Tento článek je o částici hmoty. Další významy jsou uvedeny na stránceAtom (rozcestník).
Atom
Znázornění struktury atomuhelia.Elektronový obal, sestávající zorbitalu 1s, je zobrazen černě, přičemž odstín vyjadřujehustotu pravděpodobnosti (integrovanou podél přímky pohledu). Oblastatomového jádra je vyznačena růžově; jeho zvětšenina, na které jsou červeně zobrazenyprotony a fialověneutrony, je však jen schematická. Ve skutečnosti je i jádro helia (a vlnové funkce jednotlivých nukleonů) kulově symetrické.
První představy o atomu pocházejí zantického Řecka, ve kterém v5. století př. n. l.Démokritos představilfilozofickou teorii –atomismus, podle které nelzehmotu dělit do nekonečna, neboť na nejnižší úrovni existují dále nedělitelné částice, které označil slovematomos (ἄτομος). Podle této teorie je veškerá hmota složena z různě uspořádaných atomů různého druhu, které jsou nedělitelné, přičemž je nelze vytvářet ani ničit. Navíc se objevuje i myšlenka existence prázdného prostoru, kterým se mohou atomy pohybovat.[1] Teorie byly podpořeny autoritou zastánců, neexperimenty, proto se spíše prosadilaAristotelem zastávané složení světa ze čtyř esencí neboli elementů (živlů) a pátékvintesence neboli vševyplňujícíhoéteru. Ahorror vacui, „strach z prázdna“, tedy že příroda nedovolí prázdný prostor.
Antické představy a např.alchymistickou představu transmutace kovů (výrobu zlata) vyvrátily až experimenty v novověku.Torricelliho aGuerickeho pokusy prokázaly existenci vakua, takéNewton dovozoval, že pohyb vesmírných těles se řídí zákonymechaniky a nejsou ovlivňovány prostředím, jako pohyby těles vatmosféře na Zemi.
Podmínky k teorii atomů položily základychemie koncem 18. století a nahrazení mylné teorie elementů-živlů, které jsou v podstatěskupenstvím, teorií elementů-prvků.Lavoisier z experimentů odvodil, že se při chemických reakcízachovává hmotnost, a z toho dále odvodil, že hmota nevzniká ani nezaniká, jen mění své složení. To dalo teoretický základ kchemickému rozkladu nebolianalýze (řecká předponaana- alysis „osvobození, odloučení“)sloučenin, tedy rozložení látek na dále nedělitelné elementy, českyprvky, napříkladpyrolýza (pyros „oheň“) vody ji působením tepla rozloží na vodík a kyslík.Proust vážením prvků obsažených ve sloučeninách v roce 1797 došel k závěru, žesloučeniny obsahují prvky v pevně daném poměru.
John Dalton obdobnými pokusy s prvky, které spolu tvoří více sloučenin, odvodil pravidlo, žepoměry prvků lze vyjádřit jako násobky malých celých čísel. Tento jev roku 1808 vysvětlil teorií atomů, že prvky jsou tvořeny stejnými, velmi malými částicemi a ve sloučeninách jsou prvky zastoupeny poměrným množstvím svých atomů.Avogadro roku 1811 zavedl termínmolekula pro volné částice tvořícíplyn, které se skládájí atomů daného poměru vzájemně k sobě silově vázaných.Berzelius roku 1813 pro poměr atomů zavedl dodnes užívanývzorec, kde jsou zkratky latinských názvů prvků doplněny číslem udávajícím počet atomů daného prvku.
Atomová teorie 19. století byl dodnes užitečný model pro vysvětlení chemických reakcí, ale nebyla známa fyzikální podstata samotných atomů. Např. nebyla známa hmotnost jednotlivých atomů, místo toho se užívalarelativní hmotnost, hmotnostní poměr atomů různých prvků. Bylo zjištěno, že s růstem relativní hmotnosti atomů seperiodicky opakuje např.valence (schopnost tvořit vazby), ale nebylo známo, že je to růstemnukleonů a s tím spojeným měnícím se počtemvalenčních elektronů. Ještě na začátku 20. století tak atomy nebyly všeobecně přijímány jako fyzikální realita, tedy že hmota není spojitá (kontinuum) a že je tvořena diskrétními, prostorově oddělenými částicemi.
