άτομο

Στοιχείο της φύσης που η επισήμανσή του σχετίζεται με την ιδέα του αδιαίρετου της ύλης. Ά. είναι το μικρότερο μέρος ενός στοιχείου, το οποίο διατηρεί τις ιδιότητές του και μένει αμετάβλητο στις συνήθεις χημικές αντιδράσεις. Ετυμολογικά ο όρος ά. σημαίνει το μη τεμνόμενο, το αδιαίρετο· και ως τέτοιο θεωρούταν το ά. έως το τέλος του 19ου αι. Οι έρευνες όμως και οι ανακαλύψεις που έγιναν κατά το τέλος του 19ου αι. έκαναν αντιληπτή τη σύνθετη δομή του α. και τη διαιρετότητά του, έτσι ώστε να θεωρείται αδιαίρετο μόνο από την άποψη των συνήθων χημικών αντιδράσεων κι όχι από την άποψη της φυσικής. (Φιλοσ.) Ο όρος ά. χρησιμοποιήθηκε πρωταρχικά για να δηλωθεί το έσχατο σωματίδιο ως τελική υπόσταση της ύλης, το μη τεμνόμενο. Στην αρχή της άτμητης υπόστασης της ύλης οδηγήθηκε ο αρχαίος ελληνικός στοχασμός από καθαρά λογικά κριτήρια: αν δηλαδή γινόταν παραδεκτό ότι η ύλη μπορεί να διαιρεθεί επ’ άπειρον, τότε κάθε υλικό σώμα θα έπρεπε να αποτελείται από άπειρο αριθμό σωματιδίων. Ένα σύνολο όμως από άπειρα στοιχεία πρέπει και το ίδιο να είναι άπειρο. Επειδή όμως κάθε σύνολο και κάθε υλική ενότητα έχουν πεπερασμένο χαρακτήρα, προέκυψε το συμπέρασμα ότι τα βασικά συστατικά της ύλης πρέπει να έχουν μέγεθος ορισμένο και πεπερασμένο. Κατά συνέπεια τα έσχατα υλικά στοιχεία είναι ά. σταθερού μεγέθους, άπειρα κατά τον αριθμό μόνο, και τόσο μικρά ώστε να μη διακρίνονται. Η ιδέα του αδιαίρετου της ύλης παίρνει ιδιάζουσα μορφή στην Ελεατική σχολή: κατά τον Παρμενίδη, που έζησε γύρω στο 480 π.Χ., το σύμπαν είναι ένα απλό και ενιαίο ά., χωρίς μερικότερα τμήματα. Η ποικιλία, οι αντιθέσεις και η κίνηση είναι ψευδαισθήσεις, γιατί η πραγματοποίησή τους προϋποθέτει κενό χώρο, μια έννοια δηλαδή λογικά απαράδεκτη, γιατί κενό σημαίνει το μη υπάρχον και θα ήταν αντίφαση η παραδοχή της ύπαρξής του. Ο Ζήνων ο Ελεάτης, με τις διάσημες «απορίες» του, επιχείρησε να αποδείξει την αντιφατικότητα, άρα και το ψεύδος της κίνησης. Γύρω στο 440 π.Χ. ο Λεύκιππος διατύπωσε την άποψη ότι η πρωταρχική ύλη πρέπει να έχει διασπαστεί σε μυριάδες μικρών α. Διέκρινε τον χώρο σε πλήρη και κενό. Τα ά., όλα όμοια και αδιαίρετα, αποτελούν τον απόλυτα πλήρη χώρο, ενώ ο απόλυτα κενός χώρος είναι αυτός που επιτρέπει την εναλλασσόμενη κατάληψή του από τα ά., άρα την κίνηση. Ο μαθητής του Δημόκριτος τροποποίησε αυτή τη θεωρία και υποστήριξε ότι τα ά. διαφόρων ουσιών είναι διαφόρων μεγεθών, και άτμητα εξαιτίας της εξαιρετικής σκληρότητάς τους. Κατά την άποψη αυτή οι διαφορές μεταξύ των υλικών ουσιών προέρχονται από τις διαφορές μεγέθους, διάταξης και κίνησης των α. Η διδασκαλία αυτή αποτέλεσε τη βάση όλων των μεταγενέστερων κλασικών ατομικών θεωριών, όπως του Επικούρου (306-270 π.Χ.) και του Λουκρητίου (98-55 π.Χ.). Κατά τον Μεσαίωνα, η θεωρία των α. είχε δυσφημιστεί και παραμεριστεί από τη διδασκαλία των αριστοτελικών απόψεων, οι οποίες επανέφεραν τη θεωρία των τεσσάρων στοιχείων του Εμπεδοκλή (γη, αέρας, φωτιά και νερό), τα οποία θεωρήθηκαν συνεχούς και όχι ατομικής δομής και φύσης. (Γεωμ.) Ο όρος χρησιμοποιήθηκε στη γεωμετρία, ιδιαίτερα κατά το 17o αι., από τους Καβαλιέρι και Τοριτσέλι και υπήρξε, κατά κάποιο τρόπο, το προοίμιο του απειροστικού λογισμού. Για τον Καβαλιέρι τα ά., προκειμένου για ένα ευθύγραμμο τμήμα, είναι τα σημεία, ενώ για ένα επίπεδο σχήμα, που περιέχεται ανάμεσα σε δύο παράλληλες ευθείες, έστω ε₁, ε₂, είναι τα ευθύγραμμα τμήματα που αποκόπτονται από το σχήμα επάνω στις παράλληλες ευθείες προς τις ε1, ε2. Τέλος, για ένα στερεό σχήμα, που περιέχεται ανάμεσα σε δύο παράλληλα επίπεδα, έστω Ε₁, Ε₂, είναι οι τομές του στερεού από τα επίπεδα τα παράλληλα προς τα Ε₁, Ε₂. Εδώ μάλλον πρόκειται για διαμερίσεις ενός σχήματος με διάσταση 1 (ευθεία), 2 (επίπεδο σχήμα), 3 (στερεό σχήμα) σε συνιστώσες με διάσταση, αντίστοιχα 0 (σημεία), 1 (ευθεία τμήματα), 2 (επίπεδα σχήματα). Ο Τοριτσέλι θεώρησε και καμπύλα ά.· προκειμένου για επίπεδα σχήματα τα καμπύλα ά. είναι καμπύλα τόξα. Για τον κύκλο, π.