Atomet - Arkitektur og kerne

Atomerne er de byggesten vi foretrækker at starte med. Det er ikke den mindste af byggestenene i naturen, og vi skal se på komponenterne i atomet, men det er en god håndterlig størrelse som de fleste mennesker kan forholde sig til.

Den korte beskrivelse af et atom er, at det er kugleformet og består af en positivt ladet kerne og negativt ladede elektroner, som bevæger sig rundt om kernen. Det der giver forskellen på atomerne er det der er i kernen og hvordan elektronerne bevæger sig rundt om kernen. Lad os se nærmere på hvordan det fungerer.

Hvis vi starter med det mest simple i atomet, har vi protonerne. Alle atomer har protoner; de er den enhed i atomets kerne der definerer atomet. En proton er en kugleformen enhed med en positiv ladning, og antallet af protoner i kernen er det der definerer grundstofferne. Én proton er hydrogen, seks protoner og det er carbon, 26 protoner og det er jern, og så fremdeles.

I kernen, sammen med protonerne er neutronerne. Neutroner er kugleformede enheder uden ladning, og de er isoleringsmaterialet i kernen. Hvis kernen indeholder mere end én proton, vil protonernes positive ladninger frastøde hinanden og dele kernen, hvis der ikke er noget til at isolere ladningerne. I modsætning til protonerne, er der ikke et fast antal neutroner i kernen, men der er en begrænsning på antallet af neutroner der må være i kernerne. Et grundstof kan eksistere i flere versioner med forskellige antal neutroner i kernerne. Disse versioner kaldes isotoper. At ændre antallet af neutroner i kernen, ændrer ikke atomets egenskaber, ud over vægten og muligvis kernens stabilitet. Det vender vi tilbage til. Protoner og neutroner kaldes samlet for nukleoner.

Hvordan formulerer vi dette på skrift?

Lad os starte med den simpleste tilgængelige kerne: Én proton. Dette er grundstoffet hydrogen i sin simpleste form, og skrives som

1

1

H. Det øverste 1 indikerer at der er én nucleon i kernen, og det lavtstillede 1 indikerer at der er én proton i kernen, dvs. der er ingen neutroner i denne kerne. Dette er det eneste grundstof, som ikke skál have neutroner i kernen, da der ikke er andre positive ladninger i kernen. I alle andre grundstoffer vil der altid findes neutroner

At det ikke er nødvendigt med neutroner i kernen, er imidlertid ikke det samme som at der ikke er nogen. Hydrogen har en isotop som hedder deuterium. Deuterium skrives som

2

1

H, hvilket betyder at det er et hydrogenatom med to nucleoner. En af dem må være en proton, ellers ville det ikke være hydrogen, så denne isotop har én neutron. På samme måde, må isotopen tritium,

3

1

H, være et hydrogenatom med to neutroner.

Ofte skrives grundstofferne som ¹H, da det nederste tal er overflødig information. Man kan ikke have et hydrogenatom med et andet antal protoner end én; det ville være et andet grundstof. I visse dele af fysikken giver det mening at have tallet som et værktøj, men i kemi er det faktisk bedre hvis det udelades.

Når protoner og neutroner pakkes i kernen, er det ikke alle kombinationer der fungerer lige godt, og der er nogle begrænsninger i den samlede størrelse af kernen. For hydrogen fungerer 0 og 1 neutron fint. Ved 2 eller flere neutroner i hydrogenets kerne, bliver kernen ustabil og falder fra hinanden. Dette kaldes spaltning. Disse er almindelig kendt som radioaktive isotoper. Ved 83 protoner, hvilket er grundstoffet bismut, er der en naturlig grænse for hvor mange protoner der kan være i en kerne, og stadig være stabil. Alle grundstoffer fra polonium (grundstof nr. 84) og opefter har ingen stabile isotoper.

De isolerede antal af protoner og neutroner i kernen er ikke den eneste faktor i stabiliteten. Forholdet mellem protoner og neutroner er også vigtigt. Technetium og promethium kan, selv om de har hhv. 43 og 61 protoner, slet ikke danne stabile isotoper, og f.eks. brom er stabilt som ⁷⁹Br, ustabilt som ⁸⁰Br, og stabilt igen som ⁸¹Br.

Som vi har skrevet isotoperne til nu, har det været isotoperne i deres grundtilstand, dvs. deres laveste energiniveau. Nogle isotoper kan eksistere i eksiterede tilstande, der er så stabile, at man kan måle på dem. Har man eksiterede isomerer af en isotop, tilføjer man et m til isotoptallet. Der er således både et ⁷⁹Tc og et ^79mTc. Har man flere eksiterede tilstande af isotopen, kaldes de m1, m2, osv. med stigende energiniveau. ¹⁷⁸Hf findes således i grundtilstanden ¹⁷⁸Hf og de to eksiterede tilstande ^178m1Hf og ^178m2Hf.


Hvorfor er dette vigtigt?
Det er der flere grunde til:

1. Radioaktivitet, som er et biprodukt af at de ustabile isotoper spaltes, er farligt, hvis det ikke håndteres på den rigtige måde.
2. Ustabile isotoper der spaltes, frigiver energi. Det er det der udnyttes i atomkraft, hvor uran-isotopen ²³⁸U nedbrydes.
3. Der er en stor forskel i hvor ustabile isotoperne er, hvilken type radioaktivitet de afgiver, og hvor meget energi der frigives, når de spalter. Isotopen ²³⁵U, som er mere almindelig end ²³⁸U, er ustabil, men ikke nok til at være brugbar til atomenergi, hvilket er grunden til at man bruger ²³⁸U.
4. De ustabile isotoper har samme kemiske egenskaber som de stabile isotoper, indtil de spalter. Ustabile isotoper med lang levetid og lav radioaktivitet som f.eks. phopshorisotopen ³²P kan derfor bruges til at følge kemiske eller biologiske reaktioner. Hvis man f.eks. fodrer en mus med ³²P-mærket medicin (dvs. nogle af de stabile phosphoratomer er skiftet ud med den radioaktive isotop), kan man ved at måle efter hvor radioaktiviteten er havnet i dyret. Herved kan man se om medicinen kommer frem til det rigtige organ eller det blot løber gennem musen og kommer ud igen.