Ova tema bit će posvećena sastavnim dijelovima svakog atoma - elektronima, protonima i neutronima. Nešto o svakoj od navedenih subatomskih čestica, morao bi znati svatko koga intenzivnije zanima kemija. Za početak, čini mi se da ne bi bilo loše navesti kako je svaka od čestica otkrivena:
ElektronIako je povijest vezana uz otkriće elektrona opširna, jedan od najvažnijih eksperimenata koji su doveli do otkrića elektrona je eksperiment sa katodnom ili Braunovom cijevi.
U tom eksperimentu se provodi elektrika kroz vrlo razrijeđene plinove u katodnoj cijevi, te pri tome nastaju nevidljive zrake koje se od katode šire u pravcu i pod čijim utjecajem brojne tvari fluoresciraju (vidi se na fotografiji iznad, s desne strane). Taj eksperiment je 1897. izvršio Joseph John Thomson, te je nastale zrake nazvao katodnim zrakama.
Thomson je odredio brzinu kretanja katodnih zraka i omjer između naboja i mase, odnosno specifični naboj. Za to je korištena posebna katodna cijev u kojoj je omogućeno djelovanje električnog i magnetnog polja na katodne zrake. Dok nije uključeno magnetno polje (koje je inače položeno okomito na smjer električnog polja) niti električno polje, tada katodna zraka pada okomito na fluorescentni zastor. Ako se uključi magnetno polje poznate jakosti, zraka skrene razmjerno gustoći magnetnog polja. Ako se aktivira električno polje, tako da ono upravo uravnoteži djelovanje magnetnog polja, zraka poprima svoj prvobitni okomiti smjer. U tom slučaju sila pod utjecajem magnetnog polja i sila pod utjecajem električnog polja jednake su, te se iz njih može izračunati brzina katodnih zraka, koja iznosi oko 1/6 brzine svjetlosti.
Izjednačavajući energiju koju u električnom polju dobije elektron (e*U) sa kinetičkom energijom elektrona, dobio je specifični naboj elektrona, odnosno omjer njegovog naboja i mase, koji iznosi oko 1.759 x 10
8 C/g.
Dvanaest godina kasnije (1909.), Robert Andrews Millikan je napravio eksperiment s uljnim kapljicama, kojim je odredio naboj elektrona. On je među vodoravne kondenzatorske ploče puhaljkom raspršio nešto ulja tako da nastanu sitne kapljice. Nakon toga je rendgenskim zrakama ionizirao zrak između kondenzatorskih ploča. Nastali električno nabijeni elektroni skupili su se oko uljnih kapljica i nabili ih električnim nabojom. Kada je na ploče kondenzatora stavljen napon, električki nabijene kapljice ulja više se nisu kretale samo pod utjecajem sile teže, već i pod utjecajem električnog polja. Iz promjera i brzine kapljice te iz jakosti električnog polja, Millikan je izračunao da je električni naboj zapravo cjelobrojni umnožak od 1.6 x 10
-19 C, a ta vrijednost je zapravo naboj jednog elektrona. Nakon te spoznaje, masa elektrona je jednostavno izračunata zahvaljujući ranije određenom specifičnom naboju elektrona, te ona iznosi 9.109 x 10
-31 kg.
Nakon što je masa elektrona postala poznata, približnim izjednačavanjem iznosa energije prema Einsteinovoj jednadžbi sa električnom potencijalnom energijom dobivena je jednadžba pomoću koje je izračunat i polumjer elektrona.
Uvrštavaljem svih vrijednosti dobiveno je da polumjer elektrona približno iznosi 2.82 x 10
-15 m.
ProtonTijekom 1886. godine, Eugen Goldstein je primjetio da u katodnoj cijevi nastaju i zrake koje se šire od anode, tj. pozitivnog pola, i prolaze kroz katodu ako je ona probušena tako da kroz nju prolaze kanali. Zbog toga su te zrake prvobitno nazvane kanalnim zrakama.
Ispitivanjem takvih kanalnih zraka u magnetnom i električnom polju, analogno kao i kod katodnih zraka, ustanovljeno je da se radi o pozitivno nabijenim česticama kod kojih je omjer električnog naboja i mase čestice mnogo manji nego kod elektrona. Kad se u cijevi nalazi vodik, čestice dobivenih kanalnih zraka nose pozitivan naboj koji je jednak, ali suprotan naboju elektrona. Masa pak čestica koje čine kanalne zrake skoro je jednaka masi atoma vodika, pa se prema tome moglo zaključiti da se zapravo radi o atomskoj jezgri vodika, koju je Ernest Rutherford nazvao protonom.
NeutronOtkriću neutrona prethodili su slični zaključci nekoliko znanstvenika kao što su William Crookes, Joseph John Thomson i Frederick Soddy. Oni su uvidjeli da svi atomi istog elementa nemaju uvijek istu masu, nego među pojedinim atomima postoje određene razlike iako većinom imaju jednaka ili barem slična kemijska svojstva. Takvi atomi istog elementa koji se razlikuju po masi, nazivaju se izotopima.
S obzirom da je ranije utvrđeno da je broj protona u jezgri konstantan i poseban za svaki element, James Chadwick je došao do zaključka da u jezgri mora postojati još jedna vrsta čestica koja nije električki nabijena, ali ima određena masu. Uz to, utvrdio je i da je masa neutrona neznatno viša od mase protona.
Nakon toga, konačno je stvorena potpunija slika o strukturi atomske jezgre - ona je sastavljena od protona i neutrona.
Pri tome je masa atoma jednaka zbroju masa protona i neutrona koji su prisutni u jezgri (maseni udio elektrona zanemarivo je mali u usporedbi s masenim udjelom čestica u jezgri). Razultat zbrajanja broja protona i neutrona u jezgri je maseni broj, A. Naboj jezgre jednak je broju protona koje ta jezgra sadrži - taj broj odgovara i vrijednosti atomskog broja, Z.
Broj elektrona koji se nalazi u elektronskom oblaku pojedinog atoma jednak je broju protona koje sadrži jezgra tog atoma.
Izvori: Filipović, Lipanović - Opća i anorganska kemija D-Kuru/Wikimedia Commons (fotografija katodne cijevi)
Elektroni, protoni i neutroni