Aatom (0)

Aatom
Aatomiks ( kreekakeelsest sõnast atomos 'jagamatu') nimetatakse väikseimat osakest, mis säilitab talle vastava keemilise elemendi keemilised omadused. Aatomid võivad aines esineda üksikuna või molekulideks liitununa. Aatomite puhul ei kehti klassikalise mehaanika seadused ning seega tuleb aatomite kirjeldamiseks tuleb kasutada kvantmehaanika mõisteid.
Aatom koosneb positiivse elektrilaenguga aatomituumast ja seda ümbritsevast negatiivse elektrilaenguga elektronkattest ehk elektronkestast, mis koosneb elektronkihtidest. Aatomi tuum annab 99,9% kogu aatomi massist, samal ajal kui aatomi elektronkate määrab ära aatomi läbimõõdu. Vähima aatomi mass on suurusjärgus 10–27 kg ja läbimõõt suurusjärgus 10–10 m
Aatomituum koosneb lähestikku asetsevatest nukleonidest – positiivse elektrilaenguga prootonitest ja elektrilaenguta (neutraalsetest) neutronitest . Sõltuvalt tuuma koostisest ja energiatasemest jagunevad tuumad erinevateks nukliidideks. Prootoneid ja neutroneid hoiab tuumas koos tuumajõud, mis on positiivselt laetud prootonite omavahelisest tõukejõust u 100 korda suurem. Kuna aga tuumajõud mõjub ainult lühikese vahemaa tagant (ainult vahetult kõrvuti asetsevate nukleonide vahel), siis ülisuurtes aatomituumades ei suuda tuumajõud tuuma koos hoida ning tuum võib laguneda.
Nii prootonid , kui neutronid on fermionid , mistõttu nad nende kohta kehtib Pauli keeluprintsiip – kaks sama tüüpi fermioni ei saa samas ruumiosas olla samas kvantolekus. Seetõttu peab iga järgmine tuuma lisanduv prooton või neutron olema võrreldes oma "suguvendadega" erinevas olekus, mis on määratud tuuma kvantarvudega. Neid olekuid nimetakse ka tuumaorbitaalideks. Kuna prootonid ja neutronid on erinevad osakesed, siis nemad üksteist läbi Pauli keeluprintsiibi ei mõjuta.
Prootonite arv tuumas määrab ära, millise keemilise elemendi aatomiga on tegemist. Kuna prootonite arv tuumas määrab ühtlasi ka aatomi elektronide arvu tema elektronkattes (ioniseerimata aatomis), siis erineva prootonite arvuga aatomitel on seetõttu erinevad keemilised omadused.
Sama prootonite arvu, kuid erineva neutronite arvuga aatomid on teineteise isotoobid . Erinevatel isotoopidel on reeglina samad keemilised omadused (välja arvatud vesinik), mis teeb isotoopide eristamise keeruliseks. Kui aatomis on oluliselt rohkem (või vähem) neutroneid kui energeetiliselt kõige kasulikuma (kõige madalama seoseenergiaga) tuuma moodustamiseks on vaja, siis on tegemist radioaktiivse isotoobiga, mis võib laguneda kiirates radioaktiivset kiirgust.
Aatomituuma mass moodustab valdava osa aatomi massist. Tuuma läbimõõt on suurusjärgus 10–15 m, seega umbes 100 000 korda väiksem kui aatomil tervikuna.
Aatomi elektronkate koosneb elektronidest, millel on negatiivne elektrilaeng . Elektronid ei tiirle ümber aatomi selle sõna klassikalises mõistes, vaid moodustavad elektronpilve. Elektronpilve läbimõõt on mitu suurusjärku suurem aatomituuma läbimõõdust, seega määrab elektronpilve läbimõõt ära aatomi suuruse.
Kui aatomis on elektrone rohkem või vähem kui prootoneid, siis on tegemist iooniga. Liigse elektroniga on negatiivne ioon ( anioon ), puuduv elektron on aga positiivsel ioonil ( katioon ). Kui aatomis ei ole ühtegi elektroni, siis on tegemist täielikult ioniseeritud aatomiga. Elektronide aatomist lahtirebimine või juurdelisamine on aatomi ioniseerimine. Ioonidel on elektrilaeng, mistõttu reageerivad ioonid ümbritsevate aatomitega palju tugevamalt kui neutraalsed aatomid.
Elektronid on (nagu prootonid ja neutronid) fermionid, seega kehtib ka nende kohta Pauli keeluprintsiip, mis ei luba kahel elektronil olla samas ruumiosas samas energeetilises olekus (kvantolekus). Iga elektron, mis lisandub aatomi elektronkattesse, peab valima omale teistest elektronidest erineva energiatasemega aatomorbitaali, mis on määratud elektronkatte kvantarvudega.
Elektronkatte peakvantarv (n) määrab ära elektronkihi, millel elektron asub. Täpse orbitaali määramiseks tuleb arvestada veel asimuudi kvantarvu (l), magnetilise kvantarvu (ml) ja elektroni spinniga.
Kui kõik aatomi elektronid asuvad madalaimates (vähima energiaga) lubatud kvantolekutes, siis on aatom põhiolekus. Kui mõni elektron neelab footoni (saab endale footoni energia), siis tõuseb ta mõnele kõrgemale vabale energiatasemele ja aatom läheb ergastatud olekusse. Tagasi põhiolekusse läheb aatom läbi footoni kiirgamise , mille puhul elektron naaseb vähima võimaliku energiaga kvantolekusse.
Sellisel moel kiiratud footon omab energiat, mis võrdub elektroni algse ja kiirgamisjärgse energeetilise taseme energia vahega. Kuna erinevates aatomites on erinevate kvantolekute energiatasemete vahed erinevad, siis iga aatom kiirgab ergastatud olekust põhiolekusse naastes erineva energiaga (st lainepikkusega) footoneid. Sellest tuleneb erinevate aatomite erinev spekter ( kiirgusspekter ). Sama efekti võib täheldada ka valguse neeldumist uurides. Täielikult neelduvad ainult need footonid, mille energia ( lainepikkus ) vastab täpselt aatomi põhioleku ja mõne ergastatud oleku energiatasemete vahele. Sellisel moel tekib neeldumispekter.