Ovako je sve pocelo

Preteča današnje ideje o strukturi materije potiče još iz radova antičkih filozofa. Još su oni shvatili da se sva materija može deliti na sve sitnije i sitnije delove, ali u jednom trenutku materija će biti podeljena na deliće koji se više ne mogu deliti. Šta god delili konačan rezultat biće isti – gomila sitnih komadića koje, ma koliko se trudili, više ne možemo da delimo. Ti nedeljivi delići materije nazvani su atomi.

Mnogo vekova je prošlo od kada su ljudi prvi put došli na ideju o atomu, ali ta ideja je ostala jedino se menjao pojam atoma. Kako je civilizacija napredovala atomi su postajali sve sitniji i sitniji a alat za “sečenje” sve oštriji i moćniji. Početkom XX veka hemičari i fizičari su otkrili “delić” koji više nisu mogli da razgrade. Taj delić je atom, hemijski element, koji mi danas poznajemo. Broj poznatih atoma vremenom je rastao i danas znamo da je sva materija u oko nas, na Zemlji i u vasioni, izgrađena od oko 110 različitih atoma, hemijskih elemenata, dok razlike u materijalima potiču od ogromnog broja načina na koji ovi elementi mogu da se kombinuju.

Taman su hemičari pomislili da su otkrili najsitniju gradivnu jedinicu materije fizičari su uspeli da “razbiju” atom na još sitnije komadiće. Ti komadići od kojih su izgrađeni svi atomi nazivaju se elementarne čestice.

“Astronomija” vas je do sada vodila u istraživanje ogromnih i dalekih tela – planeta, zvezda, galaksija. Sada krećemo na drugačiji put, krećemo da upoznamo jedan drugi “univerzum”, univerzum malih i nevidljivih čestica koje su svuda oko nas i u nama.

Molekuli – osnovna komponenta materije

Verovatno se svako nekada zapitao koja je sličnost između vode, vodene pare i leda. Na prvi pogled ove tri supstance deluju potpuno različito ali svi dobro znamo da su to samo tri različita agreganta stanja iste supstance. Zajedničko za vodu, paru i led je to što su izgrađeni od jednog istog molekula, molekula vode.

Ako bismo probali da “sečemo” neki predmet u jednom trenutku došli bismo do ogromnog broja složenih ali potpuno identičnih delića, tj. molekula. Upravo ti delići i njihov međusobni odnos određuju kako će supstanca izgledati i koje će osobine imati. Jedna supstanca je uvek izgrađena od istih identičnih molekula a agregatno stanje zavisi od rasporeda molekula. Ako se molekuli sporo kreću i gusto su zbijeni supstanca se nalazi u čvrstom agregatnom stanju (led). Kad su molekuli grupisani u manje ili veće grupe koje su nezavisne od drugih grupa molekula supstanca se nalazi u tečnom stanju (voda). Gasovito agregatno (vodena para) stanje predstavlja molekule koji se kreću brzo i nalaze se na velikim rastojanjima.

Dimenzije molekula su u intervalu od 10^-10 do 10^-6 metara. Molekuli u supstanci jedni na druge deluju silama. Jačina tih međumulekularnih sila daje čvrstinu materiji. Odbojne međumolekularne sile ne dozvoljavaju deformisanje supstance, dok privlačne sile ne dozvoljavaju lomljenje supstance. Molekuli se sastoje od atoma, a atomi od pozitivnog jezgra i negativnih elektrona. Međumolekularne sile su elektrostatičke i potiču od delovanja elektrona i protona jedonog molekula na protone i elektrone drugog molekula. Odbojna međumolekularna sila je vrlo kratkog dometa i deluje na rastojanjima reda veličine 10^-10 metara, dok je privlačna (tj. Van der Valsova) sila mnogo većeg dometa.

Atomi – delovi molekula

Svi molekuli su izgrađeni od dva ili više atoma. Tip hemijske veze između atoma u molekulu može biti različit ali zajedničko svim ovim tipovima veza je da potiču od elektrostaticke sile i da u ostvarivanju veze glavnu ulogu igraju elektroni.