χ., τα καμπύλα ά. είναι οι ομόκεντρες με τον κύκλο περιφέρειες, που βρίσκονται στο εσωτερικό του. Προκειμένου για το επίπεδο η μέθοδος των α. στηρίχτηκε στην εξής αρχή: αν έχουμε δύο κλειστά-κυρτά σχήματα, έστω F, F’ ανάμεσα σε δύο παράλληλες ευθείες, έστω ε₁, ε₂ με εμβαδά, έστω, S, S’ και αν μία ευθεία κινείται παράλληλα με τις ε₁, ε₃ και συμβαίνει ο λόγος των χορδών που αποκόπτονται από τα δύο σχήματα F, F’ πάνω σ’ αυτήν, να είναι σταθερός, έστω , τότε ισχύει Έτσι, αν το ένα από τα δύο εμβαδά Ε, E’ είναι γνωστό, τότε υπολογίζεται αμέσως το άλλο. ατομικές θεωρίες. Οι γνώσεις για τη χημική συμπεριφορά της ύλης και την εσωτερική δομή της ήταν, έως το β’ μισό του 16ου αι., ανεπαρκείς για να σχηματιστεί θεωρία που να βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα· γι’ αυτό οι ατομικές αντιλήψεις που άνθησαν κατά τον Μεσαίωνα, την Αναγέννηση και τον 17o αι. ήταν φιλοσοφικές στην ουσία τους. Ο ορισμός του χημικού στοιχείου με τη σύγχρονη έννοια, τον οποίο διατύπωσε ο Ρόμπερτ Μπόιλ στο δεύτερο μισό του 17ου αι., έβγαλε το ά. από τον κύκλο των φιλοσοφικών συζητήσεων και το τοποθέτησε ως το πιο απλό σωματίδιο που αποτελεί τα στοιχεία. Αυτό ήταν το πρώτο βήμα στην οδό που οδήγησε στην απόδειξη της ύπαρξης του α. ως ιδιαίτερης φυσικής υπόστασης και στην έρευνα της δομής του. Έπρεπε να περάσει αιώνας για να αναπτυχθούν οι χημικές γνώσεις, έτσι ώστε να προσφέρουν μια σταθερή βάση στις α.θ. Την αποφασιστική ανακάλυψη έκαμε ο Αντουάν Λαβουαζιέ, ο οποίος επαλήθευσε την αρχή της διατήρησης της μάζας κατά τη σειρά των πειραμάτων του πάνω στην καύση. Το να υποστηρίζει κανείς ότι «σε κάθε χημική αντίδραση η ποσότητα των σωμάτων που σχηματίζονται είναι ίση προς την ποσότητα των σωμάτων που αντέδρασαν» –ή, όπως λέγεται κοινά, «τίποτα δεν δημιουργείται, τίποτα δεν καταστρέφεται, τα πάντα μετασχηματίζονται»– ισοδυναμεί με το να λέει ότι, οποιεσδήποτε και αν είναι οι χημικές αντιδράσεις τις οποίες υφίσταται μια καθορισμένη ποσότητα ύλης, αυτή η ποσότητα παραμένει αμετάβλητη. Από την αρχή της διατήρησης της ύλης φτάνουμε στο σημαντικό συμπέρασμα ότι τα ά. μένουν αμετάβλητα κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχουν και ότι λόγω αυτού είναι δυνατόν πάντα να λάβουμε από τις ενώσεις τα στοιχεία που τις αποτελούν αν χρησιμοποιήσουμε κατάλληλες μεθόδους. Αυτό το συμπέρασμα για τις κοινές χημικές αντιδράσεις επιτρέπει την ποσοτική μελέτη των χημικών φαινομένων και μέσω αυτής τη διατύπωση των νόμων που καθορίζουν τις χημικές ενώσεις. Ο Λαβουαζιέ ήταν φανατικός ατομιστής και θεωρούσε ότι τα ά. αποτελούνται από έναν πάρα πολύ σκληρό πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από ένα νέφος θερμότητας. Αυτά τα ά. θα ήταν ακατάλυτα και θα παρέμεναν αμετάβλητα κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων που θα τα συνδύαζαν μεταξύ τους κατά ποικίλους τρόπους. Αυτή υπήρξε η ατομική άποψη που επέτρεψε να φτάσουμε στη διατύπωση των νόμων που ρυθμίζουν τις χημικές ενώσεις: του νόμου των καθορισμένων αναλογιών και του νόμου των πολλαπλών αναλογιών, που είναι συνδεμένοι με τα ονόματα του Προυστ και Ντάλτον αντίστοιχα. ά. και μόρια.Μια επόμενη πρόοδος για τη γνώση των αναλογιών κατά τις οποίες τα στοιχεία ενώνονται μεταξύ τους συντελέστηκε με την έκφραση του νόμου του Γκέι-Λουσάκ (1808): Σε μια χημική αντίδραση υπάρχει πάντα απλή κλασματική αναλογία μεταξύ των όγκων των αντιδρώντων αερίων. Το γεγονός ότι σε μερικές αντιδράσεις οι όγκοι των παραγόμενων αερίων σωμάτων δεν είναι ίσοι προς τους όγκους των αντιδρώντων σωμάτων ερχόταν σε αντίθεση προς την ατομική θεωρία. Τη φαινομενική αντίθεση μεταξύ των νόμου του Γκέι-Λουσάκ και της ατομικής δομής της ύλης εξομάλυνε με μεγάλη επιδεξιότητα ο Αβογκάντρο με τη θεμελιώδη διάκριση μεταξύ α. και μορίων. Σύμφωνα με την υπόθεση που διατύπωσε ο Αβογκάντρο το 1811 και, ακολούθως, αλλά ανεξάρτητα, ο Αντρέ Μαρί Αμπέρ το 1815 (Ίσοι όγκοι διάφορων αερίων κάτω από τις αυτές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης περιλαμβάνουν τον αυτό αριθμό μορίων) τα μόρια των αερίων δεν είναι τα τελευταία τμήματα της ύλης, αλλά είναι ακόμα διαιρετά σε στοιχειώδη μόρια (ά.). Αυτή η υπόθεση, που επαληθεύτηκε αργότερα πειραματικά και έγινε νόμος του Αβογκάντρο, επέτρεψε μια απλή ερμηνεία των αποτελεσμάτων του νόμου Γκέι-Λουσάκ, σύμφωνα και με τον νόμο του Ντάλτον. Έτσι, αποτέλεσε μια σημαντική συμβολή στην ατομική θεωρία. ατομικό βάρος. Η τελειοποίηση της αναλυτικής τεχνικής επέτρεψε, στις πρώτες δεκαετίες του 19ου αι., να προσδιοριστούν με ακρίβεια οι αναλογίες, κάτω από τις οποίες ενώνονται τα διάφορα στοιχεία και να καθοριστεί η ελάχιστη ποσότητα κάθε στοιχείου που εμφανίζεται στις ενώσεις του. Στην ποσότητα αυτή δόθηκε το όνομα α.β. Συμβατικά ορίστηκε το α.β. του υδρογόνου ίσο με 1 και τα α.β. των άλλων στοιχείων εκφράστηκαν σε συνάρτηση με αυτό, και, αργότερα, σε συνάρτηση με το α.β. του οξυγόνου που είναι 16. Κατά μεγάλο μέρος, αυτά τα αποτελέσματα ήταν έργα του Γενς Γιάκομπ Μπερτσέλιους, στον οποίο οφείλεται επίσης η εισαγωγή των σύγχρονων χημικών συμβόλων (1818), που είχαν και ποσοτική έννοια. Παρά τις θεωρητικές διατυπώσεις του Αβογκάντρο και του Αμπέρ και το πραγματικά κολοσσιαίο έργο που επιτέλεσε ο Μπερτσέλιους, κατά το δεύτερο μισό του 19ου αι., εξακολουθούσαν να υπάρχουν αβεβαιότητες ως προς τη διάκριση α. και μορίων και τον τρόπο προσδιορισμού των α.β. Αυτές τις αβεβαιότητες διέλυσε ο Στανίσλαος Κανιτσάρο, ο οποίος διαχώρισε οριστικά τις έννοιες του α. και του μορίου, επανεξέτασε κριτικά τις μεθόδους προσδιορισμού των α.β. και υπέδειξε τη σωστή τους χρήση (1858). Η αύξηση του αριθμού των γνωστών στοιχείων, χάρη και στις ανακαλύψεις που επέτρεψαν τη χρήση του φασματοσκοπίου του Ρόμπερτ Μπούνσεν και του Γκούσταφ Κίρχοφ, και ο συνεχώς ακριβέστερος προσδιορισμός των α.β., που προήλθε από την αποδοχή των ιδεών του Κανιτσάρο, επέτρεψαν την παρατήρηση κάποιας περιοδικότητας στη συμπεριφορά των στοιχείων. Αυτή την παρατήρηση συμπλήρωσε και γενίκευσε μεγαλοφυώς για όλα τα γνωστά στοιχεία ο Ντμίτρι Ιβάνοβιτς Μεντελέγεβ με τη σύνταξη του περιοδικού συστήματος των στοιχείων που φέρει το όνομά του (1867). Η ατομική θεωρία, παρά τις προόδους που είχαν επιτελεστεί σε περισσότερα από εβδομήντα χρόνια, κατά τα οποία αποδείχτηκε ικανή να παράσχει μια συνεκτική ερμηνεία των γνωστών χημικών φαινομένων, παράμενε πάντοτε απλή υπόθεση. Η διατύπωση της κινητικής θεωρίας των αερίων υπήρξε μια πρώτη ευτυχής προσπάθεια να ερμηνευτούν οι νόμοι των αερίων με την υπόθεση ότι αυτά είχαν ασυνεχή δομή και αποτελούνταν από πάμπολλα πολύ μικρά σωματίδια με συμπεριφορά ανάλογη προς τη συμπεριφορά σφαιριδίων τελείως ελαστικών. Η επιτυχία της κινητικής θεωρίας υπήρξε ένα ακόμα επιχείρημα υπέρ της ατομικής θεωρίας, δεν απόδειχνε όμως την ύπαρξη α. και μορίων. Τα επιχειρήματα υπέρ της θεωρίας συσσωρεύονταν, αλλά έλειπε η άμεση αποδείκνυε της ύπαρξης των α., επειδή έλειπαν οι κατάλληλες πειραματικές μέθοδοι για να καταδείξουν την ύπαρξη και τις ιδιότητές τους, καθώς και να προσδιορίσουν τις διαστάσεις και τη μάζα τους. Την ύπαρξη των μορίων απέδειξε οριστικά ο Αϊνστάιν (1905) και ο Ζ. Περέν (1908) με εργασίες τους πάνω στις κινήσεις Μπράουν. Με διάφορες μεθόδους βασισμένες στη μελέτη των ομογενών γαλακτωμάτων σφαιρικών σωματιδίων, μικροσκοπικών αιωρημάτων που εκτελούν μια κίνηση ανάλογη προς την κίνηση Μπράουν, ο Περέν πέτυχε κατά τον προσδιορισμό του αριθμού του Αβογκάντρο τιμές αρκετά κοντά με αυτές που υποδείκνυε η ατομική θεωρία. Η ασυνεχής δομή της ύλης έπαψε λοιπόν να είναι μια υπόθεση και έγινε μια αντικειμενική πραγματικότητα επιβεβαιωμένη και από το πείραμα. δομή του α.