Det är gott med fika! När vi ätit en kaka är det kanske lite smulor kvar på tallriken. Vad innehåller smulorna och hur små bitar kan vi dela dem i? Om vi är nyfikna och vill beskriva hur världen ser ut är en viktig fråga: Vad består allting av? Alla som någon gång bakat småkakor vet att de består av en hel del socker. Vi borde alltså åtminstone hitta socker när vi delar smulorna i mindre och mindre delar. Men hur små delar kan vi dela kakan i?

De gamla grekerna trodde att det fanns en minsta del som inte gick att del mer. Ordet atom betyder odelbar. Idag vet vi att även atomen består av mindre partiklar. Partiklar viktiga för att beskriva världen runt omkring oss. Här kommer du att se vad det finns för partiklar, hur de ser ut och lite om hur de beter sig.

Vad händer när vi delar smulorna i mindre och mindre bitar? Hur små bitar kan vi dela sockersmulorna i? Socker består av molekylen sackaros. En molekyl är en partikel som består av flera atomer. Ordet atom kommer från grekiskan och betyder ”odelbar”. Det låter ju som att vi har hittat den minsta biten i universum. Men det stämmer inte. Atomer består av en atomkärna som är omgiven av ett moln av negativt laddade elektroner. Dessutom består själva atomkärnan av ännu mindre delar. I kärnan hittar vi positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Det vi kan lära oss av vår fika är alltså att all materia, som till exempel småkakor, är uppbyggd av atomer, som i sin tur består av ännu mindre delar.

[Animation eller illustration: sackaros-molekylen. I en animation kan man ev låta den delas upp i atomer, och sedan “zooma in” en väteatom så att vi ser Bohr-modellen]

Sackaros-molekylen består av kol-, väte- och syreatomer. Dessa atomer är exempel på grundämnen, ämnen som bara består av en sorts atom. Alla grundämnen har olika egenskaper. För att förstå atomerna lite bättre behöver vi en modell över hur de är uppbyggda.

Det är svårt att beskriva hur olika saker ser ut i mikrokosmos, eftersom det är så annorlunda jämfört med vardagen som vi är vana vid. Vi skapar därför förenklade modeller som ganska bra beskriver det vi vill. I bilden nedan ser du en mycket förenklad bild av en atom. I mitten ser vi atomkärnan och den består av både protoner och neutroner. Runt den cirklar elektroner.

Skalan i den här bilden är fel. Elektronerna är egentligen mycket mindre, och mycket längre bort från kärnan. Men det är svårt att rita det rätt. Om kärnan var så stor som i bilden skulle elektronerna var 1000 gånger mindre och mer än 1 km bort!

Den här modellen av en atom kallas Bohrmodellen. I den rör sig elektroner i banor kring atomkärnan, ungefär som planeter kring en stjärna. En elektron i en bana har alltid samma avstånd in till kärnan, men kan i övrigt röra sig lite hur som helst. Man säger därför att elektronerna bildar elektronskal runt kärnan.

Elektronen har en liten, negativ laddning. När man räknar brukar man skriva den som –e, där e är den så kallade elementarladdningen. Elementarladdningen är den minsta elektriska laddning som man har hittat.

De negativt laddade elektronerna snurrar runt atomkärnan. I en atom finns det lika många elektroner som snurrar runt kärnan som det finns protoner i kärnan. Protonen har en elektrisk laddning som är lika stor som elektronens, men positiv istället för negativ. Så eftersom atomen innehåller lika många protoner och elektroner balanserar de ut varandra. Atomen som helhet är då inte laddad.

Atomkärnan kan också innehålla neutroner.  Neutroner har ingen laddning, men gör så att kärnan blir stabil.

[Bild på väte, helium och litium]

Protonerna och neutronerna är ungefär lika stora, men elektronen är väldigt mycket mindre än dem. När man ritar atomer enligt Bohrs modell brukar man ändra skalan, och rita elektronen mycket större och mycket närmre kärnan än den egentligen är. Eftersom den här bilden av en atom är så vanlig är det lätt att börja tro att det är så atomer faktiskt ser ut, men det stämmer alltså inte.

Det är svårt att förstå hur liten en atom verkligen är, men också hur mycket tomrum den består av. Protonerna i kärnan är ungefär 2 000 gånger större än elektronerna. Skillnaden i massa är alltså lika stor som mellan en bil och ett mjölkpaket. Det är också stora avstånd mellan kärna och elektroner.

