atom [grško atomos, ‘nedeljiv’], najmanjši del kemijskega elementa, ki je s kemijskimi metodami nedeljiv. Če ga delimo fizikalno z obstreljevanjem s hitrimi delci, dobimo sestavne dele s povsem drugačnimi lastnostmi (jedrska cepitev). Več atomov se lahko poveže v molekule ali sestavi v kristalno strukturo, npr. pri kovinah ali polprevodnikih. Po mnenju grškega filozofa Demokrita so atomi najmanjši, nevidni in nedeljivi delci, iz katerih je sestavljeno vsako materialno telo. Začetniki sodobne atomske teorije so D. Sennert (1619), P. Gassendi, R. Boyle, J. Dalton in J. L. Proust. Ok. 1900 se začne razvoj nazorne predstave o zgradbi atoma in izdelava atomskih modelov. Po Rutherfordovem modelu krožijo elektroni v razdalji ok. 10–10 m (elektronska ovojnica) okrog pozitivno nabitega atomskega jedra s premerom ok. 10–14 m, ki vsebuje skoraj vso maso atoma. Rutherford je prvi ugotovil, da je večji del materije prazen prostor, v njem pa lebdijo majhni delci: če bi atom povečali do premera velikosti 100 m, bi imelo jedro premer 1 cm. N. Bohr je 1913 ta model razširil s postavko o določenih elektronskih tirnicah, ki ustrezajo razl. energijskim stanjem atoma. Elektroni lahko krožijo le po teh tirnicah, z ene na drugo prehajajo skokovito in pri tem oddajo ali sprejmejo svetlobni kvant. Ker so razlike energijskih nivojev točno določene, ima izsevana in absorbirana svetloba točno določene valovne dolžine, ki jih v spektru atoma vidimo kot močne črte. Ta lupinski model pojasnjuje kemijske lastnosti posameznih elementov, ki so odvisne od zasedenosti elektronskih lupin z elektroni (kemijska vez, periodni sistem). Podrobno preučevanje spektralnih črt atoma in odkritje njihove fine strukture je omogočilo razširitev modela atoma: privzamejo eliptični tir elektronov (A. Sommerfeld), spin in magnetni moment elektronov in jedra. Zasnovana je predstava o elektronskem oblaku, ki kmalu izgubi nazornost z matematičnim opisom, zgrajenim na osnovah valovne mehanike in načelu izključitve. Materialni delec je predstavljen z njegovo valovno funkcijo (valovni paket), kar lahko eksperimentalno potrdimo (snovno valovanje). Računsko obvladovanje atomskih procesov vodi do težko predstavljivih količin, kot so npr. verjetnostne porazdelitve (kvantna teorija, kvantna mehanika). Načelo nedoločenosti je prineslo v spoznavno teorijo nove poglede in težave, še posebej pa je nakazalo potrebo po vnovičnem razmisleku o območju veljavnosti načela kavzalnosti, po katerem učinek vedno sledi vzroku.
