Od začetka časa so si ljudje prizadevali razumeti, iz česa je sestavljeno vesolje in vse v njem. In medtem ko so starodavni magi in filozofi zasnovali svet, sestavljen iz štirih ali petih elementov - zemlje, zraka, vode, ognja (in kovine ali zavesti) - po klasični antiki so filozofi začeli teoretizirati, da je vsa materija dejansko sestavljena iz drobnih, nevidni in nedeljivi atomi.
Od takrat so se znanstveniki ukvarjali z nenehnim odkrivanjem atoma v upanju, da bodo odkrili njegovo pravo naravo in sestavo. Z 20. stoletjem se je naše razumevanje izpopolnilo do te mere, da smo znali sestaviti natančen model tega. In v zadnjem desetletju je naše razumevanje napredovalo še dlje, tako da smo potrdili obstoj skoraj vseh njegovih teoretiziranih delov.
Danes so atomske raziskave usmerjene v preučevanje strukture in funkcije snovi na subatomski ravni. To ne vključuje samo identifikacije vseh subatomskih delcev, za katere se domneva, da tvorijo atom, ampak tudi raziskovanje sil, ki jih upravljajo. Sem spadajo močne jedrske sile, šibke jedrske sile, elektromagnetizem in gravitacija. Tu je razčlenitev vsega, kar smo do sedaj izvedeli o atomu ...
Struktura Atoma:
Naš trenutni model atoma lahko razdelimo na tri sestavne dele - protone, nevtrone in elektrone. Vsak od teh delov ima povezan naboj, pri čemer protoni nosijo pozitiven naboj, elektroni z negativnim nabojem in nevtroni brez neto naboja. V skladu s standardnim modelom fizike delcev protoni in nevtroni sestavljajo jedro atoma, medtem ko ga elektroni krožijo v "oblaku".
Elektrone v atomu pritegnejo protoni v jedru z elektromagnetno silo. Elektroni lahko pobegnejo iz svoje orbite, vendar le kot odziv na zunanji vir energije, ki se uporablja. Čim bližje je orbita elektrona jedru, tem večja je privlačna sila; torej močnejša zunanja sila, ki je potrebna, da bi elektron ušel.
Elektroni krožijo v jedru v večih orbitah, od katerih vsaka ustreza določeni energijski ravni elektrona. Elektroni lahko spremenijo svoje stanje v višjo energijsko raven tako, da absorbirajo foton z dovolj energije, da ga poveča v novo kvantno stanje. Prav tako se lahko elektron v višjem energijskem stanju spusti v nižje energijsko stanje, medtem ko presežno energijo seva kot foton.
Atomi so električno nevtralni, če imajo enako število protonov in elektronov. Atome, ki imajo bodisi primanjkljaj bodisi presežek elektronov, imenujemo ioni. Elektroni, ki so najbolj oddaljeni od jedra, se lahko prenesejo v druge atome v bližini ali delijo med atomi. Po tem mehanizmu se atomi lahko vežejo v molekule in druge vrste kemičnih spojin.
Vsi trije ti subatomski delci so Fermioni, razred delcev, povezanih s snovjo, ki je v naravi bodisi elementarna (elektroni) bodisi sestavljena (protoni in nevtroni). To pomeni, da elektroni nimajo znane notranje strukture, protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz drugih subatomskih delcev. imenovani kvarki. V atomih sta dve vrsti kvarkov, ki imajo delni električni naboj.
Protoni so sestavljeni iz dveh "gor" kvarkov (vsak z nabojem +2/3) in enega "navzdol" kvarka (-1/3), nevtroni pa so sestavljeni iz enega navzgor kvarka in dveh padlih kvarkov. To razlikovanje predstavlja razliko v naboju med obema delcema, ki deluje do naboja +1 oziroma 0, medtem ko imajo elektroni naboj -1.
Drugi subatomski delci vključujejo Leptone, ki se kombinirajo s Fermioni in tvorijo gradnike snovi. V sedanjem atomskem modelu je šest leptonov: delci elektronov, muon in tau ter njihovi nevtrini. Različne sorte Leptonovih delcev, ki jih običajno imenujemo "okusi", razlikujemo po velikosti in naboju, kar vpliva na stopnjo njihovih elektromagnetnih interakcij.