Παράλληλα προς τις έρευνες που προσπαθούσαν να αποδείξουν την ύπαρξη των α. και των μορίων, άρχισε να αναπτύσσεται κατά το τέλος του 19ου αι. ένας νέος τομέας έρευνας, ο οποίος απέκτησε γρήγορα τεράστια ανάπτυξη και σημασία: ο τομέας έρευνας γύρω από τη δομή του α. Γεγονότα γνωστά από καιρό, όπως η ηλεκτρόλυση και η ανακάλυψη και η μελέτη της αγωγιμότητας των αερίων, έκαναν τους επιστήμονες να υποθέσουν ότι τα ά. δεν ήταν αδιαίρετα σωματίδια, αλλά διέθεταν μια σύνθετη δομή. Κυρίως η ηλεκτρόλυση αποκάλυπτε την ύπαρξη ηλεκτρικών φορτίων στην ύλη και ο νόμος του Φαραντάι, ο οποίος καθόρισε μια σχέση μεταξύ χημικού ισοδυνάμου και ποσότητας ηλεκτρισμού, έκανε να σημειωθεί ότι σε κάθε μονάδα χημικής ισοδυναμίας αντιστοιχούσε ένα ορισμένο μοναδικό ηλεκτρικό φορτίο. Ήταν λοιπόν λογικό να υποτεθεί ότι και ο ηλεκτρισμός είχε ασυνεχή δομή, ακριβώς όπως και η ύλη. Ένα αποφασιστικό βήμα στον τομέα αυτόν έγινε με τη θεωρία της ηλεκτρολυτικής διάσπασης του Αρένιους (1888), η οποία έκανε γνωστό το ότι στους ισχυρούς ηλεκτρολύτες τα ιόντα υπάρχουν ως ξεχωριστά σωματίδια, φορτισμένα με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Η απόδειξη της σύνθετης δομής του α., την ύπαρξη της οποίας προανήγγειλαν τα προηγούμενα γεγονότα, έγινε από τους φυσικούς με την ανακάλυψη του σωματιδίου του αρνητικού ηλεκτρισμού (Περέν 1895, Τόμσον 1897) στο οποίο δόθηκε το όνομα ηλεκτρόνιο. Ο Τόμσον επίσης καθόρισε διαδοχικά την ταχύτητα και τον λόγο μάζας-φορτίου των ηλεκτρονίων. Από αυτόν τον λόγο και από επόμενα πειράματα, που επέτρεψαν να γίνει δεκτό ότι το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου ισούται με το φορτίο του μονοσθενούς ιόντος του υδρογόνου, συμπεραίνεται ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι ίση προς το 1/1845 της μάζας του α. του υδρογόνου, του ελαφρότερου από όλα τα ά. Στις αρχές του 20ού αι. αποδείχτηκε ότι τα ηλεκτρόνια είναι συστατικά των α., εντός των οποίων συνυπάρχουν με ισάριθμα θετικά φορτία (βλ. λ. ηλεκτρόλυση, ιόντα, φασματοσκόπιο). Την πρώτη προσπάθεια να περιγράψει τη δομή του α., λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία σε αυτό των σωματιδίων αρνητικού ηλεκτρισμού, αποτόλμησε ο Τόμσον. Αυτός φαντάστηκε το ά. ως μια ρευστή σφαίρα φορτισμένη θετικά, στο εσωτερικό της οποίας κινούνται τα ηλεκτρόνια. Αυτό το πρότυπο α., αν και εξηγούσε την ηλεκτρική ουδετερότητα των α., δεν άντεξε στην πειραματική επαλήθευση. το πρότυπο των Ράδερφορντ-Μπορ. Ένα πρότυπο α., που διέφερε ριζικά, περιέγραψε ο Έρνεστ Ράδερφορντ, ο οποίος θεωρούσε ότι τα ά. αποτελούνται από έναν κεντρικό πυρήνα φορτισμένο θετικά, γύρω από τον οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια (πυρηνικό ά.). Αυτό το πρότυπο του α., όμοιο με πλανητικό σύστημα, στο οποίο ο πυρήνας κατέχει τη θέση του Ήλιου και τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω του όπως οι πλανήτες, ονομάστηκε επίσης και πλανητικό ά. Η πειραματική επιβεβαίωση του πλανητικού προτύπου προήλθε από ένα πείραμα που επινόησε ο Ράδερφορντ και εκτέλεσε το 1911 μαζί με τον Γκάιγκερ: παρατηρώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων των παραγομένων από ένα ραδιενεργό σώμα και των α., διαπίστωσε ότι τα σωματίδια υφίστανται μια πολύ αισθητή εκτροπή. Το γεγονός αυτό μπορούσε να ερμηνευτεί με την υπόθεση του Ράδερφορντ αλλά όχι με την υπόθεση του Τόμσον. Πειραματικά προέκυψε ότι οι διαστάσεις του πυρήνα είναι της τάξης του 10^-13 εκ. (ένα δεκάκις τρισεκατομμυριοστό του εκατοστού), ενώ οι διαστάσεις του α., μέσα στο οποίο βρίσκεται, είναι της τάξης του 10^-8 εκ. (ένα εκατοντάκις εκατομμυριοστό του εκατοστού). Ο πυρήνας λοιπόν καταλαμβάνει πολύ μικρό χώρο, σε σύγκριση με τον συνολικό όγκο του α.: σ’ ένα ατομικό πρότυπο διαμέτρου 100 μ., ο πυρήνας θα απεικονιζόταν ως ένα σφαιρίδιο διαμέτρου ενός χιλιοστού. Η κύρια δυσχέρεια για την παραδοχή του ατομικού προτύπου του Ράδερφορντ ήταν η ακόλουθη: σύμφωνα με την κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία, ένα ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο κινείται κατά μήκος κλειστής τροχιάς, πρέπει να ακτινοβολεί συνεχώς ενέργεια, με συνέπεια να ελαττώνεται λίγο λίγο η κινητική ενέργειά του. Λόγω της απώλειας της κινητικής ενέργειας, οι ακτίνες των τροχιών που