Teorii o nedělitelných atomech (přesněji částicích, které atomy nazval Dalton) však v roce1897 vyvrátilJ. J. Thomson, který při studiukatodového záření objevilelektron — tedy prvnísubatomární částici. Na základě tohoto objevu vytvořil tzv.Thomsonův model atomu (téžpudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladněnabitou hmotou, ve které jsou (jakorozinky vpudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.
Thomsonův model překonal na začátku20. stoletíErnest Rutherford, který analýzou experimentůGeigera aMarsdena dokázal, že většina hmoty s kladným nábojem je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu.[2] To ho vedlo kRutherfordově modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutnéhojádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jakoplanety obíhajíSlunce (proto se tento model nazývá téžplanetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomuvodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazýváproton. V roce1932 pakJames Chadwick objevilneutron, který se v jádře nachází spolu s protony.
Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílatelektromagnetické záření, čímž by ztráceloenergii a ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader.
Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až novákvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích,kvantech. V roce1913 vytvořilNiels Bohr podle této teorieBohrův model atomu. Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených kruhových drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jednéenergetické hladiny do jiné.
Bohrův model byl navrženad hoc, byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomovýchspektrech. V některých ohledech však stále selhával (např. vysvětlení štěpeníspektrálních čar). Bohrův model je stále založen naklasické fyzice, na rozdíl od planetárního modelu však doplnil některépostuláty, kterými se pokusil odstranit rozpory planetárního modelu. Jedná se tedy o soubor uměle definovaných fenomenologických tvrzení, o kterém byl samotný Bohr přesvědčen, že nemůže být konečným vysvětlením. Bohrovy postuláty však byly jedním z podstatných podnětů, které iniciovaly vznik kvantové teorie — nového teoretického základu, ze kterého postuláty přirozeně vyplývají.
Arnold Sommerfeld doplnil Bohrův model o vybrané eliptické dráhy oběhu elektronů a přidal příslušné postuláty. Umožnil tak dílčí vysvětlení pro rozštěpení některých spektrálních linií a některé změny spekter v magnetickém poli.
Model založený na Schrödingerově kvantové mechanice dokázal vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné (např. pravděpodobnosti přechodů a tedy intenzity spektrálních čar). Některé jevy v jemné struktuře spekter se však pomocí něho vysvětlit nepodařilo.
K přesnějšímu vystižení vlastností atomového obalu je potřeba relativistická kvantová mechanika. Chování elektronů tak lépe popisujerelativistickáDiracova rovnice, ze které přirozeně vyplývají i korekce k Schrödingerovu modelu, mající původ v relativistické změněhmotnosti a v interakcispinů elektronů (přesněji jejich magnetických polí) ve víceelektronových atomových obalech. PodobněKleinova–Gordonova rovnice popisuje vlastnosti exotickýchmezoatomů, jejichž atomový obal je tvořený mezony (zpravidla zápornépiony).
Přestože podle jména je atom „nedělitelný“, ve skutečnosti jej lze rozložit na menší složky, někdy označované jakosubatomární částice:
elektrony jsou záporně nabité částice, které se nacházejí vatomovém obalu, ze kterého je lze relativně snadno vyjmout a vytvořit tím nabitýiont (vizionizace);
ve středu atomu jeatomové jádro obsahující tzv.nukleony (jádro zabírá jen nepatrnou část atomu, ale tvoří naprostou většinu jeho hmotnosti):
protony jsou kladně nabité částice, zhruba 1836krát hmotnější než elektrony,
neutrony jsou elektricky neutrální částice, jen o trochu hmotnější než protony.
Různé atomy se liší svým složením: počtem jednotlivých částic. Atomy různých prvků se liší svýmatomovým číslem, které vyjadřuje počet protonů v jádře (např. atom se šesti protony je atomemuhlíku; počet elektronů v obalu je u běžného elektricky neutrálního atomu shodný s počtem protonů v jádře). Atomy jednoho prvku se mohou lišit počtem neutronů v jádře (tzv.nukleonovým číslem), čímž tvoří různéizotopy (např. atom s šesti protony a osmi neutrony je izotopuhlík 14,14C). Pokud se z elektricky neutrálního atomu vyjme elektron (nebo se naopak do něj vloží), vznikne nabitýiont.