Potem so tu še merilni bozoni, ki so znani kot "nosilci sile", saj posredujejo fizične sile. Na primer, gluoni so odgovorni za močno jedrsko silo, ki drži kvarke skupaj, W in Z bozoni (še vedno hipotetični) pa naj bi bili odgovorni za šibko jedrsko silo, ki stoji za elektromagnetizmom. Fotoni so osnovni delček, ki sestavlja svetlobo, medtem ko je Higgs Boson odgovoren za to, da daje W in Z bozone svojo maso.
Atomska masa:
Večina mase atomov izvira iz protonov in nevtronov, ki sestavljajo njegovo jedro. Elektroni so najmanj masi sestavnih delcev atoma, z maso 9,11 x 10-31 kg in velikost premajhna, da bi se merila s sedanjimi tehnikami. Protoni imajo maso, ki je 1836-krat večja od elektrona, in 1.6726 × 10-27 kg, nevtroni pa so najbolj množični od treh, in sicer 1.6929 × 10-27 kg (1.839-krat večja od mase elektrona).
Skupno število protonov in nevtronov v jedru atomov (imenovanih "nukleoni") se imenuje masno število. Na primer, element Carbon-12 je tako imenovan, ker ima masno število 12 - izhaja iz njegovih 12 nukleonov (šest protonov in šest nevtronov). Vendar so elementi razporejeni tudi na podlagi njihovih atomskih številk, kar je enako številu protonov, ki jih najdemo v jedru. V tem primeru ima ogljik atomsko številko 6.
Dejansko maso atoma v mirovanju je zelo težko izmeriti, saj so tudi najbolj masivni atomi preveč lahki, da bi jih lahko izrazili v običajnih enotah. Tako znanstveniki pogosto uporabljajo enotno atomsko masno enoto (u) - imenovano tudi dalton (Da) -, ki je opredeljena kot dvanajstina mase prostega nevtralnega atoma ogljika-12, kar je približno 1,66 × 10-27 kg.
Kemiki uporabljajo tudi molove, enoto, definirano kot en mol katerega koli elementa, ki ima vedno enako število atomov (približno 6.022 × 1023). To število je bilo izbrano tako, da če ima element atomsko maso 1 u, ima mol atomov to maso blizu enega grama. Zaradi opredelitve enotne enote atomske mase ima vsak atom ogljika-12 atomsko maso natančno 12 u in tako moli ogljikovih atomov 12 tehtajo natančno 0,012 kg.
Radioaktivno razpadanje:
Vsaka dva atoma, ki imata enako število protonov, pripadata istemu kemičnemu elementu. Toda atomi z enakim številom protonov imajo lahko različno število nevtronov, ki so opredeljeni kot različni izotopi istega elementa. Ti izotopi so pogosto nestabilni, za tiste, ki imajo atomsko število večje od 82, pa je znano, da so radioaktivni.
Ko nek element razpade, njegovo jedro izgubi energijo z oddajanjem sevanja - ki ga lahko sestavljajo delci alfa (helijevi atomi), beta delci (pozitroni), gama žarki (visokofrekvenčna elektromagnetna energija) in pretvorbeni elektroni. Hitrost razpadanja nestabilnega elementa je znana kot njegova „razpolovna doba“, to je čas, potreben, da element pade na polovico začetne vrednosti.
Na stabilnost izotopa vpliva razmerje protonov do nevtronov. Med 339 različnimi vrstami elementov, ki se naravno pojavljajo na Zemlji, je bilo 254 (približno 75%) označenih kot "stabilni izotopi" - tj. Ne podležejo razpadanju. Dodatnih 34 radioaktivnih elementov ima razpolovno dobo več kot 80 milijonov let in obstajajo že od zgodnjega osončja (zato jih imenujemo "prvinski elementi").
Nazadnje je znano, da se dodatnih 51 kratkotrajnih elementov pojavlja v naravi, kot "hčerinski elementi" (tj. Jedrski stranski proizvodi) razpada drugih elementov (na primer radija iz urana). Poleg tega so lahko kratkotrajni radioaktivni elementi posledica naravnih energijskih procesov na Zemlji, kot so bombardiranje kozmičnih žarkov (na primer ogljik-14, ki se dogaja v našem ozračju).
Zgodovina študija:
Najstarejši znani primeri atomske teorije prihajajo iz antične Grčije in Indije, kjer so filozofi, kot je Demokrit, postulirali, da je vsa materija sestavljena iz drobnih, nedeljivih in neuničljivih enot. Izraz "atom" je bil skovan v stari Grčiji in je sprožil šolo misli, imenovano "atomizem". Vendar je bila ta teorija bolj filozofski koncept kot znanstveni.