Storleken på olika atomer är olika eftersom de innehåller olika antal partiklar. För den minsta atomen, väte, är hela atomens radie ungefär 0,1 nanometer (0,1*10-9 m, det vill säga 0,0000000001 m). Atomkärnan har en radie på 1 femtometer (1*10-15 m, det vill säga 0,000000000000001 m). Det betyder att hela atomen är ungefär hundra tusen gånger större än själva kärnan. Så om vi ritar vätets atomkärna med en radie på 1 centimeter, borde vi egentligen rita elektronen 1 kilometer bort från kärnan.

Om vi istället tänker oss att protonen är lika stor som Globen (ca 110 meter), då kommer elektronen att vara stor som en grapefrukt (11 cm). Det kommer också att vara ett väldigt stort avstånd mellan dem - 5000 km, eller ungefär lika långt som det är mellan Stockholm och Kanarieöarna.

Antalet protoner i kärnan bestämmer vilket ämne det är. Alla grundämnen med en förkortning av en eller två bokstäver. Till exempel står ”H” för väte, och ”He” är förkortningen för helium. En atom har alltid ett helt antal protoner i kärnan. Antalet protoner brukar kallas för atomens atomnummer. Atomnumret skrivs ibland som en liten siffra framför ämnets förkortning.

För väte, som har en proton, blir förkortningen 1H. För helium, som har två protoner, skriver vi 2He, och så vidare. Litium har atomnumret 3 och alltså 3 protoner (och tre elektroner som snurrar runt kärnan).

[Bild: En bild, eller två bilder bredvid varandra. Bilder på väteatom och heliumatom, samt förkortningen 1H och 2He. Pil eller liknande till “H”, med etiketten “Förkortning. H = väte” och till “He” med etiketten “Förkortning. He = helium”. Pil eller liknande till “1” och “2”, med etiketten “Atomnummer = antal protoner”.]

Men antalet neutroner kan variera. Man får då olika varianter på ett och samma slags grundämne. De olika varianterna kallas isotoper.

Atomer som är samma grundämne har alltid lika många protoner i kärnan, men antalet neutroner kan variera. Vi kallar det för olika isotoper.

Precis som vi ibland vill skriva ut atomnumret vill vi ibland kunna ange vilken isotop vi pratar om. Då brukar vi ange atomens masstal. Masstalet är antalet protoner plus antalet neutroner i atomkärnan. Det skrivs ovanför atomnumret, framför ämnets förkortning. För väte som är den lättaste atomen finns det en proton i kärnan, den har atomnumret 1. Om det inte finns några neutroner i kärnan kommer atomnumret och masstalet båda att vara ett. Men det kan också finnas en eller två neutroner i vätekärnan, då blir masstalet två eller tre.

[Bild: bild på deuteriumatom, samt förkortningen 21H. Pil eller liknande till “H”, med etiketten “Förkortning. H = väte”. Pil eller liknande till “1”, med etiketten “Atomnummer = antal protoner”. Pil eller liknande till “2”, med etiketten “Masstal. 2 = 1 proton + 1 neutron”. Bildtext: Deuterium är en isotop av väte som har en neutron och en proton i atomkärnan. Den kallas ibland “tungt väte”.]

För vanligt väte, som har en proton och inga neutroner i sin kärna, skriver man då 11H. Väteisotopen 21H har en proton och en neutron i kärnan och kallas deuterium. 31H, tritium, har en proton och två neutroner i kärnan.

[Bild: bild på kol-atom, samt förkortningen 126C. Pil eller liknande till “C”, med etiketten “Förkortning. C = kol”. Pil eller liknande till “6”, med etiketten “Atomnummer = antal protoner”. Pil eller liknande till “12”, med etiketten “Masstal. 12 = 6 protoner + 6 neutroner”. BIldtext: Kol-isotopen med 6 neutroner i atomkärnan är den variant av kol som är vanligast på jorden.]

För att hålla ordning på grundämnena har vi delat in dem i det periodiska systemet.

Idag känner vi till 118 grundämnen. I periodiska systemet skrivs alla grundämnen med en förkortning av en eller två bokstäver. Till exempel står ”H” för väte, och ”He” är förkortningen för helium.

I det periodiska systemet är grundämnena ordnade efter antal protoner. Längst upp till vänster har vi väte, med en enda proton. Sen kommer helium med två protoner, och så vidare hela vägen till Oganesson med 118 protoner. Man hade kunnat lägga alla ämnena i en rad, men istället har man delat upp dem i kolumner. Hur kolumnerna ser ut beror på hur elektronerna är fördelade runt atomkärnan, och spelar stor roll för ämnenas egenskaper.