:

Protony i neutrony razem tworzą jądro. Ponieważ oba znajdują się w jądrze, nazywamy je wspólnie nukleonami (od łacińskiego nucleus — jądro).

Ładunek protonu i elektronu jest co do wartości taki sam, tylko przeciwnego znaku. Nazywamy go ładunkiem elementarnym i oznaczamy literą $e$:

$$e \approx 1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$$

gdzie:

• $e$ — ładunek elementarny (najmniejszy ładunek spotykany w przyrodzie),
• $\text{C}$ — kulomb, jednostka ładunku elektrycznego.

Proton ma ładunek $+e$, a elektron $-e$. Neutron nie ma ładunku.

Atom jest obojętny

W zwykłym atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów. Dodatnie ładunki jądra i ujemne ładunki elektronów równoważą się, więc cały atom na zewnątrz jest elektrycznie obojętny — nie ma ładunku.

Rys. 2. Jądro atomowe to ciasno upakowane nukleony: protony (dodatnie) i neutrony (bez ładunku).

Liczba atomowa i liczba masowa

Żeby opisać atom, wystarczą dwie liczby.

Liczba atomowa $Z$ to liczba protonów w jądrze. To ona decyduje, jakim pierwiastkiem jest atom. Każdy pierwiastek ma swoją liczbę atomową: wodór ma $Z = 1$, hel $Z = 2$, węgiel $Z = 6$, tlen $Z = 8$.

Zapamiętaj: o rodzaju pierwiastka decyduje wyłącznie liczba protonów. Zmienisz liczbę protonów — masz inny pierwiastek!

Liczba masowa $A$ to liczba wszystkich nukleonów w jądrze, czyli protonów i neutronów razem:

$$A = Z + N$$

gdzie:

• $A$ — liczba masowa (łączna liczba nukleonów),
• $Z$ — liczba atomowa (liczba protonów),
• $N$ — liczba neutronów.

Z tego wzoru łatwo obliczymy, ile jest neutronów:

$$N = A - Z$$

gdzie $N$ to liczba neutronów, $A$ — liczba masowa, a $Z$ — liczba atomowa (liczba protonów).

Jak zapisujemy pierwiastek?

Pierwiastek zapisujemy symbolem $X$, przy którym z lewej strony piszemy dwie liczby:

$$^{A}_{Z}X$$

• na górze — liczba masowa $A$,
• na dole — liczba atomowa $Z$.

Na przykład węgiel zapisujemy jako $^{12}_{6}\text{C}$: ma $Z = 6$ protonów i $A = 12$ nukleonów, więc neutronów jest $N = 12 - 6 = 6$.

Rys. 3. Zapis pierwiastka: na górze liczba masowa $A$, na dole liczba atomowa $Z$.

Jon — atom, który stracił lub zyskał elektrony

Elektrony krążą daleko od jądra i słabiej się trzymają niż nukleony w jądrze. Dlatego atom może stracić albo przyłączyć elektron. Powstaje wtedy jon — atom, który nie jest już elektrycznie obojętny:

• atom, który stracił elektron(y), ma przewagę ładunku dodatniego → jon dodatni,
• atom, który przyłączył dodatkowy elektron(y), ma przewagę ładunku ujemnego → jon ujemny.

Uwaga: dodanie lub odjęcie elektronu nie zmienia pierwiastka — liczba protonów w jądrze pozostaje taka sama.

Izotopy — ten sam pierwiastek, różna liczba neutronów

Atomy tego samego pierwiastka muszą mieć tyle samo protonów (tę samą liczbę $Z$). Ale mogą mieć różną liczbę neutronów — a więc różną liczbę masową $A$. Takie odmiany jednego pierwiastka nazywamy izotopami.

Najprostszy przykład to wodór ($Z = 1$), który ma trzy izotopy:

Wszystkie trzy to nadal wodór — bo mają jeden proton. Różnią się tylko liczbą neutronów. Niektóre izotopy (jak tryt) są promieniotwórcze — o tym w następnej lekcji.

Rys. 4. Izotopy wodoru: różnią się liczbą neutronów, ale wszystkie mają 1 proton — to wciąż wodór.

Zobacz to w symulacji

Zbuduj własny atom! Dodawaj i usuwaj protony, neutrony i elektrony, a symulacja na bieżąco pokaże, jaki powstał pierwiastek, jego liczby $Z$ i $A$ oraz czy atom jest obojętny, czy stał się jonem. Zmień liczbę neutronów, a otrzymasz inny izotop.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — ile jest neutronów?

Atom tlenu ma zapis $^{16}_{8}\text{O}$. Ile ma protonów, elektronów i neutronów?

Krok 1. Liczba atomowa $Z = 8$ → jest 8 protonów.

Krok 2. Atom jest obojętny, więc elektronów jest tyle samo, co protonów → 8 elektronów.

Krok 3. Liczba neutronów: $N = A - Z = 16 - 8 = 8$ → 8 neutronów.

Odpowiedź: 8 protonów, 8 elektronów i 8 neutronów.

Zadanie 2 — czy to izotopy?

Atom I ma 6 protonów i 6 neutronów, atom II ma 6 protonów i 8 neutronów. Czy to izotopy tego samego pierwiastka?

Krok 1. Oba atomy mają po 6 protonów, czyli tę samą liczbę atomową $Z = 6$ → to ten sam pierwiastek (węgiel).

Krok 2. Różnią się liczbą neutronów (6 i 8), więc mają różną liczbę masową: $A = 12$ oraz $A = 14$.

Odpowiedź: Tak — to izotopy węgla: $^{12}_{6}\text{C}$ i $^{14}_{6}\text{C}$.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Liczba masowa to masa atomu w gramach." Nie — $A$ to tylko liczba nukleonów (protonów i neutronów), a nie masa wyrażona w gramach.
2. Mylenie $Z$ i $A$. $Z$ = liczba protonów (decyduje o pierwiastku), $A$ = liczba wszystkich nukleonów. Neutrony liczymy jako $N = A - Z$.
3. „Izotopy to różne pierwiastki." Nie — izotopy mają tę samą liczbę protonów, więc to ten sam pierwiastek, tylko z inną liczbą neutronów.
4. „Jon to inny pierwiastek." Nie — jon powstaje przez utratę lub przyłączenie elektronów; liczba protonów się nie zmienia, więc pierwiastek pozostaje ten sam.
5. „Elektrony ważą tyle co protony." Nie — elektron jest około 1840 razy lżejszy; prawie cała masa atomu jest w jądrze.

Podsumowanie

• Atom składa się z dodatniego jądra (protony $+$ i neutrony) oraz krążących wokół ujemnych elektronów.
• Protony i neutrony to nukleony; prawie cała masa atomu skupia się w jądrze.
• Liczba atomowa $Z$ = liczba protonów — decyduje o pierwiastku. Liczba masowa $A = Z + N$ = liczba nukleonów.
• Liczbę neutronów obliczamy: $N = A - Z$. Pierwiastek zapisujemy $^{A}_{Z}X$.
• W obojętnym atomie liczba elektronów = liczbie protonów. Jon ma ich za mało lub za dużo.
• Izotopy to atomy tego samego pierwiastka (to samo $Z$) o różnej liczbie neutronów (różne $A$).

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — fizyka jądrowa.

Dalsza lektura

• Promieniotwórczość — dlaczego niektóre jądra się rozpadają i co wtedy wysyłają.
• Energia jądrowa — zastosowania — jak z jąder atomowych uzyskujemy ogromną energię.