Atomen - grundämnets minsta enhet

Atomen är den minsta enheten av ett grundämne, t.ex. består väte enbart av väteatomer och guld enbart av guldatomer. Väteatomen är för övrigt den lättaste och enklaste av alla atomer. Namnet atom kommer från grekiskan och betyder odelbar, namnet valdes då man på den tiden trodde att atomen var den minsta enheten i universum och därmed var odelbar.

Atomens byggstenar

Idag vet man dock att atomen faktiskt inte är den minsta enheten, utan att atomer faktiskt är uppbyggda av mindre byggstenar, nämligen positivt laddade protoner, neutralt laddade neutroner samt negativt laddade elektroner. Protonerna och neutronerna bygger upp atomens kärna och kallas nukleoner, och är i sig uppbyggda av ännu mindre byggstenar som kallas kvarkar. Elektronen är dock i sin tur en elementarpartikel, dvs. den består inte av några mindre beståndsdelar.

Laddningen hos protonen, elektronen och neutronen

Den laddning som finns hos protoner kallas elementarladdning (ibland även enhetsladdning), och är den minsta positiva elektriska laddning som förekommer i naturen (som man känner till). Elementarladdningen betecknas e och är definierad till 1,602 176 634 × 10−19 coulomb. Den elektriska laddningen hos elektronen är -e, dvs. den har samma elementarladdning som hos protonen fast negativ. Neutronen är neutral och har ingen elektrisk laddning.

Atommassa, masstal, protontal och neutrontal

Massan på protoner, neutroner och elektroner bestäms genom en särskild massenhet som kallas atommassenheten, som betecknas med bokstaven u (som står för unified mass unit). Man brukar säga att protoner och neutroner har massan (ca.) 1 u, och att elektroner har en massa om ca. 1/8000 u. 1 u har definierats som en tolftedel av massan hos atomen kol-12 (C12), dvs. 1 u ≈ 1,6605 × 10-24 gram.

Summan av antalet protoner och neutroner i en atom kallas sedan för masstalet, och betecknas med bokstaven A. Mätetalet för en atoms massa brukar antas vara ungefär lika med masstalet, vilket således innebär att massan nästan helt är koncentrerad till kärnan (elektronernas massa brukar ofta försummas). Antalet neutroner i en atom kallas neutrontalet och betecknas med bokstaven N, antalet protoner i en atom kallas protontalet och betecknas med bokstaven Z, protontalet är även grundämnets atomnummer. Masstalet A byggs upp av protontalet och neutrontalet så att A = Z + N.

Elektronen och dess placering i atomen

Historiskt sett har det funnits många teorier kring hur en atom faktiskt ser ut, och var dess byggstenar finns fördelade. Men det var inte förrän när Ernest Rutherford (1871-1937) började forska på atomens struktur som man började närma sig den moderna synen på atomen och atomkärnan. Med sina experiment kunde Rutherford påvisa att atomen hade en oerhört liten och tät atomkärna sett till sin faktiska diameter, faktiskt så liten diameter som en tiotusendel av atomens diameter. Eller som en mer åskådlig jämförelse, om Globen reprensenterar atomen i sig så skulle atomkärnan vara lika stor som en mygga lokaliserad mitt i Globen.

Några år senare förbättrade en student hos Rutherford, Niels Bohr (1885-1962), dennes atomteori och formulerade den modell som idag utgör grunden för vår nuvarande atommodell. Bohrs atommodell teoretiserade att elektronerna rör sig i specifika cirkulära banor runt atomkärnan, där banan och dess avstånd från atomkärnan representerade särskilda energinivåer. När elektronen faller till en lägre energinivå frisätts energi och när en elektron flyttas till en högre energinivå absorberas energi.

Under 1920- och 1930-talet då kvantmekaniken växte fram modifierades Bohrs atommodell. Det man hade insett var att det var omöjligt att beskriva elektronernas banor exakt, men att det gick att beräkna sannolikheten för i vilket område i atomen en elektron kunde finnas. Området beskrivs som ett elektronmolm runt kärnan och kallas för orbital.

Elektronmoln och elektronskal

Man brukar säga att elektronmolnen, eller orbitalerna, bildar så kallade elektronskal runt atomkärnan. Det innersta skalet kallas K-skalet, därefter kommer L-skalet, M-skalet, osv. Man kan också se på elektronskalen som olika energinivåer, ju längre ut en elektron ligger ju högre energi har den. Denna fördelning av elektroner kallas för elektronkonfiguration eller elektronfördelning.

Alla energiskal förutom K-skalet innehåller dessutom energinivåer i sig själva, L-skalet har två nivåer, M-skalet har tre nivåer, osv. I varje separat nivå kan det sedan finnas högst två elektroner, dvs. ett elektronpar med gemensamt elektronmoln. På grund av detta kan den fullständiga elektronkonfigurationen för en atom se ganska komplicerad ut (följ gärna länken i stycket ovan för att läsa mer). Men om man enbart är intresserad av att räkna ut antal elektroner per skal kan man använda sig av denna formel: antal elektroner = 2n2 (där n är skalets ordningsnummer: K = 1, L = 2, M = 3, osv.). Som exempel kan det i K-skalet finnas 2 × 12 = 2 elektroner, eller i M-skalet 2 × 32 = 18 elektroner.

Excitering av elektron

Om en elektron tar upp energi kan den bli exciterad, den "hoppar" då till ett energiskal med högre nivå. En exciterad elektron är dock inte stabil, utan faller oftast en kort tid tillbaka till sitt ursprungliga skal. När detta händer frigörs energi som omvandlas till fotoner och sänds ut som ljus.

Viktigt att komma ihåg är att elektroner som befinner sig i ett elektronskal har både rörelse- och lägesenergi, där lägesenergin ökar med elektronens avstånd till kärnan. Man säger också att elektronens totala energi är summan av dess rörelse- och lägesenergi.

Isotoper och joner

Isotoper och joner av ett grundämne eller en atom är variationer av grundämnet eller atomen, där man på ett sätt har samma sak/partikel men ändå någonting annorlunda.

Isotoper av ett grundämne

Generellt sett förekommer grundämnenas atomer också i olika isotoper. En isotop är en variant av en atom, där antalet neutroner är olika för alla olika isotoper. Antalet protoner är alltid lika för alla isotoper. Alla isotoper har därmed samma protontal och atomnummer, men olika masstal. Detta innebär att alla isotoper av ett grundämne står på samma plats i det periodiska systemet. Generellt sett kan man säga att isotoper har samma kemiska egenskaper, dock kan de fysikaliska egenskaperna skilja. Bara nitton av de grundämnen som förekommer består av en enda stabil isotop.

Jonisering av en atom

När elektronerna i de olika elektronskalen hos en atom har så låg totalenergi som möjligt befinner sig atomen i sitt grundtillstånd. Men om man tillför energi går det att "knuffa bort" elektroner så att de avlägsnas från atomen, denna process kallas jonisering. Om man avlägsnar en elektron från en atom så blir resultatet en partikel som inte längre är elektriskt neutral, utan positivt laddad, en sk. jon. Den energi som behöver tillföras för att bilda en jon kallas joniseringsenergi. Likaså om man tillför en elektron till en atom så att den får fler elektroner än protoner, så blir atomen negativt laddad jon.


Skrivet av Stefan Johansson
Texten publicerades 2020-06-24

Skriv en kommentar