2.2. Το άτομο

Το άτομο, όπως γνωρίζετε, είναι το μικρότερο κομμάτι στο οποίο μπορούμε να διαιρέσουμε την ύλη με χημικά μέσα (χημικές αντιδράσεις).

Κάθε άτομο αποτελείται από δύο συγκεκριμένες περιοχές. Η μια περιοχή βρίσκεται στο κέντρο του, είναι εξαιρετικά πυκνή και ονομάζεται πυρήνας. Ο πυρήνας περιέχει τα στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται πρωτόνιο και νετρόνιο. Το πρωτόνιο φέρει αυτό το είδος του φορτίου που ονομάσαμε θετικό. Το νετρόνιο δε φέρει καθόλου φορτίο, είναι ουδέτερο. Η άλλη περιοχή είναι ένας σφαιρικός φλοιός, μέσα στον οποίο κινούνται σωματίδια, που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι πολύ μικρότερα από τα πρωτόνια και από τα νετρόνια και φέρουν αυτό το είδος του φορτίου που ονομάσαμε αρνητικό. Έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι:

Το φορτίο του πρωτονίου είναι, κατ' απόλυτη τιμή, ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου.

Στην εικόνα (7) απεικονίζεται ένα απλοποιημένο μοντέλο για το απλούστερο άτομο που υπάρχει στη φύση, το άτομο του υδρογόνου. Το άτομο αυτό έχει στον πυρήνα του ένα πρωτόνιο. Νετρόνιο δεν έχει.

Γύρω από τον πυρήνα περιφέρεται ένα μοναδικό ηλεκτρόνιο. Το συνολικό φορτίο του ατόμου ισούται με το άθροισμα του φορτίου του πρωτονίου και του φορτίου του ηλεκτρονίου. Αφού, όπως είπαμε, τα φορτία τους είναι κατ' απόλυτη τιμή ίσα, είναι φανερό ότι το άτομο, στο σύνολό του, δεν εμφανίζει φορτίο. Σ' αυτή την περίπτωση λέμε ότι το άτομο είναι ουδέτερο.

Στην εικόνα (8) απεικονίζεται το άτομο του στοιχείου "ήλιον" (He). Ο πυρήνας του αποτελείται από 2 πρωτόνια και από 2 νετρόνια. Η στιβάδα των ηλεκτρονίων έχει 2 ηλεκτρόνια. Να παρατηρήσετε ότι, μολονότι το άτομο έχει ηλεκτρικά φορτία, στο σύνολό του εμφανίζεται ουδέτερο, διότι το ολικό θετικό φορτίο των 2 πρωτονίων του πυρήνα αντισταθμίζεται από το ολικό αρνητικό φορτίο των 2 ηλεκτρονίων.

Τα άτομα όλων των στοιχείων, εφόσον δεν έχουν υποστεί κάποια ειδική επίδραση είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από αυτόν.

Στην εικόνα (9) φαίνεται ένα άτομο σε τρισδιάστατη απεικόνιση. Αποτελείται από ένα μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα, γύρω από τον οποίο κινούνται τα αρνητικά ηλεκτρόνια. Οι κλειστές ηλεκτρονικές τροχιές είναι συμβολικές.

Ας θεωρήσουμε τώρα ένα μεταλλικό σώμα και ας εξετάσουμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό του από ηλεκτρική άποψη. Τα άτομα των μετάλλων έχουν ηλεκτρόνια, που κατανέμονται σε ομάδες ή στιβάδες γύρω από τον πυρήνα. Είπαμε ότι τα ετερώνυμα φορτία έλκονται. Αυτό σημαίνει ότι τα θετικά πρωτόνια του πυρήνα έλκουν τα αρνητικά ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια της στιβάδας που απέχει περισσότερο από τον πυρήνα δέχονται τις ασθενέστερες ελκτικές δυνάμεις και ονομάζονται εξωτερικά ηλεκτρόνια. Στην περίπτωση ενός μετάλλου τα άτομα του έχουν πλησιάσει σε πολύ μικρές αποστάσεις, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στιβάδων των ατόμων να ασκούν μεταξύ τους δυνάμεις αρκετά ισχυρές, ώστε να αποσπαστούν από τα άτομα και να γίνουν πραγματικά ελεύθερα, κυκλοφορώντας τυχαία και απροσανατόλιστα στο εσωτερικό του μετάλλου.

Ας προσέξουμε: Το ότι το άτομο είναι ουδέτερο δε σημαίνει ότι δεν έχει ηλεκτρικά φορτία. Ηλεκτρικά φορτία έχει. Η ουδετερότητα του οφείλεται στο ότι το ολικό θετικό φορτίο του πυρήνα ισούται με το συνολικό αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων.

Όταν αποσπάται ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο, το συγκρότημα που απομένει παρουσιάζει θετικό φορτίο, διότι περισσεύει ένα πρωτόνιο του πυρήνα. Το θετικά φορτισμένο συγκρότημα που απομένει ονομάζεται μονοσθενές θετικό ιόν. Αν αποσπαστούν δύο ηλεκτρόνια, στο συγκρότημα θα περισσεύουν δύο θετικά πρωτόνια του πυρήνα, και θα έχουμε το δισθενές θετικό ιόν. Το ίδιο ισχύει αναλογικά για τρία ή για περισσότερα ηλεκτρόνια.

Είναι δυνατόν στην εξωτερική στιβάδα του ατόμου να προστεθούν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Στην περίπτωση αυτή το συγκρότημα θα παρουσιάζει επιπλέον αρνητικό φορτίο ίσο με το φορτίο των ηλεκτρονίων που προσκολλήθηκαν, και θα έχουμε αρνητικό ιόν, μονοσθενές, δισθενές κτλ, ανάλογα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που προσκολλήθηκαν (αναφερόμαστε σε μέταλλα).

Θετικό ιόν: Το φορτισμένο συγκρότημα που προκύπτει, από ένα ουδέτερο άτομο, αν από αυτό αφαιρεθούν ένα η περισσότερα ηλεκτρόνια.

Αρνητικό ιόν: Το φορτισμένο συγκρότημα που προκύπτει, αν σε ένα ουδέτερο άτομο, προστεθούν ένα η περισσότερα ηλεκτρόνια.

Τι, λοιπόν, θα βλέπαμε στο εσωτερικό ενός κομματιού από μέταλλο, αν διαθέταμε ένα υποθετικό μικροσκόπιο τόσο ισχυρό, ώστε να μπορούμε να διακρίνουμε τα ηλεκτρόνια και τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια; Θα βλέπαμε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια να κινούνται τυχαία και ακανόνιστα προς όλες τις διευθύνσεις σαν τυφλές μέλισσες. Θα βλέπαμε ακόμα τα θετικά ιόντα να ταλαντώνονται γύρω από τις καθορισμένες θέσεις τους, όπως περίπου ταλαντώνονται τα κτίρια μιας πόλης στην οποία σημειώθηκε σεισμός (εικόνα 10).

Εικ. 10

Αν δεχτούμε ότι από κάθε ουδέτερο άτομο αποσπάστηκε ένα ηλεκτρόνιο, στο εσωτερικό του μετάλλου θα έχουμε τόσα θετικά ιόντα όσα και ηλεκτρόνια. Επιπλέον, αφού το φορτίο του θετικού ιόντος είναι ίσο με το φορτίο του αρνητικού ελεύθερου ηλεκτρονίου, το ολικό φορτίο στο εσωτερικό του μετάλλου θα είναι μηδέν. Λέμε τότε ότι το σώμα είναι ουδέτερο ή αφόρτιστο.