Helio-4 atomo baten irudia. Erdian nukleoa dago (arroxa), bi protoi eta bi neutroi dituelarik, nahiz eta errealitatean nolabaiteko hodei esferiko bat izan. Inguruneko hodei elektronikoak (beltzez), bi elektroi ditu.
Atomoa (grezieratik: ἄτομος,atomos, «zatiezina»)protoi etaneutroinukleo batez osatutako partikula bat da,elektroi hodei batez inguratua.[1] Atomoaelementu kimikoen oinarrizko partikula da, eta elementu kimikoak euren atomoetan dagoen protoi kopuruaren arabera bereizten dira. Adibidez, 11 protoi dituen edozein atomosodioa da, eta 29 protoi dituen edozein atomokobrea da. Neutroi kopuruak elementuarenisotopoa definitzen du.
Atomoak oso txikiak dira, 100 batpikometroko diametrokoak normalean. Giza ile batek milioi batkarbono atomo inguru neurtzen ditu. Hau txikiagoa da ikusten denargiarenuhin luzerarik laburrena baino, eta horrek esan nahi du gizakiek ezin dituztela atomoakmikroskopio konbentzionalekin ikusi. Atomoak hain dira txikiak, ezen ezin baita zehatz aurreikusi haien portaerafisika klasikoa erabiliz,efektu kuantikoak direla eta.
Atomo batenmasaren % 99,94 baino gehiago nukleoan dago. Protoiekkarga elektriko positiboa dute, elektroiek karga elektriko negatiboa eta neutroiek ez dute karga elektrikorik. Protoi eta elektroi kopurua berdina bada, atomoa elektrikoki neutroa da. Atomo batek protoiak baino elektroi gehiago edo gutxiago baditu, orduan karga negatiboa edo positiboa du, hurrenez hurren, atomo horieiioi deitzen zaie.
Atomo baten elektroiek eta nukleo atomikoaren protoiekindar elektromagnetikoaren bidez elkar erakartzen dute. Nukleoaren protoiek eta neutroiek ere elkar erakartzen duteindar nuklearrak direla eta. Indar hau indar elektromagnetikoa baino indartsuagoa izaten da, elkarren artean positiboki kargatutako protoiak uxatzen dituena. Egoera jakin batzuetan, aldaratzeko indar elektromagnetikoa indar nuklearra baino handiagoa da. Kasu honetan,nukleoa zatitu egiten da eta atzeanzenbait elementu uzten ditu.Desintegrazio nuklearreko modu bat da.
Atomoak beste atomo batekin edo batzuekin lot daitezkelotura kimikoen bidez,molekulak edokristalak bezalakokonposatu kimikoak sortzeko. Atomoek elkartzeko eta bereizteko duten gaitasuna da naturan ikusitako aldaketa fisiko gehienen erantzulea.Kimika da aldaketa horiek aztertzen dituen diziplina.
Eredu atomikoak ulertzeko bideoa.Bideo hau Jakindun elkarteak egin du. Gehiago dituzu eskuragarrieuren gunean. Bideoak dituzten artikulu guztiak ikus ditzakezuhemen.
Atomoaren kontzeptuaAntzinako Greziatik dator,Demokrito,Leuzipo etaEpikuroren eskutik. Hala ere,materia partikula zatiezin txikiz osatuta dagoela dioen oinarrizko ideia antzinako kultura askotan ageri zen antzinatean.Kanada filosofo indiarrak ikuspegi atomista baten oinarriak garatu zituen,Vaiśeṣika Sūtra testu sanskritoan[2].Atomo hitzaantzinako grezierazkoatomos hitzetik dator, "zatiezina" esan nahi duena. Antzinako ideia hau arrazoiketa filosofikoetan oinarritzen zen, zientifikoetan baino gehiago. Teoria atomiko modernoa ez da antzinako kontzeptu horietan oinarritzen[3][4]. XIX. mendearen hasieran,John Dalton zientzialariak ikusi zuen elementu kimikoak pisuzko unitate diskretuen bidez konbinatzen zirela, eta "atomo" hitza erabiltzea erabaki zuen unitate horiek aipatzeko, materiaren funtsezko unitateak zirela uste baitzuen[5]. Mende bat geroago, gutxi gorabehera, Daltonen atomoak benetan zatiezinak ez direla aurkitu zen, baina terminoa mantendu egin zen.
Daltonen eredua (1803), ebidentzietan oinarritutako lehen teoria
John DaltonenA New System of Chemical Philosophy liburuan azaltzen diren zeinbait atomo eta molekulen irudiak.Daltonen ereduaren azalpen bideoa.Bideo hau Jakindun elkarteak egin du. Gehiago dituzu eskuragarrieuren gunean. Bideoak dituzten artikulu guztiak ikus ditzakezuhemen.
XIX. mendearen hasieran,John Dalton kimikari ingelesak bere eta beste zientzialari batzuen datu esperimentalak bildu zituen eta gaur egun "proportzio anitzen legea" bezala ezagutzen den patroi bat aurkitu zuen. Elementu kimiko jakin bat duten konposatu kimikoetan, osagai horren edukia, pisuari dagokionez, zenbaki oso txikien proportzioetan desberdina dela ikusi zuen. Eredu horrek iradokitzen zuen elementu kimiko bakoitza beste elementu batzuekin konbinatzen zela oinarrizko pisu-unitate baten bidez, eta Daltonek unitate horiei "atomo" deitzea erabaki zuen[6].
Adibidez, bieztainu oxido mota daude: bat hauts grisa da, % 88,1eztainua eta % 11,9oxigenoa dituena, eta bestea hauts zuria, % 78,7 eztainua eta % 21,3 oxigenoa dituena. Kopuru horiek doituz gero, hauts grisean 13,5 g oxigeno daude 100 g eztainu bakoitzeko, eta hauts zurian 27 g oxigeno daude 100 g eztainu bakoitzeko. 13,5 eta 27k 1:2ko proportzioa osatzen dute. Daltonek ondorioztatu zuenoxido horietan eztainuzko atomo bakoitzeko oxigeno atomo bat edo bi daudela, hurrenez hurren ( eta)[4][7]
Daltonekburdin oxidoak ere aztertu zituen. Burdin oxido mota bat dago, hauts beltza, % 78,1burdina eta % 21,9 oxigenoa dituena; eta beste burdin oxido bat dago, % 70,4 burdina eta % 29,6 oxigenoa duen hauts gorria. Zifra horiek doituta, hauts beltzean 28 g oxigeno daude 100 g burdinako, eta hauts gorrian 42 g oxigeno daude 100 g burdinako. 28 eta 42k 2:3ko proportzioa osatzen dute. Daltonek ondorioztatu zuen oxido horietan, bi burdin atomo bakoitzeko, bi edo hiru oxigeno atomo daudela, hurrenez hurren ([oh 1] eta)[8][7].
Azken adibide gisa:oxido nitrosoa % 63,3nitrogenoa eta % 36,7 oxigenoa da,oxido nitrikoa % 44,05 nitrogenoa eta % 55,95 oxigenoa, etanitrogeno dioxidoa % 29,5 nitrogenoa eta % 70,5 oxigenoa. Kopuru horiek doituta, oxido nitrosoan 80 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko, oxido nitrikoan 160 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko, eta nitrogeno dioxidoan 320 g oxigeno dago 140 g nitrogeno bakoitzeko. 80, 160 eta 320k 1:2:4ko proportzioa osatzen dute. Oxido horien formulak, eta dira[9].
1827an,Robert Brown britainiar botanikariak ikusi zuen uretan flotatzen zutenpolen-aleen barruko hauts-partikulak etengabe mugitzen zirela ageriko arrazoirik gabe. 1905ean,Albert Einsteinek teorizatu zuenmugimendu browndar hori aleak etengabe kolpatzen zituzten ur molekulek eragiten zutela, eta hura deskribatzeko eredu matematiko bat garatu zuen. Einsteinek matematikoki kalkulatu zituen atomoen neurria eta atomo kopuruamol batean[10]. Eredu hau 1908anJean Perrin fisikari frantziarrak esperimentalki balioztatu zuen[11].
Dmitri Mendeleiev kimikariak 1869an argitaratu zuen lehenengotaula periodikoa, eta ia aldi bereanJulius Lothar Meyerrek antzera egin zuen 1870ean.Mendeleieven taula izenaz argitaratu zen lehen bertsioa. Biek ala biek proposatu zuten taula periodikoa antzeko moduan, elementuak zutabetan eta errenkadetan sailkaturikmasa atomikoen arabera. Errenkada edo zutabe berriak egin zituzten, elementuen ezaugarriak errepikakorrak suertatzen zirenean. Handik gutxira, 1871an, Mendeleievek beste taula periodiko bat argitaratu zuen, baina oraingoan antzekoak ziren elementuen multzoak errenkadatan sailkatuta egon ordez, zutabetan zeuden banaturik. Gainera, oraindik aurkitu gabe zeuden elementuen deskribapen zehatza eskaini zuen. Hutsune haiek gerora beteko zirela iradoki zuen, kimikariek elementu natural berriak aurkitzean. Gauzak horrela, Mendeleieven lanaren onarpena bi arrazoi nagusiengatik gertatu zen: batetik, Mendeleievek hutsuneak utzi zituelako taulan aurkitu gabeko zeuden elementuentzat, eta, bestetik, alde batera utzi zuelako ordura arte erabiltzen zen sailkatze-ordena, taula pisu atomikoen arabera antolatuz.