Šele v 19. stoletju se je teorija atomov artikulirala kot znanstvena zadeva, pri čemer so bili izvedeni prvi poskusi, ki temeljijo na dokazih. Na primer, v začetku 1800-ih je angleški znanstvenik John Dalton uporabil koncept atoma, da je razložil, zakaj kemični elementi reagirajo na določene opazne in predvidljive načine.
Dalton je začel z vprašanjem, zakaj so elementi reagirali v razmerjih majhnih celih števil, in ugotovil, da so se te reakcije zgodile v številnih množicah diskretnih enot - z drugimi besedami, atomi. Skozi vrsto eksperimentov s plini je Dalton razvil tisto, kar je znano kot Daltonova atomska teorija, ki ostaja eden od temeljev sodobne fizike in kemije.
Teorija se spušča na pet premis: elemente v najčistejšem stanju sestavljajo delci, imenovani atomi; atomi določenega elementa so vsi enaki, vse do zadnjega atoma; atome različnih elementov lahko ločimo po atomskih težah; atomi elementov se združujejo in tvorijo kemične spojine; atomov v kemični reakciji ni mogoče ustvariti ali uničiti, spreminja se le skupina.
Znanstveniki so že proti koncu 19. stoletja začeli teoretizirati, da je atom sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Vendar se je večina znanstvenikov odzvala, da bo ta enota velikosti najmanjšega znanega atoma - vodika. In nato leta 1897 je fizika J.J s serijo eksperimentov s katodnimi žarki. Thompson je sporočil, da je odkril enoto, ki je bila 1000-krat manjša in 1800-krat lažja od atoma vodika.
Njegovi poskusi so tudi pokazali, da so identični delcem, ki jih oddajajo fotoelektrični učinki in radioaktivni materiali. Kasnejši poskusi so pokazali, da je ta delček prenašal električni tok skozi kovinske žice in negativne električne naboje znotraj atomov. Zato je bil delček - ki mu je bil prvotno imenovan "korpuscle", pozneje spremenjen v "elektron", potem ko je leta 1874 napovedal delček George Johnstone Stoney.
Vendar je Thomson tudi predpostavil, da se elektroni porazdelijo po celotnem atomu, kar je enotno morje pozitivnega naboja. To je postalo znano kot "model slivovega pudinga", kar bi se pozneje izkazalo za napačno. To se je zgodilo leta 1909, ko sta fizik Hans Gieger in Ernest Marsden (pod vodstvom Ernesta Rutherfoda) izvedla eksperiment z uporabo kovinske folije in alfa delcev.
V skladu z Daltonovim atomskim modelom so verjeli, da bodo alfa delci skozi majhen odklon prešli naravnost skozi folijo. Vendar se je veliko delcev odklonilo pod kotom 90 °. Da bi to pojasnil, je Rutherford predlagal, da se pozitivni naboj atoma koncentrira v drobnem jedru v središču.
Leta 1913 je fizik Niels Bohr predlagal model, kjer so elektroni krožili v jedro, vendar je to lahko storil le v končnem nizu orbitov. Predlagal je tudi, da bi elektroni lahko skakali med orbito, vendar le pri diskretnih spremembah energije, ki ustrezajo absorpciji ali sevanju fotona. To ni samo izpopolnilo predlaganega modela Rutherforda, ampak je tudi ustvarilo koncept kvantiziranega atoma, kjer se je zadeva obnašala v diskretnih paketih.
Razvoj masnega spektrometra - ki uporablja magnet za upogibanje poti ionskega žarka - je omogočil merjenje mase atomov s povečano natančnostjo. Kemik Francis William Aston je s tem instrumentom pokazal, da imajo izotopi različne mase. Temu je sledil fizik James Chadwick, ki je leta 1932 nevtronov predlagal kot način razlage obstoja izotopov.
Skozi zgodnje 20. stoletje se je kvantna narava atomov razvijala naprej. Leta 1922 sta nemška fizika Otto Stern in Walther Gerlach izvedla eksperiment, kjer je bil snop srebrovih atomov usmerjen skozi magnetno polje, ki naj bi razdelilo snop med smerjo (ali vrtenjem) atoma.
Znan kot Stern-Gerlachov eksperiment, je bil rezultat, da se je žarek razdelil na dva dela, odvisno od tega, ali je spin atomov usmerjen navzgor ali navzdol. Leta 1926 je fizik Erwin Schrodinger uporabil idejo o delcih, ki se obnašajo kot valovi, da je razvil matematični model, ki je elektrone opisal kot tridimenzionalne valovne oblike, ne pa kot zgolj delce.