Je známo asi 256 druhů atomů (nuklidů), které jsou stabilní, a mnoho dalších, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně seradioaktivně rozpadají.
Podrobnější informace naleznete v článku Exotické atomy.
V atomovém jádře může být nukleon nahrazenhyperonem, zpravidla hyperonem Λ. Jedná se pak o atom shyperjádrem.
Elektron v atomovém obalu může být nahrazenmionem (nebo lehčím záporně nabitýmmezonem, např.pionem[3]). Takový atom se pak nazývá mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k větší hmotnosti jeklasický Bohrův poloměr mioatomu mnohem menší, mion je vázán těsněji a je vysoká pravděpodobnost záchytu mionu jádrem (obdoba záchytu elektronu uradioaktivní přeměny beta). Atomové orbitaly mezoatomů se liší nejen kvůli odlišné hmotnosti, ale také tím, že k popisu kvantověmechanického chování mezonu v obalu je nutno použítKleinovu–Gordonovu rovnici (na rozdíl odDiracovy rovnice pro elektron). Také jádro (proton u atomu lehkého vodíku) může být také nahrazeno antimionem nebo kladně nabitým mezonem – v r. 2016 tak např. byla prokázána existence exotických atomů složených z pionu a kaonu (jak K+π− tak π+K−).[4]
Někdy bývá za exotický atom považováno i tzv.pozitronium, vázaná soustavapozitronu a elektronu, amionium, název nesystematicky používaný jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve všech těchto případech kladně nabitý antilepton nahrazuje klasické atomové jádro.
Mohou existovat i vázané soustavy atomového jádra aantiprotonu, nahrazujícího elektron v obalu. Takové soustavy se nazývají baryonové atomy. V r. 1991 bylo objeveno antiprotonové hélium (atomové jádro hélia s „obalem“ tvořeným antiprotonem a elektronem), v r. 2006 pak byla prokázána produkce protonia čili antiprotonového vodíku, vázané soustavy protonu a antiprotonu.[5] V případě antiprotonového hélia, jakéhosi hybridu mezi atomem a molekulou, se používá též název atomkule. Za relativní stabilitu dvou jeho konfigurací může koordinace kvantového chování antiprotonu a elektronu v jeho obalu.[6]
Protože je atom složen z částic, je pro jeho stabilitu důležitá vyváženost sil, které v něm působí:[7]
Gravitační síla působící mezi všemi formami hmoty je v atomech zanedbatelná. Je to nejen z důvodu, že subatomární částice mají velkou hybnost, ale především proto, že gravitace je ze všechinterakcí nejslabší. Například mezi protonem a elektronem vzdáleným 10−10m (poloměr atomu) působí gravitační síla 10−47N, zatímco síla mezi dvěma protony (či neutrony) vzdálenými 10−15m (poloměr jádra atomu) působí gravitační síla 10−34N.
Elektromagnetická síla je síla nekonečného dosahu, která působí pouze na částice s elektrickým nábojem. V běžném atomu to jsou elektron a proton, zatímco neutron je elektricky neutrální. Přitažlivá elektromagnetická síla mezi záporně nabitým elektronem a kladně nabitým protonem je tedy síla, která drží elektrony v elektronovém obalu a brání jim, aby atom opustily a to silou řádu 10−8N. Na druhou stranu mezi samotnými protony působí odpudivá elektromagnetická síla, a to v řádu 100 N.
Silná jaderná síla je přitažlivá síla, která působí mezi všemikvarky agluony až do vzdálenosti 10−15m. V atomu jsou z kvarků složeny proton a neutron. Silná síla je tedy zodpovědná za to, že protony a neutrony drží pohromadě a vytváří atomové jádro a především, že drží pohromadě protony, které se vzájemně elektricky odpuzují.
Slabá jaderná síla je síla působící mezi všemifermiony až do vzdálenosti 10−18m. V běžném atomu jsou všechny částice fermiony, protože mají spin 1/2.