Dena den, 1913. urtean,Henry Moseleyk, elementu bakoitzari zenbaki atomiko bat esleitu zien, eta horren ondorioz, zuzenketa bat egin behar izan zen taulan; izan ere, Mendeleievek pisu atomikoa erabili zuen elementuen sailkapena egiteko, eta horrek arazoak sortzen zituen. Hortaz, Moseleyren zehaztapenaren ondoren, arazo horiek konpontzeko, zenbaki atomikoaren arabera berrantolatu zen taula.
Gaur egun, eredu sinpleenean itxura hau du taula periodikoak:
1897an,Joseph John Thomsonek aurkitu zuenizpi katodikoak ez direlauhin elektromagnetikoak, partikulak baizik,eremu elektriko etamagnetikoetatik desbidera daitezkeelako. Partikula horiekhidrogenoa (atomo arinena) baino 1.800 aldiz arinagoak zirela neurtu zuen. Thomsonek ondorioztatu zuen partikula horiekkatodoaren atomoetatik zetozela: partikula subatomikoak ziren. Partikula berri haueikorpuskulu deitu zien, baina geroagoelektroi bezala bataiatu ziren. Thomsonek ere elektroiak materialfotoelektriko eta erradioaktiboek jaulkitako partikulen berdinak zirela frogatu zuen[12]. Berehala onartu zen elektroiak direlakorronte elektrikoa hari metalikoetan garraiatzen duten partikulak. Thomsonek ondorioztatu zuen elektroi horiek beren instrumentuen katodoaren atomoetatik sortzen zirela, eta horrek esan nahi zuen atomoak ez direla zatiezinak, Daltonek uste zuen bezala.
Aurkikuntza horri esker, materia bi zatitan banatua zegoela zehaztu zen, bata negatiboa eta bestea positiboa zena. Zati negatiboa elektroiez osatutakoa zen eta Thomsonen arabera, elektroi horiek karga positibodun masa batean murgildurik zeuden,mahaspasak bizkotxo batean egongo balira bezala[13][14]. Beranduago,Jean Perrinek Thomsonen eredua eraldatu zuen, esanez,mahaspasak (elektroiak)bizkotxoan (zati positiboan) murgilduta egon ordez, kanpoaldean bakarrik zeudela.
Eredu honetan, ioi positibo zein negatiboak nola sortzen ziren azaldu zuen Thomsonek. Haren arabera, karga negatibodun partikulak nahikoak zirenean atomoaren karga positiboa konpentsatzeko, atomoa neutroa zen. Ondorioz, atomoak elektroi bat galtzen zuenean, atomoa positiboki kargatuta geratuko zela zioen eta aldiz, elektroi bat irabaztean negatiboki. Modu honetan, ioiak nola sortzen ziren azaldu zuen. Aitzitik, azaldu gabe utzi zituen bestelako erradiazioen existentzia[15].
Saturno planetari analogia egiten dion Nagaokaren eredu atomikoa
Nagaoka fisikariak, Thomsonen eredua deuseztatu zuen. Izan ere, Nagaokak arrazoitu zuen, karga bat ezin zela aurkako karga elektriko batez zeharkatua izan. Desadostasun horren aurrean, Nagaokak bere eredu alternatiboa proposatu zuen, non, atomoaren zentroan karga positibo bat zegoen eta bere inguruan elektroiak zebiltzan biraka. Hain zuzen ere, Saturno eta bere eraztunak erabili zituen antzekotasun gisa.
Gauzak horrela, Nagaokak atomoaren lehen eredu planetarioa garatu zuen1904. an, Rutherfordenaren antzekoa. Lehen esan bezala, Nagaokaren eredua,Saturno planeta masiboaren eta bere inguruko eraztunen arteko egonkortasunean, eta erlazio grabitatorioen analogian oinarritua zegoen. Izan ere, Nagaokaren ustez, Saturnoren eraztunak oso egonkorrak ziren Saturno planeta masiboaren inguruan biratzen zutelako.
Horrek atomora itzuliz bi aurreikuspen zekartzan:
nukleo masibo baten existentzia (planetaren analogian);
indar elektrostatiko baten ondorioz nukleo atomiko horri lotuta, nukleoaren inguruan biraka ibiliko ziren elektroiak egongo zirela (saturnoren eraztunei analogia eginez).
Nukleoaren aurkikuntza eta Rutherforden eredua (1911)
Ernest Rutherfordek,Hans Geiger etaErnest Marsden lankideek Thomsonen eredua zalantzan jarri zuten zailtasunak aurkitu ondoren,alfa partikulen karga-masa erlazioa neurtzeko tresna bat eraikitzen saiatu zirenean. Detekzio-ganberako aireak alfa partikulak sakabanatzen zituen, eta, beraz, neurketak ez ziren fidagarriak. Thomsonek antzeko arazo bat aurkitu zuen izpi katodikoei buruzko bere lanean, bere instrumentuetan hutsune ia perfektua sortuz konpondu zuena. Rutherfordek ez zuen uste arazo bera izango zuenik, alfa partikulak elektroiak baino askoz astunagoak direlako. Thomsonen atomoaren ereduaren arabera, atomoaren karga positiboa ez dago nahikoa kontzentratuta alfa partikula bat desbideratzeko bezain indartsua den eremu elektriko bat sortzeko, eta elektroiak hain dira arinak, ezen alfa partikulek esfortzurik gabe zeharkatu beharko lituzkete, askoz ere astunagoak baitira. Dispertsioa zegoen, ordea, eta Rutherfordek eta lankideek arretaz ikertzea erabaki zuten[16].
1908 eta 1913 artean, Rutherfordek eta lankideek alfa partikulak zituzten metalezko xafla finak bonbardatu zituzten esperimentu batzuk egin zituzten. Alfa partikulak 90º-tik gorako angeluetan desbideratzen zirela ikusi zuten. Hori azaltzeko, Rutherfordek proposatu zuen atomoaren karga positiboa ez dagoela bere bolumen osoan banatuta, Thomsonek uste zuen bezala, baizik eta erdian dagoennukleo ñimiño batean kontzentratzen dela. Hain karga handiko kontzentrazio batek bakarrik sor lezake alfa partikulak desbideratzeko bezain indartsua den eremu elektriko bat, ikusi den bezala. EsperimentuariRutherforden esperimentu izena ematen zaio[16].
Thomson bezalaxe, Rutherford ere bat zetorren atomoa zati positibo eta negatibo batez osatua zegoelako ideiarekin. Bestalde, Thomsonekiko desberdinduz, aldarrikatu zuen zati positibo guztia nukleoan kontzentraturik zegoela eta bera zela “birtualki” atomoaren masa guztiaren jabe. Horrez gain, nukleoaren gainazalaren inguruan elektroiak orbita eliptiko edo zirkularretan orbitatzen zutela zioen, eta haien arteko espazioa hutsa zegoela.1920. urtean, Rutherfordekneutroiaren existentzia iragarri zuen.
Zoritxarrez, eredu atomiko honek ere zenbait ideien artean koherentzia falta zuen. Batetik,James Clerk Maxwellenelektromagnetismoaren arauarekin kontraesanak zituen eta azken haiek, datu esperimentalen bidez egiaztatuta zeuden. Bestetik, Rutherfordek ez zituenespektro atomikoak azaldu.
Zer dira isotopoak?Bideo hau Jakindun elkarteak egin du. Gehiago dituzu eskuragarrieuren gunean. Bideoak dituzten artikulu guztiak ikus ditzakezuhemen.
Desintegrazio erradioaktiboaren produktuekin esperimentatzen ari zela, 1913an,Frederick Soddy erradiokimikariaktaula periodikoaren posizio bakoitzean atomo mota bat baino gehiago zegoela ikusi zuen[17]. Isotopo terminoaMargaret Toddek sortu zuen, elementu berekoak diren atomo ezberdinentzako izen egoki gisa. J. J. Thomsonek isotopoak bereizteko teknika bat sortu zuen,gas ionizatuei buruz egindako lanei esker, eta, ondoren, isotopo egonkorrak aurkitu zituzten[18].
1913an,Niels Bohr fisikariak atomo bateko elektroiek nukleoaren inguruan orbitatzen zutela uste zen eredu bat proposatu zuen, baina orbita-multzo mugatu batean bakarrik egin zezaketen, eta orbita horien arteanfotoi baten xurgapenari edo erradiazioari zegozkion energia-aldaketa diskretuak baino ezin zituzten egin. Kuantizazio hori elektroien orbitak egonkorrak zergatik diren azaltzeko erabili zen (normalean azelerazio-kargek, mugimendu zirkularra barne, erradiazio elektromagnetiko gisa igortzen den energia zinetikoa galtzen baitute, ikussinkrotroi-erradiazioa) eta elementuek zergatik xurgatzen eta igortzen duten erradiazio elektromagnetikoa espektro diskretuetan[19].