Posledica uporabe valovnih oblik za opis delcev je, da je matematično nemogoče v določenem času pridobiti natančne vrednosti tako za položaj kot zagon delca. Istega leta je Werner Heisenberg formuliral to težavo in jo imenoval „načelo negotovosti“. Po Heisenbergovem mnenju je za določeno natančno merjenje položaja mogoče dobiti le obseg verjetnih vrednosti za zagon in obratno.
V tridesetih letih 20. stoletja so fiziki odkrili jedrsko cepitev, zahvaljujoč poskusom Otta Hahna, Lise Meitner in Otta Frischa. Hannovi poskusi so vključevali usmerjanje nevtronov na atome urana v upanju, da bodo ustvarili transuranijev element. Namesto tega je postopek spremenil njegov vzorec urana-92 (Ur92) v dva nova elementa - barijev (B56) in kripton (Kr27).
Meitner in Frisch sta preizkus preizkusila in ga pripisala cepljenju uranovih atomov, da tvorita dva elementa z enako skupno atomsko maso, postopek, ki je s prekinjanjem atomskih vezi sprostil tudi veliko energije. V letih, ki so sledila, so se začele raziskave možne orožja tega procesa (tj. Jedrskega orožja) in do leta 1945 pripeljale do gradnje prvih atomskih bomb v ZDA.
V petdesetih letih je razvoj izboljšanih pospeševalcev delcev in detektorjev delcev znanstvenikom omogočil preučevanje vplivov atomov, ki se gibljejo z visoko energijo. Iz tega je bil razvit Standardni model fizike delcev, ki je doslej uspešno razlagal lastnosti jedra, obstoj teoretiziranih subatomskih delcev in sile, ki uravnavajo njihovo medsebojno delovanje.
Sodobni eksperimenti:
Od druge polovice 20. stoletja je bilo v zvezi z atomsko teorijo in kvantno mehaniko veliko novih in zanimivih odkritij. Leta 2012 je na primer dolgo iskanje Higgsovega Bosona prišlo do preboja, ko so raziskovalci, ki sodelujejo pri Evropski organizaciji za jedrske raziskave (CERN) v Švici, razkrili svoje odkritje.
V zadnjih desetletjih so fiziki namenili veliko časa in energije razvoju enotne teorije polja (aka. Velika združevalna teorija ali teorija vsega). V bistvu so znanstveniki skušali razumeti, kako štiri temeljne sile vesolja (gravitacija, močne in šibke jedrske sile in elektromagnetizem) delujejo skupaj.
Medtem ko je gravitacijo mogoče razumeti z uporabo Einsteinove teorije relativnosti, jedrske sile in elektromagnetizem pa je mogoče razumeti s kvantno teorijo, nobena teorija pa ne more upoštevati vseh štirih sil, ki delujejo skupaj. Poskusi, da se to reši, so skozi leta privedli do številnih predlaganih teorij, od teorije strun do kvantne gravitacije v zanki. Do danes nobena od teh teorij ni pripeljala do preboja.
Naše razumevanje atoma je daleč, od klasičnih modelov, ki so ga gledali kot inertno trdno snov, ki je mehanično komunicirala z drugimi atomi, do sodobnih teorij, kjer so atomi sestavljeni iz energijskih delcev, ki se obnašajo nepredvidljivo. Čeprav je minilo že nekaj tisoč let, je naše znanje o temeljni strukturi vseh snovi znatno napredovalo.
In vendar ostaja veliko skrivnosti, ki jih je treba še razrešiti. S časom in nenehnimi napori bomo morda končno odklenili še zadnje preostale skrivnosti atoma. Potem bi bilo lahko res, da bodo vsaka nova odkritja sprožila samo več vprašanj - in lahko bi bila še bolj zmedena od tistih, ki so se pojavila prej!
Za vesoljski časopis smo napisali veliko člankov o atomu. Tu je članek o atomskem modelu Johna Daltona, atomskem modelu Neilsa Bohra, Kdo je bil Demokrit in koliko atomov je v vesolju?
Če želite več informacij o atomu, preglejte Nasin članek o analizi drobnih vzorcev in tukaj je povezava do Nasinega članka o atomih, elementih in izotopih.
Posneli smo tudi celo epizodo Astronomy Cast o Atomu. Poslušajte tukaj, Epizoda 164: Znotraj Atoma, Epizoda 263: Radioaktivni razpad in Epizoda 394: Standardni model, Bosoni.
