Frumeind

Úr Wikipediu, frjálsa alfræðiritinu
Stökkva á: flakk, leita
Mynd þessi var tekin með smugsjá og sýnir gull frumeindir á (100) yfirborði gullmálms. Hringlaga punktarnir eru hver ein gull frumeind.

Frumeind eða atóm er smæsta aðgreinanlega eining frumefnis, sem jafnframt hefur efnafræðilega eiginleika þess til að bera. Frumeind er þannig grundvallareining efna og helst óbreytt í efnahvörfum.

Hver frumeind samanstendur af þremur gerðum einda:

Eiginleikar[breyta]

Eiginleikar frumeinda eru ákvarðaðir aðallega út frá kjarna og rafeindaskýi þeirra, þar má nefna massa, hleðslu, kjarnakraft, geislun, seguleiginleika og ástand þeirra.

Frumeind má einnig skipta í tvo hluta: kjarna og rafeindasvigrúm. Rafeindasvigrúmið hýsir allar rafeindir frumeindarinnar og mynda rafeindirnar ský um kjarnann. Kjarninn samanstendur af róteindum og nifteindum. Frumeind er sögð vera óhlaðin ef fjöldi róteinda og rafeinda er jafn. Annars kallast hún jón, og hefur jákvæða rafhleðslu ef róteindir eru fleiri en rafeindirnar, annars neikvæða hleðslu. Þótt ómögulegt sé samtímis að ákvarða bæði hraða og staðsetningu einstakra rafeinda nákvæmlega, má skipta rafeindaskýinu upp í hvolf eftir orkustigi rafeindanna. Hvolfin samsvara þá fjarlægð frá kjarnanum, þar sem hærra orkustig merkir meiri fjarlægð frá kjarnanum. Rafeindirnar leitast við að fylla orkulægri hvolfin, en hvert hvolf getur aðeins rúmað ákveðinn fjölda skv. reglunni 2n2 þar sem n er raðtala hvolfsins talið frá kjarna. Rafeindir sem sitja yst í tiltekinni frumeind nefnast gildisrafeindir og hafa mest áhrif á efnafræðilega hegðun hennar. Þær gegna lykilhlutverki í að binda frumdeindir saman og þannig mynda sameindir. Efnishlutur sem eingöngu er gerður úr einni tegund frumeinda kallast frumefni.

Sætistala frumefna ræðst af fjölda róteinda. Frumeindir sem hafa sömu sætistölu geta haft ólíkan fjölda nifteinda, þessar eindir eru kallaðar samsætur. Dæmi um þær eru til dæmis:

  • 1H og 2H, hafa sætistöluna 1
  • 12C og 13C, hafa sætistöluna 6

Kjarni[breyta]

Hvert atóm hefur kjarna sem samanstendur af kjarneindunum róteind og nifteind. Þessum eindum er haldið saman af sterka kjarnakraftinum. Radíus kjarnans er u.þ.b. \begin{smallmatrix}1.07 \cdot \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix}  fm þar sem A er fjöldi kjarneinda í kjarnanum. Þessi stærð er mun minni en heildar radíus atómsins sem er á stærðargráðunni 105 fm, þannig að kjarninn er aðeins brotabrot af heildar stærð atómsins en næstum allur massi atómsins er bundinn í kjarnanum, massi rafeindanna er mun minni er massi kjarnans og yfirleitt ekki tekinn með í útreikningum sem varða atómið í heild.

Kjarneindirnar eru fermíeindir og því gildir einsetulögmál Paulis um þær. Þ.e. hver róteind er með sér skammtaástand og deilir því ástandi ekki með annarri róteind, sama gildir um nifteindirnar en þar sem þessar tvær kjarneindir hafa mismunandi hleðslu þá gildir einsetulögmálið ekki á milli þeirra.

Fjöldi róteinda ákvarðar sætistölu atómsins og þar með stöðu atómsins innan lotukerfisins. Hvert atóm getur haft mismunandi samsætur þar sem fjöldi nifteinda getur verið mismunandi en fjöldi kjarneinda ákveða kjarnagerðina.

Rafeindasvigrúm[breyta]

Fyrstu fimm rafeindasvigrúmin.

Umhverfis kjarnann eru rafeindir. Þessar rafeindir skiptast niður í svokölluð rafeindasvigrúm, sjá má fyrstu fimm svigrúmin á mynd hér til hliðar. Rafeindasvigrúmin hafa ákveðið rúmmál, sem eru háð skammtafræðilegum eiginleikum rafeindanna og eru þær að finna innan þessa rúmmáls en nákvæmlega hvar innan þess er ómögulegt að ákveða með tilraunum eða útreikningum (sjá óvissulögmál Heisenbergs), aðeins líkindi á staðsetningu og hraðavigur rafeindarinnar er hægt að reikna með skammtafræðilegum útreikningum. Rafeindasvigrúmin eru kyrrstæð m.t.t. kjarna frumeindarinnar.