Urte berean,Henry Moseleyk Niels Bohrren teoriaren aldeko froga esperimental gehigarriak aurkeztu zituen. Emaitza horiekErnest Rutherford etaAntonius van den Broeken eredua findu zuten. Eredu horren arabera, atomoak karga nuklear positiboen kopurua du nukleoan, taula periodikoan duenzenbaki atomikoaren parekoa. Esperimentu hauek egin arte, ez zegoen jakiterik zenbaki atomikoa magnitude fisiko eta esperimentala zenik. Karga nuklear atomikoaren berdina izatea da gaur egun onartzen den eredu atomikoa[20].
Atomoen artekolotura kimikoakGilbert Newton Lewisek azaldu zituen 1916an, bere elektroi osagaien arteko interakzioak bezala[21]. Elementuenpropietate kimikoaklege periodikoaren arabera neurri handi batean errepikatzen zirela jakina zenez[22], 1919anIrving Langmuir kimikari estatubatuarrak iradoki zuen hori azal zitekeela atomo baten elektroiak nolabait konektatuta edo multzokatuta baleude. Elektroi multzoek nukleoaren inguruan elektroi geruza multzo bat hartzen zutela pentsatu zen[23].
Bohrren eredua atomoaren lehen modelo fisiko osoa izan zen. Atomoaren egitura orokorra deskribatzen zuen, atomoak elkarrekin nola lotzen diren eta hidrogenoarenespektro-lerroak aurreikusten zituen. Bohrren eredua ez zen perfektua, eta laster Schrödingerren ereduak ordezkatu zuen, zehatzagoa, baina nahikoa izan zen materiaren konposizio atomikoari buruzko edozein zalantza uxatzeko. Kimikarientzat, atomoaren ideia tresna heuristiko erabilgarria izan zen, baina fisikariek zalantzak zituzten materia benetan atomoz osatuta ote zegoen, inork ez baitzuen oraindik atomoaren eredu fisiko osoa garatu.
Sommerfeldek zioenBohrren eredu atomikoa oso egokia zelahidrogeno atomoaren kasurako. Aldiz, beste elementu batzuen atomoen espektroak osatzerakoan aztertu zuen maila energetiko bereko elektroiek energia desberdina zutela. Honela, Bohrren ereduak erroreren bat zuela aitortu zuen. Beraz, Arnold Sommerfelden ondorioa zera izan zen, maila energetiko beraren barruan azpimailak egon behar zirela, energia arinki desberdinarekin.
elektroiak nukleoaren inguruan dabiltza orbita zirkular edota eliptikoetan;
bigarren maila energetikotik aurrera bi azpimaila energetiko edo gehiago existitzen dira;
elektroia korronte elektriko ñimiño bat da.
Hortaz, Sommerfelden eredu atomikoa Bohrrenaren orokorketa bat da ikuspuntu erlatibista batetik. Bestalde, orbitak zirkularrak izan beharrean eliptikoak zirela aldarrikatu bazuen ere, ez zen gai izan orbita eliptikoetan emisioa nola gertatzen zen azaltzeko.
Lehen energia-mailatan elektroi bat espazioko eskualde zehatz batean egoteko probabilitatea
1922koStern-Gerlachen esperimentuak propietate atomikoen izaera kuantikoa frogatu zuen.Eremu magnetiko batetikzilarrezko atomo sorta bat modu berezian pasaraztean, sortamomentu angeluarraren edo atomo batenspinaren norabidearekin korrelazioan desbideratu zen. Spinaren norabidea hori hasieran ausazkoa denez, izpia ausazko norabide batean desbideratzea espero liteke. Horren ordez, izpia bi norabide-osagaitan banatu zen, eremu magnetikoarekiko gorantz edo beherantz orientatutako spin atomikoari zegozkionak[24].
1925ean,Werner Heisenbergekmekanika kuantikoaren (matrize-mekanika) lehen formulazio matematiko koherentea argitaratu zuen. Urtebete lehenago,Louis de BrogliekBroglieren hipotesia proposatu zuen: partikula guztiek neurri bateraino uhin gisa jokatzen dutela[25], eta 1926anErwin Schrödingerrek ideia hori erabili zuenSchrödingerren ekuazioa garatzeko, atomoaren eredu matematikoa (mekanika ondulatorioa), elektroiak partikula puntualen ordez uhin tridimentsionaleko forma gisa deskribatzen zituena.
Partikulak deskribatzekouhin-formak erabiltzearen ondorio bat da matematikoki ezinezkoa dela une jakin batean partikula baten posizioaren eta unearen balio zehatzak lortzea. Hauziurgabetasun printzipioa bezala ezagutzen da,Werner Heisenbergek 1927an formulatua. Kontzeptu honen arabera, posizio baten neurketan zehaztasun zehatz baterako momenturako eta alderantziz probabilitate maila bakarra lor zitekeen[26]. Eredu hau aurreko ereduek azaldu ezin zituzten portaera atomikoaren behaketak azaltzeko gai zen, hidrogenoa baino handiagoak ziren atomoen zenbait egitura-patroi eta espektro, esate baterako. Horrela, atomoaren eredu planetarioa baztertu egin zen nukleoaren inguruko guneorbital atomikoak deskribatzen zituen beste baten mesedetan, non elektroi jakin bat behatzeko aukera handiagoa dagoen[27][28].
Dirac-en1928. urteko ereduan Schrödingerren antzeko suposizioak erabiltzen dira, nahiz eta abiapuntua desberdina izan. Dirac-en abiapuntua uhin-funtzioaren ekuazio erlatibista da, Dirac-en ekuazio deitua. Eredu honek, elektroiarenspin-a modu naturalago batean gehitzea ahalbidetzen du. Dirac-ek Schrödingerren maila energetiko antzekoak aurreikusten ditu, baina zuzenketa erlatibista batzuk eginda.
Masa espektrometroaren garapenak atomoen masa zehaztasun handiagoz neurtzea ahalbidetu zuen. Aparatuakiman bat erabiltzen du ioi-sorta baten ibilbidea desbideratzeko, eta desbideratze-kantitatea atomo baten masaren eta kargaren arteko erlazioak zehazten du. Tresna hau erabili zuenFrancis William Aston kimikariak isotopoek masa desberdinak zituztela frogatzeko. Isotopo hauen masa atomikoakopuru osotan aldatzen zen, zenbaki osoen erregela izenaz ezagutzen dena[29]. 1932an argitu zen isotopo ezberdinen existentzia,James Chadwick fisikariak neutroia aurkitzean, protoiaren antzeko masa duen kargarik gabeko partikula. Orduan, protoi kopuru bera baina nukleo barruko neutroi kopuru ezberdina zuten elementu gisa azaldu ziren isotopoak[30].
Fisioa, energia-altuko fisika eta materia kondentsatua
Partikula subatomikoak ulertzeko bideoa.Bideo hau Jakindun elkarteak egin du. Gehiago dituzu eskuragarrieuren gunean. Bideoak dituzten artikulu guztiak ikus ditzakezuhemen.
Jatorrian atomo hitzak beste partikula txikiago batzuetan banatu ezin zitekeen partikula bat izendatzen zuen arren, erabilera zientifiko modernoan atomoapartikula subatomiko ezberdinez osatuta dago. Atomo bat osatzen duten partikulakelektroia,protoia etaneutroia dira.
Elektroia da, alde handiarekin, partikula horien artean masa gutxien duena, 9,11 × 10-31 kg-rekin,karga elektriko negatiboarekin eta tamaina txikiegiarekin eskura dauden teknikekin neurtzeko[37].Neutrinoaren masa aurkitu arte neurtutako partikula arinena zen, atseden masa positiboa zutenen artean. Baldintza normaletan, elektroiek bat egiten dute kontrako karga elektrikoek sortutako erakarpenak positiboki kargatutako nukleoarekin. Atomo batek bere zenbaki atomikoak baino elektroi gehiago edo gutxiago baditu, orduan negatiboki edo positiboki kargatzen da bere osotasunean; kargatutako atomo batiioi deitzen zaio. Elektroiak XIX. mendearen amaieratik ezagutzen dira, batez ere J.J. Thomsoni esker.
Protoiek karga positiboa eta elektroiarena halako 1.836 masa dute, 1,6726 × 10-27 kg[38]. Atomo baten protoi kopuruarizenbaki atomikoa deitzen zaio.Ernest Rutherfordek (1919) ikusi zuennitrogenoak,alfa partikulen bonbardaketapean, hidrogeno nukleoak ziruditena kanporatzen zuela. 1920an onartu zuen hidrogeno-nukleoa atomoaren barruko partikula desberdin bat dela, eta protoi deitu zion.
Neutroiek ez dute karga elektrikorik eta elektroiaren masa 1.839 aldiz masa librea dute, hau da, 1,6749 × 10-27 kg. Neutroiak hiru partikula elementaletatik pisutsuenak dira, baina horien masa murriztu daitekelotura nuklearreko energiari esker. Neutroiek eta protoiek (nukleoi gisa ezagutzen direnak) neurri konparagarriak dituzte, 2,5 × 10-15 m ingurukoak, nahiz eta partikula horien "azalera" ez dagoen argi zehaztuta[39]. Neutroia 1932an aurkitu zuenJames Chadwick ingeles fisikariak.