θα διαγράφουν τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα θα μειώνονται συνεχώς μέχρι να πέσουν τα ηλεκτρόνια επάνω στον πυρήνα. Αλλά στην περίπτωση των α., οι πιο ακριβείς μετρήσεις απέκλεισαν συνεχή ακτινοβολία ενέργειας από μέρους των κινούμενων ηλεκτρονίων και, από την άλλη πλευρά, αυτή η ίδια η ύπαρξη των α. απέδειχνε ότι τα ηλεκτρόνια δεν προσπίπτουν στον πυρήνα. Αυτή τη δυσχέρεια υπερπήδησε το 1913 ο Νιλς Μπορ, με την υπόθεση ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος τροχιών που προσδιορίζονται από ορισμένες ενεργειακές στάθμες, αυξανόμενες βήμα προς βήμα, καθώς απομακρυνόμαστε από τον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο δεν εκπέμπει (ή απορροφά) ενέργεια από συνεχή μορφή, αλλά μόνο κατά ασυνεχείς ποσότητες (βλ. λ. κβάντο) και η εκπομπή (ή η απορρόφηση) γίνεται όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά από μια τροχιά σε άλλη. Οι παραδεκτές τροχιές είναι περιορισμένες από έναν κβαντικό αριθμό, ο οποίος είναι ο αριθμός τάξης της τροχιάς. Από υπολογισμούς προέκυψε ότι η πρώτη κυκλική τροχιά έχει ακτίνα 0,5 x 10^-8 εκ., η δεύτερη βρίσκεται σε απόσταση 2² = 4 φορές μεγαλύτερη, η τρίτη σε απόσταση 9 φορές μεγαλύτερη, η τέταρτη σε απόσταση 16 φορές μεγαλύτερη κ.ο.κ. Σε κάθε τροχιά αντιστοιχεί μια στάθμη ενέργειας. Μια χονδροειδής αλλά παραστατική εικόνα της κατάστασης είναι η εξής: ας φανταστούμε ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται επάνω στα σκαλοπάτια μιας σκάλας· μπορούν να μεταπηδήσουν από το ένα σκαλοπάτι στο άλλο, αλλά δεν μπορούν να σταθούν ανάμεσα από δύο σκαλοπάτια. Αυτή η άποψη όχι μόνο δικαιολόγησε το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια δεν προσπίπτουν στον πυρήνα, αλλά και επέτρεψε μια λαμπρή ερμηνεία των φασμάτων των στοιχείων, δηλαδή των γραμμών διαφόρων χρωμάτων στις οποίες αναλύεται το φως που εκπέμπεται από ένα στοιχείο, το οποίο έχει πυρακτωθεί, όταν τούτο παρατηρηθεί με ένα φασματοσκόπιο. Εάν πράγματι τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια ακτινοβολούσαν συνεχώς ενέργεια, θα έπρεπε να είχαν συνεχές φάσμα, κάτι που αντίκειται στο πείραμα. Το γεγονός ότι η εκπομπή γίνεται μόνο όταν ένα ηλεκτρόνιο –το οποίο είχε προηγουμένως διεγερθεί και μεταπηδήσει σε τροχιά μεγαλύτερης ακτίνας– επιστρέψει στην τροχιά μικρότερης ακτίνας, εξηγεί την ασυνέχεια των φασμάτων. Όχι μόνο αυτό: το γεγονός ότι κάθε είδος α. είχε έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων, τα οποία μπορούσαν να εκτελέσουν ορισμένες μεταπηδήσεις σε δεδομένες συνθήκες (κι όχι άλλες) έδινε μια πειστική ερμηνεία του γεγονότος ότι τα φάσματα είναι χαρακτηριστικά κάθε στοιχείου, τόσο που αποτελούν μια σίγουρη μέθοδο αναλυτικού προσδιορισμού. Μια από τις μεγαλύτερες επιτυχίες του πρότυπου των Ράδερφορντ-Μπορ είναι η ερμηνεία του φάσματος του υδρογόνου, για το οποίο οι θεωρητικοί υπολογισμοί του Μπορ είχαν μια πολύ ικανοποιητική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. πρωτόνια και νετρόνια. Η διατύπωση από τον Φρέντερικ Σόντι (1911) της θεωρίας των ισοτόπων, δηλαδή των α. που είχαν τις ίδιες χημικές ιδιότητες αλλά διάφορες μάζες, και η ανακάλυψη των νόμων που ισχύουν μεταξύ δομής α., χημικών ιδιοτήτων και ατομικού αριθμού χάρη στο έργο του Χένρι Μόσλεϊ (1913) (το περιοδικό σύστημα έλαβε έτσι τη βαθύτερη σημασία του, εφόσον οι χημικές ιδιότητες των α. συνδέθηκαν με τη δομή τους) ήταν σημαντικές προσφορές στη μελέτη των α. Η πειραματική επαλήθευση της ύπαρξης των ισοτόπων, που έγινε από τον Φράνσις Γουίλιαμ Άστον το 1919 μέσω του φασματογράφου των μαζών, και η βεβαιότητα ότι όλοι οι πυρήνες των α. περιέχουν πυρήνες υδρογόνου έδωσαν ώθηση στην ιδέα πως όλη η ύλη αποτελείται από έναν ορισμένο αριθμό θεμελιωδών συστατικών, ίσο για όλα τα στοιχεία, τα οποία διακρίνονται μεταξύ τους μόνο από τον αριθμό των σωματιδίων που τα αποτελούν. Στον πυρήνα του υδρογόνου, πρωτεύον συστατικό της ύλης, ο Ράδερφορντ έδωσε το 1920 την ονομασία πρωτόνιο. Η