Atom je najmanji delić materije koji predstavlja hemijski element. Veličina atoma je približna veličini najmanjih molekula. Atom se sastoji od masivnog, pozitivno naelektrisanog jezgra oko kog kruže negativni elektroni. Atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona, koji se jednim imenom nazivaju nukleoni. Poređenjem dimenzija jezgra i atoma vidimo da je najveći deo atoma prazan prostor. Prosečne dimenzije atomskog jezgra su oko 10^-14m, dok je ceo atom oko 100.000 puta veći. Ako bismo zamislili atom veličine fudbalskog igrališta jezgro bi bilo veliko kao vrh igle na centru, a elektroni bi “trčali” negde po terenu, daleko jedan od drugog.

Svi hemijski elementi se međusobno razlikuju po atomskom broju Z, koji označava broj protona u jezgru. Da bi atom kao celina bio elektroneutralan pozitivno naelektrisanje protona u jezgru mora da se kompenzuje istim brojem negativno naelektrisanih elektrona. Prema tome, atomski broj označava i broj elektrona u atomu. Broj elektrona u atomu i njihov raspored u atomu određuje hemijske osobine atoma. Najlakši atom je vodonik sa masenim brojem Z = 1. Najmasivniji stabilan atom koji se nalazi u prirodi je bizmut (Z =83).

Ukupan broj protona i neutrona u jezgru predstavlja maseni broj A. Ukupna masa atoma koncentrisana je u njegovom jezgru. Elektroni zanemarljivo malo doprinose ukupnoj masi atoma jer je njihova masa 1836 puta manja od mase protona, dok je masa neutrona približna masi protona Masa atoma najčešće se izražava u atomskim jedinicama mase (amu). Atomska jedinica mase definisana je kao 1/12 mase atoma ugljenika sa šest protona i šest neutrona. Izraženo u atomskim jedinicama mase, masa protona iznosi 1.00728 aum. Masa atoma izražena u atomskim jedinicama mase približno je jednaka masenom broju. Još jedan način za izražavanje mase atoma je i atomska težina. Ovde treba primetiti da atomska težina nije težina kao sila, u fizičkom smislu, već je ona jednaka masi jednog mola (6.02 x 10²³ atoma) supstance izraženoj u gramima. Po brojnoj vrednosti atomska težina je jednaka atomskoj masi.

Atomi jednog istog hemijskog elementa mogu imati različite masene brojeve. Takvi atomi nazivaju se izotopi. Videli smo da je broj protona karakterističan za “vrstu” atoma, tj za jedan hemijski element, tako da se izotopi jednog elementa razlikuju u broju neutrona. Helijum je elememnt koji ima dva stabilna izotopa – jedan sa dva protona i neutronom i drugi sa dva protona i dva neutrona u jezgru. Element sa najvećm brojem stabilnih izotopa (stabilni izotopi su oni izotopi koji nisu radioaktivni) je kalaj, koji ima deset stabilnih izotopa. S druge strane bizmut ima samo jedan stabilan izotop bizmut-209.

Svi hemijski elementi imaju veći broj nestabilnih izotopa koji žive vrlo kratko. Prilikom raspada atoma može doći do promene broja protona pa atom jednog hemijskog elementa prelazi u atom drugog elementa.

Svi izotopi jednog hemijskog elementa imaju identične hemijske osobine dok u njihovim fizičkim osobinama postoje male razlike.

* * * *

Otkriće strukture atoma imalo je veliki značaj za razvoj fizike i hemije, ali videli smo da je atom brzo postao samo jedan “stepenik” koji vodi dalje, ka nedeljivim česticama od kojih je izgrađena vasiona. Jedna takva čestica je već pronađena u atomu, bio je to elektron. Ono što je nastavilo da muči fizičare bilo je atomsko jezgro. Ernest Raderford je poslednje godine prvog svetskog rata, pravdajuci svoj izostanak sa jedne važne sednice vojnih stručnjaka, rekao: Upravo sam radio na eksperimentima prema kojima se može naslutiti da će se jezgro moći razbiti ljudskim umećem. Ako se dokaže da je to tačno, onda je takvo otkriće važnije nego ceo vaš rat.” Juna 1919. godine Raderford je uspeo da ostvari viševekovni ljudski san. Bombardovanjem alfa-čestica pretvorio je jedan element u drugi. Upravo ova Raderfordova rečenica potvrđena je tačnom poslednjih dana jednog rata, 1945. godine kada su eksplodirale atomske bombe u Hirosimi i Nagasakiju.

Ipak, 1919. godine fizičari su bili tek na početaku. Put za dalje istraživanje i nastavak “lova” na nove “atome” bio je otvoren.