Fisikaren Eredu Estandarrean, elektroiak barne-egiturarik gabeko benetako partikula elementalak dira; protoiak eta neutroiak, berriz,quark izeneko partikula elementalez osatutako partikula konposatuak dira. Atomoetan bi quark mota daude, bakoitzak karga elektriko zatikatua duelarik. Protoiak bigoi quarkek (bakoitzak 2/3 karga) etabehe quark batek (-1/3 kargarekin) osatzen dituzte. Neutroiak goi quark batez eta bi behe quarkez osatuta daude. Bereizketa horrek bi partikulen arteko masa eta karga diferentzia azaltzen du[40][41].
Quarkakelkarrekintza bortitzaren (edo indartsuaren) bidez elkartuta mantentzen dira,gluoien bitartez. Protoiak eta neutroiak, aldi berean, nukleoan batuta mantentzen dira indar nuklearraren bidez. Indar bortitzaren hondakin bat da, eta propietate desberdinak ditu. Gluoiagauge bosoien familiako kide bat da, indar fisikoen bitarteko oinarrizko partikulak direnak.
Atomo-zenbakia azaltzen duen bideoa.Bideo hau Jakindun elkarteak egin du. Gehiago dituzu eskuragarrieuren gunean. Bideoak dituzten artikulu guztiak ikus ditzakezuhemen.
Atomo baten protoi eta neutroi batu guztiekatomo nukleo ñimiño bat osatzen dute. Partikula horieinukleoi deitzen zaie kolektiboki. Nukleo baten erradioa gutxi gorabeherafemtometro da, non nukleoi kopuru osoa den[42]. Atomoaren erradioa baino askoz txikiagoa da, 105 fm ingurukoa dena. Nukleoiakindar nuklear izeneko irismen laburreko potentzial erakargarri batek lotzen ditu. 2,5 fm-tik beherako distantzietan, indar hauindar elektrostatikoa baino askoz indartsuagoa da, positiboki kargatutako protoiak elkarrengandik aldentzen dituena.
Elementu bereko atomoek protoi kopuru bera dute,zenbaki atomikoa deritzona (Z sinboloa). Elementu beraren barruan neutroi kopurua alda daiteke, eta horrek elementu horrenisotopoa zehazten du. Protoi eta neutroi kopuru osoak nukleoa zehazten du. Protoiekiko neutroi kopuruak nukleoaren egonkortasuna baldintzatzen du, isotopo batzuekdesintegrazio erradioaktiboa jasaten baitute[43].
Protoia, elektroia eta neutroiafermioi gisa sailkatzen dira. FermioiekPauliren bazterketa printzipioari jarraitzen diote, zeinak debekatzen baitu fermioiidentikoek, adibidez protoiak, aldi bereanegoera kuantiko bera hartzea. Horrela, nukleoko protoi bakoitzak beste protoi guztien egoera kuantiko desberdina izan behar du, eta gauza bera aplikatzen zaie nukleoko neutroi guztiei etahodei elektronikoko elektroi guztiei[44].
Nukleo batek protoi eta neutroi kopuru desberdina badu, energia gutxiagoko egoera batera jaits daiteke desintegrazio erradiaktibo baten bidez, protoi eta neutroi kopurua estuago bat etor dadin. Ondorioz, protoi eta neutroi zenbaki berdinak dituzten atomoak egonkorragoak dira desintegrazioaren aldean, baina atomo kopurua handitzean, protoien elkarrekiko aldaratzeak gero eta neutroi proportzio handiagoa eskatzen du nukleoaren egonkortasunari eusteko.
Bi protoietatik abiatuta, protoi batez eta neutroi batez osatutakodeuterio-nukleoa osatzen duenfusio nuklearreko prozesu baten irudia. Positroi bat (e+) –antimateria-elektroi bat – etaneutrino elektroniko bat igortzen dira.
Nukleo atomikoaren protoi eta neutroi kopurua alda daiteke, baina horrek energia oso altuak eska ditzake indar indartsuaren ondorioz.Fusio nuklearra partikula atomiko batzuk batzen direnean gertatzen da, nukleo astunago bat sortzeko, adibidez, bi nukleoren talka energetikoaren bidez. Adibidez,Eguzkiaren nukleoan, protoiek 3 eta 10 keV arteko energiak behar dituzte elkarrekiko urruntzea gainditzeko (Coulomben hesia) eta nukleo bakar batean fusionatzeko[45].Fisio nuklearra kontrako prozesua da, non nukleo bat bi nukleo txikiagotan banatzen den, normalean desintegrazio erradioaktiboaren bidez. Nukleoa partikula subatomikoak edo energia handikofotoiak bonbardatuz ere alda daiteke. Horrek nukleo baten protoi kopurua aldatzen badu, atomoa elementu kimiko desberdin batera aldatzen da[46].
Fusio-erreakzio baten ondoren nukleoaren masa partikula bereizien masen batura baino txikiagoa bada, orduan bi balio horien arteko diferentzia energia erabilgarri mota gisa isur daiteke (gamma izpi bat edobeta partikula batenenergia zinetikoa bezala),Albert Einsteinen masa-energia baliokidetasun formulak deskribatzen duen bezala, non masa galtzea da, etaargiaren abiadura da. Defizit hori nukleo berriaren lotura-energiaren parte da, eta energiaren galera berreskuraezina da fusionatutako partikulak elkarrekin geratzea eragiten duena, banatzeko energia hori behar duen egoera batean[47].
Burdinak etanikelak (guztira 60 nukleoi inguru) baino zenbaki atomiko txikiagoak dituzten nukleo handiagoak sortzen dituzten bi nukleoren fusioaprozesu exotermikoa izan ohi da, eta horiek batzeko behar den energia baino gehiago askatzen du[48]. Energia askatzeko prozesu horrek eragiten duizarren fusio nuklearra erreakzioa berez mantentzeko gai izatea. Nukleo astunenen kasuan, nukleoi bakoitzeko lotura-energia gutxitzen hasten da nukleoan. Horrek esan nahi du 26tik gorako zenbaki atomikoak eta 60tik gorako masa atomikoak dituzten nukleoak sortzen dituzten fusio-prozesuakprozesu endotermikoak direla. Nukleo masiboagoek ezin dute jasan izar batenoreka hidrostatikoari eutsi diezaiokeen energia-fusio ekoizlearen erreakziorik.
Hidrogenoaren antzeko orbital atomiko batzuen 3D bistak, probabilitate-dentsitatea eta fasea erakusten dutenak (g eta goiko orbitalak ez dira erakusten).
Indar elektromagnetikoak atomoarenelektroiak nukleoaren protoietara erakartzen ditu. Indar horrek elektroiak batzen ditu nukleo txikiena inguratzen duenpotentzial-putzu elektrostatikoko baten barruan, eta horrek esan nahi du kanpoko energia-iturri bat behar dela elektroiak ihes egin ahal izateko. Elektroi bat nukleotik zenbat eta gertuago egon, orduan eta erakarpen-indar handiagoa izango du. Horregatik, potentzial-putzuaren erdigunetik gertu lotutako elektroiek energia gehiago behar dute ihes egiteko, gehien bereizten direnek baino.
Elektroiek, beste partikula batzuek bezala, partikula eta uhin propietateak dituzte.Elektroi-hodeia potentzial-putzuaren barruko eskualde bat da, eta elektroi bakoitzak hiru dimentsioko uhin geldikor mota bat osatzen du, nukleoarekiko mugitzen ez den uhin-forma bat. Portaera hauorbital atomiko batek definitzen du, elektroi bat bere posizioa neurtzen denean leku jakin batean egoteko probabilitatea ezaugarritzen duenfuntzio matematiko batek[49]. Nukleoaren inguruan orbital horien multzo diskretu (edo kuantizatu) bakarra dago, izan ere, beste uhin-eredu posible batzuk azkar jaisten dira forma egonkorrago baterantz[50]. Orbitalek eraztun edo nodo egitura bat edo gehiago izan ditzakete, eta desberdinak dira tamainari, formari eta orientazioari dagokienez[51].
Orbital atomiko bakoitza elektroiaren energia-maila partikular bati dagokio. Elektroiak energia-maila altuago batera alda dezake bere egoera,egoera kuantiko berrira bultzatzeko energia nahikoa duenfotoi bat xurgatuz. Era berean, berezko igorpenaren bidez, energia-egoera altuagoan dagoen elektroi bat beheragoko energia-egoerara jaitsi daiteke, fotoi moduan soberan dagoen energia irradiatuz. Energia-balio bereizgarri horiek, egoera kuantikoen energien arteko desberdintasunek definitzen dituztenak,espektro-lerro atomikoen arduradunak dira.