εικόνα του α. πήρε έτσι μια σημαντική διαύγεια: γύρω από έναν πυρήνα ο οποίος αποτελείται από έναν μεταβλητό αριθμό πρωτονίων περιστρέφεται ένας ίσος αριθμός ηλεκτρονίων τοποθετημένων σε καθορισμένες τροχιές τα οποία εξουδετερώνουν το θετικό φορτίο. Η πειραματική επαλήθευση της ύπαρξης των ισοτόπων που έγινε από τον Άστον έθεσε ένα ερώτημα όσον αφορά τη δομή του πυρήνα· γιατί πυρήνες από τον ίδιο αριθμό θετικών φορτίων και συνεπώς της ίδιας χημικής συμπεριφοράς είχαν διάφορες μάζες; Από αυτό έβγαινε το συμπέρασμα ότι στους πυρήνες υπήρχε ένα σωματίδιο διάφορο των πρωτονίων. Για μια ακόμα φορά ο Ράδερφορντ πρότεινε τη σωστή υπόθεση: το 1920 διαβεβαίωνε ότι, πιθανότατα, στους πυρήνες εκτός από τα θετικά φορτισμένα σωματίδια υπήρχαν και άλλα ηλεκτρικά ουδέτερα. Το 1932 ο Τσάντγουικ, μαθητής του Ράδερφορντ, επαλήθευσε πειραματικά αυτή την πρόβλεψη. Στο νέο σωματίδιο δόθηκε η ονομασία νετρόνιο. το ά. των Μπορ-Σόμερφελντ. Παράλληλα προς τις έρευνες για τα σωματίδια που αποτελούσαν το ά. προχωρούσε η μαθηματική επεξεργασία της ατομικής δομής. Ο κβαντισμός των τροχιών, που πρότεινε ο Μπορ το 1913, αν και είχε σημαντικές επιτυχίες, φαινόταν ανεπαρκής να δικαιολογήσει πολλά πειραματικά δεδομένα, ο Άρνολντ Σόμερφελντ (1915-16) συμπλήρωσε την περιγραφή του Μπορ, θεωρώντας ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται μάλλον σε ελλειπτικές τροχιές παρά σε κυκλικές (η κυκλική τροχιά στην υπόθεση αυτή είναι μια μερική περίπτωση της ελλειπτικής με ίσους άξονες). Για να προσδιορίσει αυτές τις τροχιές εισήγαγε έναν κβαντικό αριθμό ο οποίος είναι το μέτρο της εκκεντρότητας της έλλειψης (αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός, που συμβολίζεται με το γράμμα l · Το 1 μπορεί να λάβει τιμές οι οποίες περιλαμβάνονται μεταξύ 0 και (n - 1). Για 1 = 0 έχουμε τη μέγιστη εκκεντρότητα και για l = (n - 1) έχουμε την ιδιαίτερη περίπτωση της κυκλικής τροχιάς. Ο Σόμερφελντ εισήγαγε ακόμα και έναν τρίτο κβαντικό αριθμό, τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό m, ο οποίος δείχνει την κλίση του επιπέδου της τροχιάς στον χώρο και μπορεί να λάβει τις τιμές που περιλαμβάνονται μεταξύ -l έως +l. Οι κβαντικοί αριθμοί που χαρακτηρίζουν ένα ηλεκτρόνιο ανέβηκαν στους τέσσερις όταν το 1924 ο Γκόουντσμιτ και ο Ίλενμπεκ διατύπωσαν την υπόθεση ότι τα ηλεκτρόνια έχουν περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονά τους και συνεπώς διαθέτουν μηχανική στροφορμή (spin) και μαγνητική ροπή. Τον ίδιο χρόνο ο Βόλφγκανγκ Πάουλι ανήγγειλε την περίφημη απαγορευτική αρχή, σύμφωνα με την οποία σε μια τροχιά δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια που να χαρακτηρίζονται από τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς. Η άμεση πειραματική επαλήθευση των κβαντικών καταστάσεων δόθηκε από τα πειράματα του Γιάκομπ Φρανκ και του Γκούσταφ Λούντβιχ Χερτς. Λόγω της αρχής του Πάουλι δεν μπορούν να υπάρχουν πάνω από 2n² ηλεκτρόνια με κβαντικό αριθμό n. Συνεπώς στην τροχιά με κβαντικό αριθμό n = 1 μπορούν να υπάρχουν το πολύ 2 x 1² = 2 ηλεκτρόνια· για n = 2 υπάρχουν 2 x 2² = 8 ηλεκτρόνια· για n = 3 υπάρχουν 18 ηλεκτρόνια και ούτω καθεξής. Η περιγραφή του α. σύμφωνα με το πρότυπο των Μπορ-Σόμερφελντ και η απαγορευτική αρχή του Πάουλι επιτρέπουν να δοθεί μια καθαρή ερμηνεία του περιοδικού συστήματος των στοιχείων και της χημικής τους συμπεριφοράς. Πράγματι, η πρώτη περίοδος περιλαμβάνει στοιχεία με κβαντικό αριθμό n = 1 που μπορούν να έχουν το πολύ μέχρι δύο ηλεκτρόνια. Το πρώτο στοιχείο, το υδρογόνο, έχει ένα ηλεκτρόνιο, το δεύτερο, το ήλιο, έχει δύο και συνεπώς η πρώτη ηλεκτρονική στιβάδα είναι συμπληρωμένη. Η δεύτερη περίοδος περιλαμβάνει τα στοιχεία, των οποίων τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν, εκτός από την πρώτη, και τη δεύτερη στιβάδα. Το πρώτο στοιχείο της δεύτερης περιόδου είναι το λίθιο, με δύο ηλεκτρόνια στην πρώτη στιβάδα, η οποία είναι έτσι συμπληρωμένη, και ένα ηλεκτρόνιο στη δεύτερη· ακολουθούν