Saga[breyta]

Grískir heimspekingar komu fyrst með þá kenningu að allt efni væri gert úr ódeilanlegum eindum og nefndu þeir þessar eindir atomos sem samanstendur af a, sem er neitandi forskeyti og tomos, skurður, sem sagt, eitthvað sem ekki er hægt að skera eða deila og lýsti þetta trú þeirra um eðli þessara einda (atomos=ódeili). Demókrítos frá Abderu er sérstaklega kenndur við þessa kenningu. Hér ber að undirstrika að þessar fyrstu hugmyndir um ódeilanlegar frumeindir eru í mikilsverðu tilliti frábrugðnar hugmyndum nútímamanna. Grísku frumeindasinnarnir hugsuðu sér að frumeindirnar væru í raun allar gerðar af sama efni en að þær aðgreindust í óendanlegan fjölda tilbrigða eftir stærð og lögun, þar sem eindir af hverju tilbrigði/tegund áttu að vera eilífar og óbreytanlegar. Stærð (þó alltaf örsmá) og lögun eindanna átti að ákvarða efnafræðilega eiginleika þeirra. Þetta áttu að vera grunneiningar alls hversdagsleg efnis, sem yfirleitt er hrærigrautur einda af mismunandi gerðum. Þó fyrirfinnast efnishlutir sem samanstanda eingöngu af eindum af tiltekinni gerð, sem átti t.d. að gilda um vatn, loft og eld. Þannig var hægt að tala um frumefni, þ.e.a.s efni sem samanstæði aðeins af eindum af tiltekinni gerð. En það er m.a. þetta atriði sem tengir þessi fornaldarfræði við nútíma hugmyndir um frumeindir.

Bohr líkanið af atóminu þar sem rafeindirnar ferðast innan ákveðinna hvela og orka færir rafeindir á milli hvelanna

Spurningin um tilvist frumeinda/ódeila var mjög umdeild allt frá fornöld og fram á seinni hluta 19. aldar. Spurningin var alltaf nátengd efnafræði og snérist um það hvort frumefni væru til og þá hvort tiltekið frumefni samanstæði af ódeilanlegum frumeindum. Smá saman tókst þó að renna stoðum undir kenninguna um tilvist frumefna, t.d. með uppgötvun fosfórs á 17. öld og síðar súrefnis á 18. öld. Árið 1808 setti John Dalton síðan fram þá kenningu að frumefni væru samsett af einni gerð frumeinda, sem líkt og frumeindir Demokrítosar væru óbreytanlegar í lögun og byggingu. Önnur efnasambönd mætti síðan fá fram með því að blanda ólíkum frumefnum saman. Um miðja 19. öld vann rússneski efnafræðingurinn Mendelejevs við að setja upp töflu eða kerfi frumefna sem byggðist á upplýsingum um atóm massa frumefna, en menn höfðu ekki hugmynd um innri gerð atóma á þessum tíma. Þetta kerfi kallast lotukerfi.

Af þessu má ljóst vera að það var skilgreiningar atriði um frumeindir/atóm að þær væru ókljúfanlegar, sbr. nafnið atomos. Það er því dálítið kaldhæðnislegt að þær tilraunir og uppgötvanir sem loks leiddu til þess að frumeindirnar voru teknar í sátt, sýndu beinlínis að frumeindirnar voru kljúfanlegar. Með uppgötvun rafeindarinnar undir lok 19. aldar fóru menn að velta því fyrir sér hvort atómið væri samansett úr fleiri eindum og voru það einna helst uppgötvanir J. J. Thomson, Henri Becquerel og Ernest Rutherford sem ruddu brautina í þeim efnum. 1896 uppgötvaði Becquerel geislavirkni og ári síðar uppgötvaði Thomson rafeindina. Rutherford tilkynnti svo um uppgötvun kjarnans 1911. Allan þennan gerjunartíma veltu menn því fyrir sér hvernig frumeindir væru uppbyggðir og hvernig þær viðhéldu stöðugleika. Loks árið 1913, tókst Niels Bohr að setja fram líkan fyrir vetnisfrumeindina, sem skapaði grundvöll fyrir áframhaldandi starf og skilning á byggingu frumeinda. Ekki náðust myndir af atómum fyrr en á 20. öld með tilkomu rafeindasmásjárinnar.

Heimild[breyta]