Elektroi bat ezabatzeko edo gehitzeko behar den energia kopurua –elektroiaren lotura-energia– nukleoien lotura-energia baino askoz txikiagoa da. Adibidez, soilik 13,6 eV behar dira hidrogeno atomo baten oinarrizko egoeratik elektroi bat ateratzeko[52], etadeuterio nukleo bat zatitzeko, berriz, 2,23 milioi eV behar dira[53]. Atomoak elektrikoki neutroak dira protoi eta elektroi kopuru bera badute. Elektroi gutxiegi edo gehiegi dituzten atomoei ioi esaten zaie. Nukleotik urrunen dauden elektroiak hurbileko beste atomo batzuetara transferi daitezke edo atomoen artean parteka daitezke. Mekanismo horri esker, atomoak molekuletan eta beste konposatu kimiko batzuetan batu daitezke, hala nola sareionikoko kristaletan etakobalenteetan[54].
Hidrogeno isotopoen zenbakiak, egitura, izenak eta sinboloak. Tritioa baino astunagoak diren isotopoak badauden arren, ezengonkorregiak dira mikrosegundo batez existitzeko ere.
Definizioz, nukleoan protoi kopuru bera duten bi atomo elementu kimiko berekoak dira. Protoi kopuru berdina baina neutroi kopuru desberdina duten atomoak elementu berarenisotopo desberdinak dira. Adibidez, hidrogeno atomo guztiek protoi bat onartzen dute zehazki, baina neutroirik gabeko isotopoak daude (hidrogenoa-1, forma arruntena alde handiarekin,protio ere deitua), neutroi batekin (deuterio), bi neutroirekin (tritio) eta bi neutroi baino gehiagorekin. Elementu ezagunek zenbaki atomikoen multzo bat osatzen dute, protoi bakarreko elementutik, hidrogenotik, 118 protoiko elementuraino,oganesoneraino[55]. 82tik gorako zenbaki atomikoak dituzten elementuen isotopo ezagun guztiakerradioaktiboak dira, nahiz eta 83. elementuaren erradioaktibitatea (bismutoa) hain urria izan, ia arbuiagarria dela[56].
Lurrean 339 nuklido inguru daude modu naturalean[57], eta horietatik 251ek (% 74 inguru) ez dute desintegraziorik jasan, eta "isotopo egonkorrak" deitzen zaie. Soilik 90 nuklido dira teorikoki egonkorrak, eta ez da ikusi beste 161en desintegrazioa (251 guztira), teorian energetikoki posible den arren. Horiek ere "egonkor" gisa sailkatzen dira formalki. Beste 35 nuklido erradioaktibok 100 milioi urtetik gorakobatez besteko bizitzak dituzte, etaEguzki Sistema sortu zenetik bertan egoteko bezainbeste biziraun dute. 286 nukleoko multzo horieifuntsezko nuklido esaten zaie. Azkenik, jakina da bizitza laburreko beste 53 nuklido modu naturalean agertzen direla, funtsezko nuklidoen desintegrazioaren ondoriozko produktu gisa (uranioa edoradioa, adibidez), edo Lurreko energia-prozesu naturalen produktu gisa, hala nolaizpi kosmikoen bonbardaketa (adibidez,karbono-14)[58].
Elementu kimikoetako 80rentzat isotopo egonkor bat dago gutxienez. Oro har, isotopo egonkor sorta bat baino ez dago elementu horietako bakoitzerako, eta batez bestekoa 3,1 isotopo egonkor daude elementu bakoitzeko. Hogeita sei "elementu monoisotopikok" isotopo egonkor bakarra dute, eta elementu batek hamar isotopo egonkor ditu,eztainuak.43.,61. eta83 zenbakidun edo goragoko elementu guztiek ez dute isotopo egonkorrik.
Protoien eta neutroien arteko proportzioak eragina du isotopoen egonkortasunean, baita bilgarri kuantiko itxi eta beteak irudikatzen dituzten neutroi edo protoien "zenbaki magiko" batzuen presentziak ere. Bilgarri kuantiko horiek nukleoaren bilgarri-ereduaren barruko energia-mailen multzo bati dagozkio; bilgarri beteek, eztainuaren 50 protoiz betetako bilgarriak bezala, nukleoari ezohiko egonkortasuna ematen diote. Ezagutzen diren 251 nukleo egonkorretatik, lauk bakarrik dute protoi-kopuru bakoitia eta neutroi-kopuru bakoitia: hidrogeno-2 (deuterio), litio-6, boro-10 eta nitrogeno-14. (Tantalio-180m bakoitia-bakoitia da eta behaketan egonkorra da, baina batez besteko bizitza oso luzearekin gainbehera izango duela aurreikusten da). Gainera, lau nukleo bakoiti erradioaktibo naturalek bakarrik dute mila milioi urtetik gorako batez besteko bizitza:potasio-40k,banadio-50ek,lantano-138k etalutezio-176k. Nukleo bakoiti gehienak oso ezegonkorrak dirabeta desintegrazioari dagokionez, desintegrazio-produktuak bikoiti-bakoitiak direlako eta, beraz, lotura handiagoa dutelako, parekatze nuklearraren ondorioz[59].
Atomo baten masa gehiena protoietatik eta neutroietatik dator. Atomo jakin batean partikula horien ("nukleoi" izenekoak) guztizko kopuruarimasa-zenbakia esaten zaio.Zenbaki oso positiboa eta adimentsionala da (masa-dimentsioa izan beharrean), zenbaketa bat adierazten duelako. Masa-zenbaki baten erabileraren adibide bat "karbono-12" da, 12 nukleoi dituena (sei protoi eta sei neutroi).
Atsedenean dagoen atomo baten masa errealadaltonetan (Da) adierazi ohi da, masa atomiko bateratuaren unitatea ere deitua (u). Unitate hau honela definitzen da: karbono-12 libre eta neutro baten masaren hamabirena, gutxi gorabehera 1,66 × 10-27 kg[60]. Hidrogeno-1ak (hidrogenoaren isotopo arinena, masa txikieneko nukleoa ere badena) 1,007825 Da-ko pisu atomikoa du[61]. Zenbaki honen balioamasa atomikoa deitzen da. Atomo batek masa atomiko bat du masa-zenbaki unitatearekin biderkatuta, %1eko aldearekin gehienez (adibidez, nitrogeno-14 atomo baten masa 14 Da da gutxi gorabehera), baina zenbaki hori ez da zehazki zenbaki oso bat izango, karbono-12aren kasuan izan ezik (definizioz)[62]. Atomo egonkor astunena beruna-208 da, 207,9766521 Da-ko masarekin[63].
Atomo masiboenak ere arinegiak direnez haiekin zuzenean lan egiteko, kimikariekmol unitatea erabiltzen dute. Edozein elementuren mol batek beti atomo kopuru bera du (gutxi gorabehera6,022 × 1023). Zenbaki hori aukeratu zen elementu batek 1 u-ko masa atomikoa badu, elementu horren atomo-mol batek gramo baten inguruko masa izan dezan. Masa atomiko bateratuaren unitatearen definizioa dela eta, karbono-12 atomo bakoitzak zehazki 12 Da-ko masa atomikoa du, eta, beraz, karbono-12 atomoen mol batek 0,012 kg-ko pisua du, definizioz.
Protoien karga elektrikoa, positiboa da, elektroiena berriz, negatiboa. Bestalde neutroiak bi karga motak dituztenez, elkar konpentsatzen dira partikula neutroak osatuz. Atomo batean protoi eta elektroi kopurua berdina bada, atomoa neutroa izango da. Aldiz, atomo batek elektroi gehiago edo gutxiago baditu protoiak baino, atomoa kargatua geratuko da. Kargatutako atomoeiioi deritze. Ioien artean bi mota bereizten dira:katioia etaanioia. Elektroiak galtzen dituzten atomoak positiboki kargatuak geratzen dira eta katioi izena hartzen dute. Aldiz, anioiei alderantzizkoa gertatzen zaie, elektroiak irabazten dituztenez, negatiboki kargatuak geratzen dira.
Atomoek ez dute ongi zehaztutako kanpo-mugarik, eta, beraz, haien dimentsioakerradio atomikoaren terminoetan deskribatu ohi dira. Elektroien hodeia nukleotik zabaltzen den distantziaren neurketa bat da[64]. Horrek esan nahi du atomoak forma esferikoa duela, eta hori hutsean edo espazio librean dauden atomoentzat bakarrik betetzen dela. Erradio atomikoak bi nukleoren arteko distantzietatik erator daitezke, bi atomoaklotura kimiko batean elkartuta daudenean. Erradioa aldatu egiten da atomo bat taula periodikoan duen kokapenarekin, lotura kimiko motarekin, inguruko atomo kopuruarekin (koordinazio zenbakia) etaspin bezala ezagutzen den propietatemekaniko kuantiko batekin[65].Taula periodikoan, atomoaren tamaina handitu egiten da zutabeetan beherantz desplazatzen denean, baina murriztu egiten da errenkadetan zehar desplazatzen denean (ezkerretik eskuinera)[66]. Atomo txikienahelioa da, 32pikometroko erradioarekin, eta handienetakoa, berriz,zesioa, 225 pm-ko erradioarekin. Honen azalpena da taulako errenkada batean eskumarantz protoi kopurua handitzen dela, eta horrek lotzen ditu estuago bere inguruko elektroiak[67].
