Atomerne er de mindste enheder der opbygger stof i universet. Gennem undersøgelse af stoffets form og struktur, er det lykkedes at opstille en atommodel der beskriver atomets opbygning af elementarpartiklerne protoner, neutroner og elektroner. De første modeller af atomet blev opstillet for over 120 år siden, og blev forfinet til den form vi bruger i dag af danskeren Niels Bohr.
I dette indlæg kan du læse om opdagelsen af atomets struktur, og hvordan denne struktur i atomet giver anledning til elektronegativitet og iondannelse.
Hvad er atomer?
Atomer er byggestenene til alle molekyler i universet. For eksempel er brintmolekylet (H2), sammensat af to brintatomer, mens sukkermolekylet C6H12O6 er opbygget af tre forskellige atomer - kulstof, brint og ilt. Selve ordet atom betyder udelelig, og blev brugt af den oldgræske filosof Demokrit til at beskrive de mindste enheder ting var opbygget af. Demokrits filosofiske overvejelser omkring stoffets udelelighed, er i moderne videnskab udvidet med forståelsen af en atommodel, der beskriver atomets struktur som en atomkerne med skaller af elektroner rundt om denne kerne.
Atomets opbygning - elementarpartiklerne
Elektronen blev opdaget og identificeret af Joseph John Thomson i 1897 som katodestråler, der i et katoderør fremstod som en nærmest lilla lysende linje fra katoderørets negative del mod den positive. Ved at undersøge katodestrålingen i et magnetfelt, kunne Thomson slutte, at denne stråling bestod af negativt ladet partikler - disse kaldte han elektroner.
Opdagelsen af selve atomkernen i 1911, tilskrives Ernst Rutherford, der gennem forsøg med alfastråling dels kunne påvise at atomet havde en kerne, samt at denne måtte have en positiv elektrisk ladning. Forud for Rutherfords forsøg, havde Wilhelm Wien i 1898 opdaget en positivt ladet partikel, med massen svarende til hydrogen. Med Rutherfords eksperiment kunne de bekræfte at ”Wiens partikel” kunne være kernepartiklen i atomkernen, og blev kaldt protonen. Opdagelserne var banebrydende, og åbnede vejen til forståelsen af atomets opbygning af elementarpartikler – de grundlæggende bestanddele i atomet.
I 1932 opdagede James Chadwick endnu en elementarpartikel – neutronen, der findes i kernen sammen med protonen, men denne har ikke nogen elektrisk ladning. Atomkernen af protoner og neutroner, holdes sammen af én af de grundlæggende 4 kræfter – den stærke kernekraft.
Atommodellerne
I forbindelse med Thomsons opdagelse af elektronen, opstillede han en model for atomet der gik ud på at elektronerne lå placeret i, eller omkring atomkernen i mindre skyer. Atommodellen skulle derfor betragtes som en slags ”atombolle”, hvor protoner og elektroner lå sammen som rosiner på en bolle. Derfor kaldes Thomsons atommodel for ”rosinbolle” modellen. Rutherfords opdagelse af atomkernen gjorde at Thomsons model måtte justeres, og Rutherford nåede frem til at atomkernen og elektroner måtte ligge klart adskilt. Dette var en noget anden beskrivelse end Thomsons rosinbolle-model.
Den danske fysiker Niels Bohr besøgte både Thomson og Rutherford, og blev meget optaget af atommodellerne. Han var dog ikke sikker på, at Rutherfords model var nøjagtig nok. Derfor arbejdede han på at opstille en atommodel, der var mere nøjagtig. Denne model blev Niels Bohr verdensberømt for, og kaldes i dag for Bohrs atommodel. Denne model beskriver atomet som en kerne bestående af protoner og neutroner med elektronerne i defineret energiniveauer – kaldet elektronskaller – rundt om atomkernen.
Det er ud fra Bohrs atommodel at grundlaget for inddelingen af perioder i det periodiske system er lavet. I det periodiske system er alle atomer inddelt i perioder, der svarer til antallet af elektronskaller rundt om atomkernen. Antallet af elektroner i disse skaller kan ses ud fra det periodiske system.
Atomer og molekyler
Ud fra det periodiske system fremgår det, at atomer maksimalt kan have 8 elektroner i yderste skal. Hvis de har det, vil de være kemisk stabile og kun vanskeligt indgå i kemiske reaktioner. I det periodiske system er det kun atomer i hovedgruppe 18, der har 8 elektroner i yderste skal - alle de øvrige har mindre. Det betyder at langt de fleste atomer vil forsøge at indgå i kemiske reaktioner med hinanden, for at få 8 elektroner i yderste skal. Gennem udveksling af elektroner fra elektronskallerne, indgår atomerne i kemiske reaktioner og danner større molekyler, der opbygger det fysiske stof i universet. Det periodiske system er derfor ret beset en oversigt over de byggeklodser alle verdens molekyler er opbygget af.
Langt de fleste atomer kan rent faktisk også trække elektroner til sig, eller slippe dem væk fra skallerne. Når det sker, skabes der en elektrisk ubalance i atomet, og atomet får en elektrisk ladning. I denne situation er der skabt en ion der er en variant af atomet, men med en elektrisk ladning.
Eletronegativitet, elektroner og ionbinding
Atomets evne til at trække elektroner til sig, eller tilbøjelighed til at slippe dem, kaldes atomets elektronegativitet. Dette blev undersøgt og beskrevet af Linus Pauling. Han opstillede et skema, hvori han for hvert atom i det periodiske system angav atomets elektronegativitet.Elektronegativitet udtrykker et atoms evne til at tiltrække og fastholde elektroner i kemiske bindinger. Det betyder, at atomer med høj elektronegativitet kan binde elektronerne stærkt til sig, mens de der har lav i højere grad slipper elektronerne. Når et grundstof på denne måde enten slipper eller tiltrækker elektroner, dannes der henholdsvis kationer (positivt ladet) eller anioner (negativt ladet). En ion er således et atom, der enten har overskud eller underskud af elektroner. Antallet af elektroner et grundstof kan optage eller afgive, er angivet som den eller de elektroner, der findes i atomets yderste skal. Dette fremgår af det periodiske system, som det sidste tal i rækken af elektronskaller.
I første hovedgruppe har de fleste atomer en lav elektronegativitet (bortset fra brint), hvilket betyder de let slipper deres yderste elektron. Herved er der et overskud af positive ladninger i atomkernen, og atomet bliver derfor en kation – eksempelvis Na+. Omvendt vil et grundstof som Klor have let ved at indfange elektroner, da det har en høj elektronegativitet. Derved dannes anionen Cl-. Da ionerne har positiv og negativ ladning, vil disse ladninger søge hinanden, og der etableres en binding mellem de to atomer og der dannes et molekyle. I dette tilfælde er det NaCl - Natriumklorid, også kaldet køkkensalt. Bindingen mellem de to ioner, kaldes for en ionbinding.
Iongitter og salte
Når to ioner sætter sig sammen i en ionbinding, gør de det på en helt bestemt måde der passer til den rumlige struktur af atomet. Afhængig af hvilke ioner der sætter sig sammen, vil denne rumlige form være forskellig fra hinanden. Strukturen kaldes for et iongitter. Når et vis antal ioner har sat sig sammen, dannes et krystal. Dette krystal er opbygget af mikroskopiske strukturer, der kendetegner hvert krystal med en bestemt form. Her kan du læse mere om krystalgitter.
Nogle krystaller består af mange forskellige ioner, mens andre krystaller er meget simple – fx Natriumklorid. Krystaller kan bestå af alle de grundstoffer, der kan etablere ionbindinger med hinanden. Et flot krystal er fx svovlkis, som består af jern og svovl og hvis kemiske formel er FeS2. Krystallen vokser med en tydelig kubisk form, og har en gylden skinnende overflade. Derfor kaldes det også for narreguld.
Atomkernens indre
Da Demokrit filosofisk betegnede stoffets mindste dele som atomer - udelelige, havde han formentlig tænkt på stoffets som en struktur der kunne nedbrydes til mindre og mindre dele. Derfor har fysikere i årtier jagtet stoffets grundlæggende opbygning, ud fra tanken om at dette måtte bestå af noget udeleligt. Rent faktisk lykkedes det at finde frem til atomets struktur, der udgør den umiddelbart mindste del af stoffet. Men med opfindelsen af maskiner der kunne skyde atomer ind i hinanden, fandt man ud af, at protonen og neutronen bestod af endnu mindre elementarpartikler, der kaldes kvarker. Du kan læse mere om kvarker her.
Ud fra Demokrits tankegang, kunne man forestille sig at kvarker består af noget endnu mindre udeleligt, og sådan kunne man filosofisk fortsætte. På denne måde har teknologien kun i nogen grad bragt os tættere på det udelelige. Rent filosofisk må de mindste dele jo også bestå af noget, skulle man mene. Det er historien uden ende, men jagten på det filosofisk udelelige, har foreløbig ført os fra Demokrit til universets byggesten – atomet – og vil formentlig fortsætte indtil det uendelige er fundet.
Kilder:
https://denstoredanske.lex.dk/proton
https://videnskab.dk/miljo-naturvidenskab/store-opdagelser-niels-bohr-og-atomets-struktur
https://da.wikipedia.org/wiki/Atomkerne
https://da.wikipedia.org/wiki/Elektron
https://denstoredanske.lex.dk/krystal
https://fysikleksikon.nbi.ku.dk/k/kvark/