το βηρύλλιο, με πλήρη την πρώτη στιβάδα και με δύο ηλεκτρόνια στη δεύτερη, το βόριο, με τρία ηλεκτρόνια στη δεύτερη στιβάδα, ο άνθρακας, με τέσσερα ηλεκτρόνια, το άζωτο με πέντε, το οξυγόνο με έξι, το φθόριο με επτά και τέλος το νέο με οκτώ ηλεκτρόνια στη δεύτερη στιβάδα, η οποία έτσι είναι συμπληρωμένη. Τα στοιχεία της τρίτης περιόδου, εκτός από την πρώτη και δεύτερη στιβάδα που τις έχουν συμπληρωμένες, έχουν ηλεκτρόνια κατανεμημένα στην τρίτη στιβάδα: ένα το νάτριο, δύο το μαγνήσιο, τρία το αλουμίνιο, τέσσερα το πυρίτιο, πέντε ο φωσφόρος, έξι το θείο, επτά το χλώριο, οκτώ το αργό. Αν και στο αργό η τρίτη στιβάδα δεν είναι πλήρης (μπορούσε πράγματι να περιλάβει έως 18 ηλεκτρόνια), η παρουσία οκτώ ηλεκτρονίων σε αυτή προσδίδει στο αργό ιδιαίτερη ευστάθεια και χημική αδράνεια. Το ήλιο, το νέο και το αργό είναι τα πρώτα στοιχεία της ομάδας των ευγενών αερίων τα οποία ονομάστηκαν έτσι επειδή δεν αντιδρούν με κανένα στοιχείο. Το επόμενο ευγενές αέριο είναι το κρυπτό με 2 ηλεκτρόνια στην πρώτη στιβάδα, 8 στη δεύτερη, 18 στην τρίτη και 8 (διάταξη ελλιπής αλλά πολύ σταθερή) στην πέμπτη· ακολουθούν το ξένο με 54 ηλεκτρόνια, το ραδόνιο με 86 ηλεκτρόνια. Μεταξύ του αργού και του κρυπτού υπάρχει μια περίοδος με 18 στοιχεία· μια άλλη περίοδος με 18 στοιχεία βρίσκεται μεταξύ του κρυπτού και του ξένου. Μεταξύ του ξένου και του ραδονίου υπάρχει μια μεγάλη περίοδος (32 στοιχεία)· μετά το ραδόνιο η θεωρία προβλέπει άλλη μια πολύ μεγάλη περίοδο με 32 στοιχεία: το φράγγιο, το ράδιο, το ακτίνιο, το θόριο, το πρωτοακτίνιο και το ουράνιο βρίσκονται στη φύση· η κατασκευή στο εργαστήριο υπερουράνιων στοιχείων επιβεβαίωσε τις θεωρητικές προβλέψεις των επιστημόνων. Η εξάρτηση της χημικής συμπεριφοράς του α. από την εξωτερική διάταξη των ηλεκτρονίων δικαιολογεί την κατάταξη των στοιχειών στο περιοδικό σύστημα· στοιχεία με παρόμοια εξωτερική ηλεκτρονική διάταξη αποτελούν μέλη της ίδιας ομάδας. Η ερμηνεία της χημικής αδράνειας των ευγενών αερίων πρέπει να αναζητηθεί στο γεγονός ότι οι χημικοί δεσμοί οφείλονται στα περιφερειακά ηλεκτρόνια των α. Ακριβέστερα, τα ά. που έχουν 1, 2, 3 ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα τείνουν να χάσουν αυτά, όταν φορτιστούν θετικά· τα ά. που έχουν 4 ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα μπορούν είτε να χάσουν 4 ηλεκτρόνια είτε να προσλάβουν 4. Είναι η τυπική περίπτωση του άνθρακα που χάνει 4 ηλεκτρόνια όταν ενώνεται με 2 ά. οξυγόνου για να σχηματίσει το διοξείδιο του άνθρακα και προσλαμβάνει 4 όταν ενώνεται με 4 ά. υδρογόνου για να σχηματίσει μεθάνιο. Τα στοιχεία που έχουν 5, 6 και 7 ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα τείνουν συνήθως να προσλάβουν 3, 2, 1 ηλεκτρόνια για να τη συμπληρώσουν. Αντιδρούν με στοιχεία που έχουν έντονη τάση να χάσουν ηλεκτρόνια και έτσι μπορούν να συλλάβουν τα ηλεκτρόνια αυτά. Υπάρχουν και άλλοι τύποι χημικών δεσμών, στους οποίους τα ά. δεν δίνουν ούτε προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια. Τα ά. τα οποία έχουν όλες τις στιβάδες που καταλαμβάνουν συμπληρωμένες ή έχουν 8 ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα δεν τείνουν ούτε να χάσουν ούτε να προσλάβουν ηλεκτρόνια και συνεπώς δεν ενώνονται με άλλα ά. κυματομηχανική. Η εφαρμογή της θεωρίας των Μπορ-Σόμερφελντ στην περιγραφή των εξωτερικών τμημάτων ενός α. είχε έναν ορισμένο αριθμό επιτυχιών, μεταξύ των οποίων πρέπει να σημειωθεί ιδιαίτερα η ερμηνεία του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια δεν χάνουν ενέργεια κατά την περιστροφική τους κίνηση ούτε προσπίπτουν στον πυρήνα καθώς και η επεξήγηση των γραμμών του φάσματος του υδρογόνου. Η προσπάθεια επέκτασης των ίδιων αρχών ερμηνείας και στις γραμμές των φασμάτων στοιχείων πιο σύνθετων από το υδρογόνο προσέκρουσε σε σοβαρές δυσχέρειες που καθιστούσαν αναγκαία την υιοθέτηση νέων απόψεων. Η επεξεργασία της κυματομηχανικής από τον Λουί ντε Μπρολί (1925) και της κβαντομηχανικής από τους Έρβιν Σρέντινγκερ, Μαξ Μπορν και Βέρνερ Χάιζενμπεργκ μέχρι της διατύπωσης της αρχής της απροσδιοριστίας από τον τελευταίο επέτρεψε μια πάντα ικανοποιητικότερη περιγραφή και πιστότερη στα πειραματικά εξαγόμενα των ατομικών προτύπων. Η έννοια της τροχιάς, που εννοείται ως καθορισμένη τροχιά του ηλεκτρονίου, όπως την είχε συλλάβει ο Μπορ, κατέπεσε· διατήρησε όμως την ισχύ η έννοια της ενεργητικής στάθμης, που χαρακτηρίζεται από τον κβαντικό αριθμό n. Συνεπώς, όσον αφορά στις διατάξεις των ηλεκτρονίων του α., είναι ακριβέστερο να μιλούμε για στιβάδες ή στάθμες παρά για τροχιές. Το πλανητικό πρότυπο ως πρότυπο πρώτης προσέγγισης διατηρεί την ισχύ του, αλλά πρέπει να εγκαταλειφθεί η εικόνα η οποία παρουσιάζει τα σωματίδια που αποτελούν το ά. ως ελάχιστα τμήματα ύλης με όλες τις ιδιότητες που θα είχε, για παράδειγμα, ένας κόκκος σκόνης. Συμπερασματικά, η εικόνα του α. είναι η εικόνα ενός οικοδομήματος που αποτελείται από έναν πυρήνα σχηματισμένο από πρωτόνια και νετρόνια (εκτός από τον πυρήνα του υδρογόνου που αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο), γύρω από τον οποίο, σε σαφώς διακεκριμένες ενεργητικές στάθμες, κινούνται τόσα ηλεκτρόνια όσα είναι τα πρωτόνια του πυρήνα. Αυτή η εικόνα του α. μπορεί να θεωρηθεί ορθή με καλή προσέγγιση, αν και τις τελευταίες δεκαετίες οι μελέτες γύρω από τον πυρήνα κατέληξαν στην αναγνώριση μιας περίπλοκης δομής για την οποία ούτε υπόνοιες δεν υπήρχαν προηγουμένως. ατομικός αριθμός. Ο αριθμός που καθορίζει τις χημικές ιδιότητες ενός στοιχείου και τη θέση του στο περιοδικό σύστημα των στοιχείων. Συμβολίζεται με Ζ και είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα του α. ή τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τον πυρήνα του ουδέτερου α. Το φορτίο του πυρήνα είναι ίσο με Ζ e, όπου e το στοιχειώδες θετικό φορτίο, με απόλυτη τιμή ίση με το φορτίο του ηλεκτρονίου. Όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς. ατομική μονάδα ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια ενός ηλεκτρόνιου που βρίσκεται στην πρώτη τροχιά, σύμφωνα με τη θεωρία του Μπορ για το ά. υδρογόνου. Είναι ίση με e²/α₀ όπου e το φορτίο του ηλεκτρονίου και α₀ η ατομική μονάδα μήκους. Μερικές φορές καθορίζεται ως το μισό της παραπάνω τιμής, που ισούται με το δυναμικό ιονισμού του α. υδρογόνου. Φωτογραφία του πεδίου ενός μικροσκοπίου με ιόντα, στο οποίο τα άτομα της αιχμής μιας βελόνας τουνγκεστενίου, μεγεθυσμένα δύο εκατομμύρια φορές, φαίνονται φωτεινά (φωτ. Igda). Πειραματικός αντιδραστήρας στην έρημο της Νεβάδα των ΗΠΑ. Η βίαιη εκτόξευση του παραγόμενου υδρογόνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προώθηση στο διάστημα. Η ειρηνική εφαρμογή της ατομικής ενέργειας επέτρεψε, μεταξύ άλλων, τη ναυπήγηση εμπορικών σκαφών με πολύ μεγάλη αυτονομία. Στη φωτογραφία, το αμερικανικό «Σαβάνα», το πρώτο πλοίο που κινήθηκε με ατομική ενέργεια. Εσωτερική όψη του πυρήνα ενός αντιδραστήρα, βυθισμένου στη χαρακτηριστική φωταύγεια την οποία εκπέμπουν τα σωματίδια που επιβραδύνονται από το νερό, κατά το φαινόμενο Τσερένκοφ (φωτ. Usis). Σχήμα των «δυνατών», κατά τον Μπορ, ηλεκτρονικών τροχιών και κατανομή των ηλεκτρονίων επ’ αυτών. Σημειώνεται ότι οι τροχιές είναι κυκλικές. Οι κόκκινοι αριθμοί δηλώνουν τις τιμές που λαμβάνει ο κύριος κβαντικός αριθμός n: υποδεικνύουν την τάξη της τροχιάς με αφετηρία την εσώτατη. Τα γράμματα είναι εκείνα που συμβολίζουν συνήθως τις στιβάδες. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων που μπορεί να περιλάβει μια στιβάδα ισούται με 2n2, όπου n ο κύριος κβαντικός αριθμός.

* * *

το (Α ἄτομον, ουδ. ως ουσ. του επιθ. ἄτομος)

νεοελλ.

1. ένας άνθρωπος, σε αντίθεση με την ομάδα

2. η μικρότερη μονάδα ενός χημικού στοιχείου που διατηρεί τη στοιχειακή ταυτότητά της

αρχ.

το μικρότατο, άτμητο κομμάτι της ύλης.

[ΕΤΥΜΟΛ. Το ουδ. του επιθ. άτομος* ως ουσ. Η λ. με τη νεοελλ. σημασία της μαρτυρείται σε πατριαρχικό έγγραφο του έτους 1804 ως απόδοση του γαλλ. individu, personne].