Kanpoko indarren mende jartzen denean, hala nolaeremu elektrikoen pean, atomo baten formasimetria esferikotik desbidera daiteke. Deformazioa eremuaren magnitudearen eta kanpoko geruzako elektroien orbital motaren araberakoa da, taldeen kontsiderazio teorikoek erakusten duten bezala. Desbideratze esferikoak, adibidez,kristaletan gerta daitezke, non eremu elektriko kristalino handiak ager daitezkeen sarearen simetria txikiko puntuetan[68][69]. Frogatu da deformazio elipsoidal handiak gertatzen direlasufre-ioietarako[70] etakalkogeno-ioietarako[71],pirita motako konposatuetan.
Dimentsio atomikoak argiarenuhin-luzerak (400-700nm) baino milaka aldiz txikiagoak dira; beraz, ezin diramikroskopio optiko batekin bistaratu, bainatunel efektuko mikroskopio batekin atomo indibidualak ikus daitezke. Atomoaren zehaztasuna ikusteko, kontuan hartu gizaile tipiko batek milioi bat karbono-atomo inguru dituela zabaleran[72]. Ur-tanta bakar batek oxigeno-atomoen 2.000 trilioi (2 × 1021) eta hidrogeno-atomoen bikoitza ditu[73]. 2 × 10-4 kg-ko masa duenkilate bakarreko diamante batek 10.000 trilioi (1022) karbono-atomo ditu.Sagar batLurraren neurriraino handituko balitz, sagarraren atomoak jatorrizko sagarraren tamainakoak izango lirateke gutxi gorabehera[74].
Honako taulakJ. C. Slaterrek 1964an neurtutako erradio kobalenteak ematen ditu, pikometrotan[75].
Diagrama honek Z protoi eta N neutroi dituzten hainbat isotoporenbizi-erdia (T1⁄2) zein den erakusten du.
Elementu bakoitzakisotopo bat edo batzuk ditu,desintegrazio erradioaktiboaren eraginpean dauden nukleo ezegonkorrak dituztenak, eta, horren ondorioz, nukleoak partikulak edoerradiazio elektromagnetikoa igortzen ditu. Erradioaktibitatea gerta daiteke nukleo baten erradioa handia deneanelkarrekintza bortitzaren erradioarekin alderatuta, zeinak 1fm inguruko distantzietan baino ez baitu eragiten[76].
Desintegrazio erradioaktiboaren modurik ohikoenak hauek dira[77][78]:
Alfa desintegrazioa: prozesu hau nukleoakalfa partikula bat igortzen duenean gertatzen da, bi protoik eta bi neutroik osatzen duten heliozko nukleoa dena. Emisioaren emaitza zenbaki atomiko baxuagoa duen elementu berri bat da.
Beta desintegrazioa (eta elektroiak harrapatzea): prozesu horiekelkarrekintza nuklear ahulak erregulatzen ditu, eta neutroi bat protoi bihurtzearen edo protoi bat neutroi bihurtzearen ondorio dira. Neutroitik protoirako trantsizioarekin batera elektroi bat etaantineutrino bat isurtzen dira, eta protoitik neutroira igarotzeak (elektroien harrapaketan izan ezik)positroi bat eta neutrino bat igortzen ditu. Elektroien edo positroien emisioeibeta partikulak esaten zaie. Beta desintegrazioak nukleoaren zenbaki atomikoa handitzen edo gutxitzen du. Elektroien atzipena positroien emisioa baino ohikoagoa da, energia gutxiago behar baitu. Desintegrazio mota horretan, nukleoak elektroi bat xurgatzen du, positroi bat isuri beharrean. Prozesu horretan neutrino bat igortzen jarraitzen da eta protoia neutroi bihurtzen da.
Gamma desintegrazioa: prozesu hau nukleoaren energia-maila beheragoko egoera batera aldatzearen emaitza da, eta, horren ondorioz, erradiazio elektromagnetikoa igortzen da. Gamma igortzea eragiten duen nukleo baten eszitazio-egoera alfa edo beta partikula bat jaulki ondoren gertatzen da. Horrela, gamma desintegrazioak alfa edo beta desintegrazioarekin jarraitu ohi du.
Desintegrazio erradioaktiboaren beste mota arraroago batzuk neutroien edo protoien eiekzioa edo nukleo bateko nukleoi-multzoak edo beta partikula bat baino gehiago dira. Nukleo kitzikatuei energia modu ezberdin batean galtzea ahalbidetzen dien gamma emisioaren analogo bat barne bihurketa da, beta izpiak ez diren abiadura handiko elektroiak sortzen dituen prozesu bat, ondorengamma izpiak ez diren energia handikofotoien ekoizpena. Nukleo handi gutxi batzuek masa aldakorrez eta neutroiz betetako bi zati edo gehiagotan ustiatzen dute, berezkofisio nuklearra izeneko desintegrazioan.
Isotopo erradioaktibo bakoitzak desintegrazio-aldi bereizgarri bat du,semidesintegrazio-periodo edo bizi-erdi deitua, lagin baten erdia desintegratzeko behar den denborak zehazten duena.Desintegrazio esponentzialeko prozesu bat da, eta etengabe murrizten du gainerako isotopoaren proportzioa: % 50, bizi-erdiko. Hots, bi bizi-erdiren ondoren, isotopoaren % 25 baino ez da geratzen, eta horrela hurrenez hurren[76].
Oinarrizko partikulek propietate mekaniko kuantiko intrintsekoa dute,spin bezala ezagutzen dena. Beremasa-zentroaren inguruan biratzen duen objektu batenmomentu angeluarraren antzekoa da, baina zentzu hertsian partikula horiek puntualak direla uste da, eta ezin da esan biratzen dutenik. SpinaPlancken konstante (ħ) murriztuaren unitateetan neurtzen da, eta elektroiek, protoiek eta neutroiek1⁄2 ħ spin duate, edo "spin-1⁄2". Atomo batean, nukleoaren inguruan mugimenduan dauden elektroiek momentu angeluar orbitala dute, spinaz gain; nukleoak berak, berriz, momentu angeluarra du, bere espin nuklearra dela eta[79].
Atomo batek sortutakoeremu magnetikoa -bere momentu magnetikoa- momentu angeluarreko forma ezberdinek zehazten dute, biraketan kargatutako objektu batek eremu magnetiko bat sortzen duen bezala, baina kontribuziorik nagusiena elektroien spinetik dator. ElektroiekPauliren baztertze-printzipioa betetzen dutenez, zeinaren arabera ezin baitira bi elektroi egon egoera kuantiko berean, elektroi lotuak elkarren artean parekatzen dira, bikote bakoitzeko kide batekin spin egoera batean gorantz eta bestea kontrako egoeran, espin batean beherantz. Horrela, spin horiek elkar deuseztatzen dute, elektroi kopuru bikoitia duten atomo batzuetan erabateko dipolar magnetikoa zerora murriztuz[80].
Burdina, kobaltoa eta nikela bezalako elementuferromagnetikoetan, elektroi kopuru bakoiti batek aparkatu gabeko elektroi bat eta momentu magnetiko global garbi bat sortzen ditu. Inguruko atomoen orbitalak gainjarri egiten dira eta energia gutxiagoko egoera lortzen da, elektroi aparkatu gabeen spinak elkarren artean lerrokatzen direnean,truke-interakzio gisa ezagutzen den prozesu espontaneoa. Atomo ferromagnetikoen momentu magnetikoak lerrokatzen direnean, materialak eremu makroskopiko neurgarria sor dezake.Material paramagnetikoek momentu magnetikoak dituzten atomoak dituzte, eremu magnetikorik ez dagoenean ausazko norabideetan lerrokatzen direnak, baina atomo indibidualen momentu magnetikoak eremu baten aurrean lerrokatzen dira[81].
Atomo baten nukleoak ez du spinik izango neutroi eta protoi zenbaki bikoitiak dituenean, baina zenbaki bakoitien beste kasu batzuetan, nukleoak spina izan dezake. Normalean, spindun nukleoak ausazko norabideetan lerrokatzen diraoreka termikoaren ondorioz, baina zenbait elementuren kasuan (adibidez,xenon-129), spin nuklearreko egoeren proportzio esanguratsu bat polarizatu daiteke norabide berean lerrokatzeko,hiperpolarizazio izeneko baldintza bat. Horrek aplikazio garrantzitsuak dituerresonantzia magnetiko bidezko irudiak lortzeko[82].
Atomo batean elektroi batenenergia potentziala negatiboa da nukleoarekiko distantziainfinitura iristen denean; elektroiaren posizioarekiko mendekotasuna nukleoaren barruko minimora iristen da, distantziaren alderantzizkoproportzioan gutxi gorabehera. Eredu kuantiko-mekanikoan, elektroi lotu batek nukleoan zentratutako egoera-multzo bat baino ezin du hartu, eta egoera bakoitza energia-maila espezifiko bati dagokio; ikusSchrödingerren ekuazioa, denborarekiko independentea den azalpen teoriko baterako. Energia maila bat elektroia atomotik desligatzeko behar den energia kantitatearen arabera neur daiteke, etaelektronvolteko unitateetan (eV) ematen da. Elektroi lotu baten egoera energetiko baxuenarifuntsezko egoera deitzen zaio, hau da, atsedenean duen egoera; aldiz, elektroia goragoko maila batera igarotzeak kitzikatutako egoera bat sortzen du[83]. Elektroiaren energian bidez handitzen da, nukleoarekiko distantzia (batez bestekoa) handitzen delako.ℓ neergiarekiko mendekotasuna ez dago nukleoarenpotentzial elektrostatikoak eraginda, elektroien arteko elkarrekintzak baizik.
