Frumeind
Úr Wikipediu, frjálsa alfræðiritinu
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 öreinda:
- róteindum sem eru jákvætt hlaðnar
- rafeindum sem eru neikvætt hlaðnar
- nifteindum sem ekki hafa hleðslu
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 hafa mest áhrif á efnræðilega hegðun hennar. Þær gegna lykilhlutverki í að binda frumdeindir saman og þannig mynda sameindir. Sjá efnafræði. 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:
[breyta] Saga
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.
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 Joseph 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 Mendeleev 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, Henry 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.