Z toho vyplývá, že za interakce v atomovém obalu (elektrony v poli jádra, elektrony navzájem, přechody mezi energetickými stavy) je zodpovědná elektromagnetická interakce.
V atomovém jádře se významně projevuje silná interakce (drží jádro pohromadě, je zodpovědná za radioaktivní přeměnu alfa), ale i slabá interakce (zodpovědná za radioaktivní přeměnu beta) a elektromagnetická interakce (snižuje vazbovou energii jádra, zodpovědná za přechody mezi energetickými stavy jádra – radioaktivitu gama).
Vizualizacimakroskopických objektů lze bezproblémově provést opticky, tedy pomocí viditelného světla. Tehdy lze proces vizualizace popsat následovně: Světlo putuje ze zdroje záření na objekt od nějž se odrazí (nebo je světlo pohlceno a následně vyzářeno) a pokračuje do měřícího přístroje, např.mikroskopu. Makroskopické objekty jsou díky své hmotnosti ovlivněny světelným tokem pouze nepatrně a vliv měření se zpravidla zanedbává.
Problém nastává u mikroskopických objektů, jako jsou atomy, kde vliv měření zanedbat nelze. Maximální přesnost měření je dánaprincipem neurčitosti,. Vyplývá z něj, že polohu atomu nemůžeme změřit naprosto přesně, takže obraz bude vždy rozostřen a toto omezení nelze nijak obejít. Dále z něj vyplývá, že čím menší rozostření chceme, tím větší hybnost světlo musí mít. Protože ale hovoříme o rozostření menším než velikost atomu, tedy v řádu, tak hybnost fotonů musí být v řádu, neboli minimální frekvence použitelného světla je. Nejvyšší frekvence viditelnéhosvětla je ale řádu a tedyviditelným světlem není možné atomy pozorovat. Zpětný výpočet ukazuje, že viditelným světlem je možné pozorovat pouze objekty, které jsou alespoň 10000krát větší než je atom. Toto omezení je platné pro všechny optické mikroskopy bez ohledu na jejich konstrukci.
Aby se daly atomy vizualizovat, je nutné místo viditelného světla použít něco jiného nebo použít úplně jiný způsob vizualizace. Mezi základní zařízení pro vizualizaci atomů patří:
Elektronový mikroskop – Namísto viditelného světla (fotonů) používá elektrony a namísto optických čoček používá elektromagnetické čočky. Použití elektronů umožňuje kvantová mechanika, podle níž mají všechny částice, a tedy i elektron, vlnovou povahu (korpuskulárně-vlnový dualismus). Výhoda elektronového mikroskopu je jeho mnohostrannost.
Řádkovací tunelový mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívátunelový jev. Ostrý hrot se pohybuje těsně nad povrchem zkoumaného vzorku. Tunelový jev umožňuje přechod proudu (elektronů) z povrchu na hrot i když se hrot povrchu „nedotýká“. Mikroskop v dané poloze hrotu z velikosti procházejícího proudu určí vzdálenost mezi hrotem a povrchem a tedy výšku povrchu (z-ovou souřadnici). Na základě zmapování vzdáleností hrotu a povrchu v mnoha bodech roviny v níž se hrot pohybuje, vytvoří mikroskop obraz reliéfu zkoumaného povrchu. Nevýhodou tunelovacího mikroskopu je, že se dá použít pouze pro vizualizaci vodivých povrchů.
AFM mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívá atomárních sil atomů povrchu zkoumaného vzorku. Ostrý hrot připevněný na ohebném nosníku se pohybuje po povrchu vzorku. Atomární síly povrchových atomů působí na hrot a ohýbají nosník. Mikroskop sledováním ohybu nosníku v dané poloze určí polohu hrotu a tedy i výšku povrchu. K vizualizaci reliéfu celého povrchu je potřeba hrotem zmapovat celý povrch. Výhoda AFM je, že se dá použít i pro vizualizaci nevodivých povrchů.
Manipulace s jednotlivými atomy je velmi důležitá pro budoucí rozvojnanotechnologie, oboru, který na úrovni atomů a molekul pomáhá vytvářet materiály speciálních vlastností, např. materiály s vysokou pevností.