Elektroi bat bi egoera ezberdinen artean ibil dadin, adibidez, funtsezko egoeratik lehen egoera kitzikatura, fotoi bat xurgatu edo igorri behar dio maila horietako energia potentzialaren diferentziarekin bat datorren energia bati, NielsBohren ereduaren arabera, eta hori zehaztasunez kalkula daiteke Schrödingeren ekuazioaren bidez. Elektroiek orbitalen artean salto egiten dute partikulen antzera. Adibidez, fotoi bakar batek elektroien gainean eragiten badu, elektroi batek bakarrik aldatzen du egoera fotoiari erantzunez.
Elementu bakoitzaren espektro elektromagnetikoa erakusten duen irudia.
Fotoi baten energia beremaiztasunarekiko proportzionala da, eta, beraz, energia-maila espezifiko horiek banda desberdin gisa agertzen diraespektro elektromagnetikoan[84]. Elementu bakoitzak espektro bereizgarri bat du, karga nuklearraren, elektroiek hartutako orbitalen, elektroien arteko interakzio elektromagnetikoen eta beste faktore batzuen araberakoa izan daitekeena[84].
Energia-espektro jarraitu batgas edoplasma batetik igarotzen denean, fotoi batzuk atomoek xurgatzen dituzte, elektroiek energia-maila alda dezaten. Beren atomoari lotuta dauden elektroi kitzikatuek energia hori fotoi gisa isurtzen dute berez, ausazko norabide batean bidaiatuz, eta, horrela, energia maila baxuagoetara itzultzen dira. Horrela, atomoek energia-irteeran xurgapen-banda ilun batzuk osatzen dituzten iragazki gisa jokatzen dute. (Atomoak hondoaren espektro jarraitua barne hartzen ez duen ikuspuntu batetik begiratzen dituen behatzaile batek atomoek igorritako fotoien emisio-lerro batzuk ikusiko ditu horien ordez). Espektro-lerro atomikoen intentsitatearen eta zabaleraren neurketaespektroskopikoek substantzia baten konposizioa eta propietate fisikoak zehaztea ahalbidetzen dute[85].
Espektro lerroen azterketa zehatz batek erakusten du batzuekegitura finaren bikoizketa erakusten dutela.Spin-orbita gainjartzeagatik gertatzen da hori, spinaren eta elektroi kanpokoenaren mugimenduaren arteko elkarreragina baita[86]. Atomo bat kanpoko eremu magnetiko batean dagoenean, espektro lerroak hiru osagai edo gehiagotan banatzen dira,Zeeman efektua izeneko fenomenoa. Eremu magnetikoak atomoaren eta bere elektroien momentu magnetikoarekin duen elkarreraginaren ondorio da hori. Atomo batzuek energia maila bereko elektroi konfigurazio ugari izan ditzakete, espektro lerro bakar bat bezala agertzen direnak. Eremu magnetikoak atomoarekin duen elkarreraginak konfigurazio elektroniko horiek energia-maila apur bat desberdinetara lekualdatzen ditu, espektro-lerro ugari sortuz. Kanpoko eremu elektriko bat egoteak espektro-lerroen banaketa eta desplazamendu konparagarriak eragin ditzake elektroien energia-mailak aldatzean,Stark efektua izeneko fenomenoa[87].
Elektroi lotu bat kitzikatuta badago, energia egokiarekin elkar-eragiten duen fotoi batek energia maila baliokidea duen fotoi baten emisio estimulatua eragin dezake. Hori gertatzeko, elektroia energia egoera baxuagora erori behar da, elkar-eragiten duen fotoiaren energiaren adinako energia diferentzia duena. Jarraian, igorritako fotoia eta elkar-eragiten duen fotoia paraleloan desplazatzen dira, bat datozen faseekin. Hau da, bi fotoien uhin-patroiak sinkronizatuta daude. Propietate fisiko horilaserrak egiteko erabiltzen da, maiztasun-banda estu batean argi-energiaren sorta koherente bat jaulki dezaketenak[88].
Balentzia elementu baten konbinazio-ahalmena da. Beste atomo edo talde batzuekin osa dezakeen lotura kopuruaren araberakoa da[89]. Atomo batek bere egoera ez-konbinatuan duen elektroi-geruzarik kanpokoenari balentzia-geruza esaten zaio, eta geruza horretako elektroieibalentzia-elektroiak esaten zaie. Balentzia-elektroi kopuruak beste atomo batzuekiko lotura-portaera zehazten du. Atomoek kimikoki erreakzionatzeko joera dute, kanpoko balentzia-geruzak betetzeko (edo husteko)[90]. Adibidez, atomoen arteko elektroi bakar baten transferentzia hurbilketa erabilgarria da elektroi bat baino gehiago duten atomoen eta bilgarri bete bat izateko elektroi bat falta zaien beste batzuen arteko loturetarako,sodio kloruro konposatuan eta bestegatz ioniko kimiko batzuetan gertatzen den bezala. Elementu askok balio desberdinak dituzte, edo konposatu desberdinetan elektroien zenbaki desberdinak partekatzeko joerak. Horrela, elementu horien artekolotura kimikoak elektroiak trukatzeko modu asko hartzen ditu, elektroien transferentzia soilak baino gehiago direnak. Adibide batzuk karbono-elementua etakonposatu organikoak dira[91].
Elementu kimikoak propietate kimiko errepikariak erakusteko jartzen den taula periodiko batean agertzen dira askotan, eta balentzia-elektroi kopuru bera duten elementuek taularen zutabe berean lerrokatzen den talde bat osatzen dute. (Lerro horizontalak elektroien azal kuantiko bat betetzeari dagozkio). Taularen eskuineko muturrean dauden elementuek elektroiz beteta dute kanpoko geruza, eta, ondorioz, kimikoki bizigabeak diren elementuak sortzen dira,gas noble gisa ezagutzen direnak[92][93].
Atomo kopuruak materiaren egoera desberdinetan daude, eta egoera horiek baldintza fisikoen araberakoak dira, hala nolatenperatura etapresioa. Baldintzak aldatuz gero, materialaksolidoen,likidoen,gasen etaplasmen artean ibil daitezke[94]. Egoera beraren barruan, material bat hainbatalotropotan ere egon daiteke. Adibide bat karbono solidoa da,grafito edodiamante gisa existitu daitekeena[95]. Badaude, halaber, gas-alotropo batzuk, hala noladioxigeno etaozonoa.
Zero absolututik hurbil dauden tenperaturetan, atomoekBose-Einsteinen kondentsatu bat osa dezakete, eta une horretan mekanika kuantikoaren efektuak, normalean eskala atomikoan soilik behatzen direnak, eskala makroskopikoan agertzen dira[96][97]. Orduan, atomo superhoztuen multzo horreksuper atomo bakar gisa jokatzen du, eta horrek portaera mekaniko kuantikoaren funtsezko egiaztapenak ahalbide ditzake[98].
Tunel efektuko mikroskopia bidez egindako irudia, urre-100 atomozko gainazal hori osatzen duten atomo indibidualak erakusten dituena. Gainazaleko atomoakegitura kristalinotik desbideratzen dira eta zabalerako atomo batzuen zutabeetan jartzen dira, haien artean zuloak dituztela.
Atomoak ikusteko txikiegiak diren arren,tunel efektuko mikroskopioa (STM) bezalako gailuek solidoen gainazalean bistaratzeko aukera ematen dute. Mikroskopioaktunel-efektuaren fenomenoa erabiltzen du, partikulei ikuspegi klasikotik gaindiezina izango litzatekeen hesi bat zeharkatzea ahalbidetzen diena. Elektroiek bielektrodo polarizaturen arteko hutsunea zeharkatzen dute, esponentzialki bereiztearen mende dagoen tunel korronte bat sortuz. Elektrodoetako bat punta zorrotz bat da, idealki atomo bakar batean amaitzen dena. Gainazalaren miaketaren puntu bakoitzean, puntaren altuera egokitu egiten da tunelaren korrontea balio jakin batean mantentzeko. Punta lurrazalerantz eta azaletik mugitzen den neurria altueraren profila dela interpretatzen da. Alborapen baxu baterako, mikroskopioak elektroien orbitalen irudiak lortzen ditu, estuki paketatutako energia-mailen bidez: egoera elektronikoendentsitate-mailaFermiren mailatik gertu[99][100]. Tartean dauden distantziak direla eta, bi elektrodoek oso egonkorrak izan behar dute; orduan bakarrik ikus daitezke atomo indibidualei dagozkien aldizkakotasunak. Metodoa, berez, ez da kimikoki espezifikoa, eta ezin ditu identifikatu gainazalean dauden espezie atomikoak.
