Uppsala universitet
Hoppa över länkar
In English

Linné on line arrow Fysikens kosmos arrow Mikrokosmos arrow Atomer – ett grundämnes minsta delar

Atomer – ett grundämnes minsta delar

Hur mycket kan man dela ett grundämne?

Det moderna atombegreppet formulerades i början av 1800-talet av John Dalton. Enligt Daltons atomteori består all materia av atomer som är odelbara och oförstörbara. Ett grundämnes atomer är dessutom identiska så att de har samma vikt och kemiska egenskaper. Sammansatta ämnen fås genom att kombinera ihop olika antal av atomer i givna heltalskvoter. Dalton kom fram till sin teori efter ingående studier av många olika experiment som studerade viktsförhållanden i olika kemiska reaktioner. Till exempel, för att bilda vatten går det åt 8 gram syre för varje gram väte om det inte ska bli något väte eller syre kvar. Daltons atometeori innebar ett slutgiltigt avståndstagande från alkemisternas lära om de fyra elementen som levt kvar ända sedan de gamla grekerna.

Idag vet vi att Dalton hade fel i ett avseende: atomerna är inte odelbara. En atom består av en atomkärna med positiv elektrisk laddning omgiven av ett moln av elektroner med negativ elektrisk laddning. I själva verket är atomen mestadels tomrum, kärnan är cirka tiotusen gånger mindre än atomen. Att atomen har en kärna där nästan all massa är koncentrerad kom Ernest Rutherford fram till 1911. Hans slutsatser baserade sig på ett experiment utfört av Hans Geiger och Ernest Marsden. De bestrålade en tunn guldfolie med alfa-partiklar och studerade hur alfa-partiklarna spreds då de passerade genom folien. Till sin förvåning fann de att de flesta "alfa"-partiklarna gick rakt igenom folien utan att böjas av medan en del av dem spreds i mycket stora vinklar.  

Ett mått på hur små atomerna är, ges av Avogadros tal, NA=6.02*1023, vilket anger antalet atomer i en mol av ett ämne. En mol väteatomer är ungefär 1 gram, så varje väteatom väger inte mer än 0.000 000 000 000 000 000 000 0017 gram. Ett annat sätt att förstå hur stort Avogadros tal är, är följande tankeexperiment. Du har 1 gram väteatomer som du delar i två lika stora delar varav du behåller den ena men slänger den andra. Därefter delar du den del du sparade i två lika stor delar och sparar den ena osv. För att bara få en atom kvar så måste du upprepa delningen 79 gånger. Jämför detta med hur många gånger du kan vika ett papper på mitten.

Periodiska systemet

1869 ordnade Dimitri Mendelejev de olika grundämnena i det periodiska systemet efter deras atomvikt. Ämnen med likartade kemiska egenskaper ordnades i kolumner. Detta ledde också Mendeleev till att kunna förutsäga vikt och kemiska egenskaper hos tidigare oupptäckta ämnen utifrån de luckor som fanns i det periodiska systemet. I dagens periodiska system är grundämnenena ordnade efter atomnumret, dvs antalet protoner i atomkärnan. Väte har atomnumret 1, helium 2, litium 3 osv.

Elektronerna i elektronmolnet som omger atomkärnan är bundna till kärnan med den elektriska kraften. Atomkärnan som består av protoner och neutroner har positiv elektrisk laddning och elektronerna är negativt laddade. Antalet elektroner i elektronmolnet beror av kärnans elektriska laddning så att atomen totalt sett är neutral. Protonerna är positivt laddade och neutronerna är neutrala; en atomkärnans laddning ges alltså av antalet protoner i kärnan, dvs atomnumret.

Elektronerna som omger atomkärnan kan bara befinna sig i vissa bestämda energitillstånd, eller orbitaler som de också kallas. Detta är en följd av kvantmekaniken som säger att energin inte kan ha vilket värde som helst (variera kontinuerligt) utan att den är kvantiserad. Förutom att energin är kvantiserad så gäller också den så kallade Pauliprincipen för elektronerna. Enligt Pauliprincipen kan två elektroner inte befinna sig i samma kvantmekaniska tillstånd. För varje energinivå finns det två olika kvantmekaniska tillstånd. Detta innebär att när det lägsta energitillståndet är upptaget av två elektroner så måste de andra elektronerna befinna sig i högre energitillstånd.

 

Vanligen delar man in de möjliga energitillstånden för elektronerna i olika skal. Det innersta skalet, kallat K, rymmer två elektroner. Det näst innersta, kallat L, rymmer åtta elektroner osv. De elektroner som finns i det yttersta elektronskalet kallas för valenselektroner, och det är dessa som bestämmer de kemiska egenskaperna hos ett grundämne.

Varför lyser neonrör?

Elektronerna i elektronmolnet är inte låsta i sina energitillstånd, utan de kan exciteras till högre energinivåer om energi tillförs t.ex. i form av värme. När detta sker skapas ett hål i ett av skalen. Eftersom elektronerna hela tiden strävar efter att befinna sig i ett tillstånd med så låg energi som möjligt så fylls hålet snabbt av en elektron från ett högre energitillstånd. När detta sker minskar atomens energi genom att den sänder ut en foton, dvs elektromagnetisk strålning. Beroende på fotonens energi kan den ge synligt ljus (som i ett neonrör) eller ljus med kortare eller längre våglängd som inte är synligt (t.ex. UV-ljus i ett solarium eller infrarött ljus från infravärme). Fotonens våglängd beror alltså på dess energi: ju kortare våglängd desto högre energi eller med en matematisk formel,

E=hf

där E är energin, h är Plancks konstant och f är frekvensen som är omvänt proportionell mot våglängden.

Läs mer om