Kratek pregled: atom Obstoj »atomov« kot najmanjših nedeljivih gradnikov materije je privzel že grški filozof Demokrit ok. 300 pr. n. š., vendar se ta predstava dolgo ni uveljavila. Pobliže si jih lahko ogledamo šele od pred kratkim, z najsodobnejšimi elektronskimi mikroskopi z visoko ločljivostjo. Na temeljih spoznanj renesanse in sodobnih raziskovalnih metod je ok. 1911 E. Rutherford razvil prvi atomski model: negativno nabiti elektroni obkrožajo pozitivno nabito atomsko jedro. Nepojasnjena je ostala stabilnost takšnega atoma, saj krožeči elektron po klasični teoriji seva, torej izgublja energijo. To bi moralo pripeljati do spiralnega tira elektrona in se končati s padcem na jedro. N. Bohr je skupaj z A. Sommerfeldom dokazal, da je lahko atom stabilen le, če imajo elektroni točno določene tire (poimenovane s kvantnimi števili n), spremembo tira elektrona pa povzroči oddaja ali sprejem energije. Najnižjo energijo ima elektron blizu jedra, z oddaljenostjo od jedra pa se energija elektrona povečuje. Ta model je omogočil tudi enostavno razlago dotlej nepojasnjenih atomskih spektrov. Spektralne črte vodikovega atoma, imenovane po različnih odkriteljih, nastanejo pri skoku elektrona z višjo energijo z zunanje tirnice na tirnico bliže jedru in izsevanju svetlobnega kvanta z značilno energijo. Atom železa ima npr. ovojnico s 26 elektroni, ki lahko zasedajo razl. energijske nivoje. Njegov emisijski spekter zato sestavljajo številne spektralne črte. Nadaljnji razvoj atomske fizike je prek spoznanj W. Heisenberga, E. Schrödingerja in P. Diraca vodil do formulacije kvantne mehanike. Ta opisuje verjetnostne porazdelitve elektronov na različnih oddaljenostih od jedra, kar vodi do modela orbital. Elektron v orbitali 1s ima krogelno verjetnostno porazdelitev in je najbliže jedru. Predstavljamo si ga lahko kot komarja, ki neurejeno kroži okrog luči. Za elektrone v orbitali p dajo rešitve kvantnomehanskih enačb tri orbitale za različne smeri v prostoru. Pri vezavi atomov v molekule pride do molekulskih ali hibridnih orbital. Orbitale vezanih atomov se delno prekrivajo in sestavljajo ustrezne prostorske strukture. Nastanek hibridnih orbital iz atomskih je povezan z oddajo energije. Molekule so zato energijsko stabilnejše od ločenih atomov. Na tej razliki energij med molekulami in atomi temelji stabilnost kemijskih vezi. Raziskovanje naravne radioaktivnosti je pokazalo, da vsa atomska jedra niso stabilna. Predvsem težja jedra se z oddajanjem delcev in sevanja spreminjajo v lažja. Z odkritjem jedrske cepitve O. Hahna in F. Strassmanna 1938 se je začela nova doba, ki je prinesla možnost tehnične uporabe energije, shranjene v atomu: težje elemente s cepitvijo spreminjamo v lažje, pri čemer se sprošča energija. Cepitev jedra uranovega izotopa 235 dosežemo z obstreljevanjem s počasnimi nevtroni. Pri posamezni reakciji se razen razcepljenih delov jedra in energije sprostijo dva do trije nevtroni. Vsak od njih lahko sproži nov razcep. Tako se kot plaz sproži verižna reakcija, pri kateri se, če ni nadzorovana, sprostijo neznanske količine energije. Pri izrabi atomske energije se ponujata dve poti: težja jedra lahko z razcepom ali fisijo spreminjamo v lažja, lažja pa zlivamo v večja z zlitjem ali fuzijo. V obeh primerih se sprošča energija, kajti povprečna energija ΔE na gradnik jedra (nukleon) je najmanjša pri jedrih, ki imajo od 50 do 60 nukleonov. Razlika v masah se po Einsteinovi relaciji E = mc2 spremeni v energijo (m je razlika mas, c je svetlobna hitrost). Pri razcepu 1 kg urana se npr. sprosti neznanska količina energije 1014 wattsekund. O tem, kakšne uničujoče sile se lahko pri tem sprostijo, priča jedrsko orožje. Nadzorovano jedrsko zlivanje (fuzija) bi lahko v prihodnosti postalo izvor energije za vse človeštvo. Vsaka zvezda črpa energijo iz fuzijske reakcije, ki pri visoki temperaturi in pod velikanskim tlakom poteka v njihovi notranjosti. Poskusi, da bi ta proces vzdrževali tudi na Zemlji v fuzijskem reaktorju, še niso uspeli. Prvi korak, segrevanje atomov vodika do temperature nad 15 mln. °C, je opravljen, a pot do fuzijskega reaktorja je še dolga. Avtor Klaus Meyer
Dostopnost