Atomoak erraz identifika daitezke masaren arabera. Atomo bat ionizatzen bada bere elektroietako bat kenduz, eremu magnetiko batetik igarotzean bere ibilbidea okertu egingo da. Mugimenduan dagoen ioi baten ibilbidea eremu magnetikoak desbideratzen duen erradioa atomoaren masak zehazten du.Masen espektrometroak printzipio hori erabiltzen du ioien masa-karga erlazioa neurtzeko. Lagin batek hainbat isotopo baditu, masen espektrometroak isotopo bakoitzaren proportzioa zehaztu dezake laginean, ioi-sorten intentsitatea neurtuz. Atomoak lurruntzeko tekniken artean daudeinduktiboki akoplatutako plasma bidezko emisio atomikoaren espektroskopia etainduktiboki akoplatutako plasma bidezko masen espektrometria. Horiek plasma bat erabiltzen dute laginak lurruntzeko, analizatzeko[101].
Zunda atomikoaren tomografoak bereizmen subnanometrikoa du 3-Dn, eta atomo indibidualak identifikatu ditzake kimikoki, hegaldi-denboraren masen espektrometriaren bidez[102].
Eszitatutako egoeren espektroak urruneko izarren konposizio atomikoa aztertzeko erabil daitezke. Izarren behatutako argian dauden uhin-luzera espezifikoak banandu egin daitezke eta gas-atomo libreetan kuantizatutako trantsizioekin erlazionatu. Kolore horiek elementu bera duen gasa deskargatzeko lanpara bat erabiliz erreproduzitu daitezke[103]. Honela, helioa Eguzkiaren espektroan aurkitu zen Lurrean aurkitu baino 23 urte lehenago[104].
Materiabarionikoaunibertso behagarriaren guztizko dentsitate energetikoaren % 4 inguru da, 0,25 partikula/m3-ko batez besteko dentsitatearekin (gehienak protoiak eta elektroiak)[105].Esne Bidea bezalako galaxia baten barruan, partikulen kontzentrazioa askoz handiagoa da,izarrarteko ingurunean (ISM) materia-dentsitatea 105 eta 109 atomo/m3 artekoa baita[106]. Uste daEguzkiaBurbuila Lokalaren barruan dagoela, eta, beraz, eguzki-inguruneko dentsitatea 103 atomo/m3 ingurukoa baino ez da[107]. Izarrak ISMko hodei trinkoetatik abiatuta sortzen dira, etaizarren eboluzio-prozesuek ISMa etengabe aberasten dute hidrogenoa eta helioa baino elementu masiboagoekin.
Esne Bidearen materia barionikoaren % 95 izarren barruan kontzentratzen da, eta bertan baldintzak kaltegarriak dira materia atomikoarentzat. Masa barioniko osoa galaxiaren masaren % 10 inguru da[108]; gainerako masamateria ilun ezezaguna da. Izarren barruko tenperatura altuaren ondorioz, "atomo" gehienak erabat ionizatuta daude, hau da, elektroi guztiak nukleoetatik bereizten ditu. Izar-hondarretan, azaleko geruzetan izan ezik, presio handi batek ezinezkoa egiten du elektroien bilgarriak sortzea.
Atomoen nonahikotasuna eta egonkortasuna lotura-energiaren mende daude, eta horrek esan nahi du atomo batek nukleoz eta elektroiz lotutako sistema batek baino energia txikiagoa duela. Tenperatura ionizazio-potentziala baino askoz handiagoa denean, materia plasma, positiboki kargatutako ioi-gas (beharbada, nukleo biluziak) eta elektroi moduan existitzen da. Tenperatura ionizazio-potentzialetik behera jaisten denean, atomoak estatistikoki aldeko bihurtzen dira. Atomoak (elektroi lotuekin) kargatutako partikulak menderatzera pasa ziren Big Banga baino 380.000 urte geroago,birkonbinazioa deritzon garai bat, hedatzen ari zen unibertsoa elektroiek nukleoekin bat egitea ahalbidetzeko adina hoztu zenean.
Big Bangetik, zeinek karbonorik etaelementu astunagorik sortu ez baitu, nukleo atomikoak konbinatu egin dira izarretan fusio nuklearreko prozesuaren bidez helio gehiago sortzeko eta (alfa hirukoitz prozesuaren bidez) karbonotik burdinarainoko elementuen sekuentzia sortzeko; ikusizar-nukleosintesia xehetasun gehiagorako.
Litio-6 bezalako isotopoak, berilioa eta boroaespalazio bidez sortzen dira espazioanizpi kosmikoen bidez. Hori gertatzen da energia handiko protoi batek nukleo atomiko baten aurka talka egiten duenean, nukleoi kopuru handi baten eiekzioa eraginez.
Burdina baino elementu astunagoaksupernobetan etaneutroi-izarretan gertatu ziren,r prozesuaren bidez talka eginez, etaAGB izarretan,s prozesuaren bidez, eta horrek esan nahi du neutroiak nukleo atomikoen bidez harrapatu behar direla. Beruna bezalako elementuak, neurri handi batean, elementu astunagoen desintegrazio erradioaktiboaren ondorioz sortu ziren.
Lurrean badira hasieran agertzen ez ziren traza atomo batzuk (hau da, ez dira "funtsezkoak"), eta ez dira desintegrazio erradiaktiboaren ondorio.Karbono-14a etengabe sortzen duteizpi kosmikoek atmosferan. Lurraren atomo batzuk artifizialki sortu dira nahita edoerreaktore nuklearren edoleherketen azpiproduktu gisa[112][113].Elementu transuranikoetatik -92tik gorako zenbaki atomikoa dutenak-plutonioa etaneptunioa bakarrik daude modu naturalean Lurrean[114][115]. Elementu transuranikoek Lurraren gaur egungo adina baino bizitza erradioaktibo laburragoak dituzte, eta, beraz, elementu horien kopuru identifikagarriak aspaldi jaitsi dira,hauts kosmikoak utzitako plutonio-244 hondakinak izan ezik. Plutonio eta neptuniozko mea naturalakuranio-mineralean neutroiak harrapatuz sortzen dira[116].
Lurrak 1,33 × 1050 atomo inguru ditu[117].Argona,neona eta helioa bezalakogas nobleen atomo independenteen kopuru txiki bat dagoen arren, atmosferaren % 99 molekula moduan lotuta dago,karbono dioxidoa eta oxigenoa eta nitrogeno diatomikoa kasu. Lurraren azalean, atomoen gehiengo handi bat konbinatzen da hainbat konposatu osatzeko, hala nolaura,gatza,silikatoak etaoxidoak. Atomoakmolekula diskretuak ez diren materialak sortzeko ere konbina daitezke, hala nolakristalak etametal likidoak edo solidoak[118][119]. Materia atomiko honek materia molekularrari lotutako eskala txikian etendako ordena mota partikularrik ez duten sareko konponketak osatzen ditu[120].
Jakina da 82 (beruna) baino zenbaki atomiko handiagoak dituzten nukleido guztiak erradioaktiboak direla. 92 baino kopuru atomiko handiagoa duen nukleidorik (uranioa) ez da existitzen Lurrean funtsezko nukleo gisa, eta elementu astunenek batez besteko bizitza laburragoak izaten dituzte. Hala ere, baliteke "egonkortasun-uharte" bat egotea[121], 110 eta 114 arteko zenbaki atomikoak dituzten elementu superastunen isotopo luze samarrak hartzen dituena[122]. Uharteko nukleido egonkorrenaren batez besteko bizitzari buruzko iragarpenak minutu eta milioika urte artekoak dira[123]. Nolanahi ere, elementu super-astunak (Z > 104 dutenak) ez lirateke existituko, Coulomben gaitzespen gero eta handiagoaren ondorioz (fisio espontaneoa eragiten du, bizitza ertain gero eta laburragoekin), inolako efektu egonkortzailerik ez dagoelako[124].
Materia-partikula bakoitzariantimateria-partikula bat dagokio, kontrako karga elektrikoarekin.Positroia positiboki kargatutako antielektroia da, etaantiprotoia, berriz, negatiboki kargatutako protoiaren baliokidea. Materia-partikula bat eta antimateriari dagokiona aurkitzen direnean, elkar suntsitzen dute. Horregatik, materiaren partikula kopuruaren eta antimateriaren arteko desorekarekin batera, azken horiek urriak dira unibertsoan. Desoreka honen lehen kausak oraindik ez dira erabat ulertzen, nahiz etabariogenesiaren teoriek azalpen bat eman lezaketen. Horregatik, naturan ez da aurkitu antimateria-atomorik[125]. 1996an, hidrogeno atomoaren (antihidrogenoa) antimateria homologoa sintetizatu zen GenevakoCERN laborategian[126].
Beste atomo exotiko batzuk sortu dira, protoi, neutroi edo elektroietako baten ordez karga bera duten beste partikula batzuk jarriz. Adibidez, elektroi batmuoi masiboago batekin ordezka daiteke,atomo muoniko bat eratuz. Atomo mota hauek fisikaren oinarrizko iragarpenak probatzeko erabil daitezke[127].
