Od początku czasu ludzie starali się zrozumieć, z czego składa się wszechświat i wszystko w nim. I podczas gdy starożytni magowie i filozofowie wymyślili świat złożony z czterech lub pięciu żywiołów - ziemi, powietrza, wody, ognia (i metalu lub świadomości) - przez klasyczną starożytność filozofowie zaczęli teoretyzować, że cała materia faktycznie składa się z maleńkich, niewidzialne i niepodzielne atomy.
Od tego czasu naukowcy zaangażowali się w proces ciągłego odkrywania atomu, mając nadzieję odkryć jego prawdziwą naturę i skład. W XX wieku nasze zrozumienie zostało dopracowane do tego stopnia, że byliśmy w stanie skonstruować jego dokładny model. W ciągu ostatniej dekady nasze rozumienie posunęło się jeszcze dalej, do tego stopnia, że przyszliśmy potwierdzić istnienie prawie wszystkich jego teoretycznych części.
Obecnie badania atomowe koncentrują się na badaniu struktury i funkcji materii na poziomie subatomowym. Obejmuje to nie tylko identyfikację wszystkich cząstek subatomowych, o których uważa się, że tworzą atom, ale także badanie sił, które nimi rządzą. Należą do nich silne siły jądrowe, słabe siły jądrowe, elektromagnetyzm i grawitacja. Oto zestawienie wszystkiego, co do tej pory dowiedzieliśmy się o atomie ...
Struktura atomu:
Nasz obecny model atomu można podzielić na trzy części składowe - protony, neutron i elektrony. Każda z tych części ma związany ładunek, z protonami przenoszącymi ładunek dodatni, elektronami mającymi ładunek ujemny i neutronami nie posiadającymi ładunku netto. Zgodnie ze standardowym modelem fizyki cząstek protony i neutrony tworzą jądro atomu, podczas gdy elektrony krążą wokół niego w „chmurze”.
Elektrony w atomie są przyciągane do protonów w jądrze przez siłę elektromagnetyczną. Elektrony mogą uciec ze swojej orbity, ale tylko w odpowiedzi na przyłożone zewnętrzne źródło energii. Im bliższa orbita elektronu do jądra, tym większa siła przyciągania; stąd silniejsza siła zewnętrzna potrzebna do spowodowania ucieczki elektronu.
Elektrony krążą wokół jądra na wielu orbitach, z których każdy odpowiada określonemu poziomowi energii elektronu. Elektron może zmienić swój stan na wyższy poziom energii, absorbując foton wystarczającą ilością energii, aby podnieść go do nowego stanu kwantowego. Podobnie, elektron w stanie wyższej energii może spaść do stanu niższej energii, promieniując nadwyżką energii w postaci fotonu.
Atomy są elektrycznie obojętne, jeśli mają taką samą liczbę protonów i elektronów. Atomy, które mają deficyt lub nadwyżkę elektronów, nazywane są jonami. Elektrony znajdujące się najdalej od jądra mogą być przenoszone do innych pobliskich atomów lub dzielone między atomami. Dzięki temu mechanizmowi atomy mogą wiązać się z cząsteczkami i innymi rodzajami związków chemicznych.
Wszystkie trzy subatomowe cząstki to Fermiony, klasa cząstek związanych z materią, która ma charakter elementarny (elektrony) lub złożony (protony i neutrony). Oznacza to, że elektrony nie mają znanej struktury wewnętrznej, podczas gdy protony i neutrony składają się z innych cząstek subatomowych. zwane kwarkami. Istnieją dwa rodzaje kwarków w atomach, które mają ułamkowy ładunek elektryczny.
Protony składają się z dwóch „kwarków w górę” (każdy o ładunku +2/3) i jednego „kwarka” w dół (-1/3), podczas gdy neutrony składają się z jednego kwarka w górę i dwóch kwarków w dół. To rozróżnienie uwzględnia różnicę ładunku między dwiema cząsteczkami, która osiąga ładunek odpowiednio +1 i 0, podczas gdy elektrony mają ładunek -1.
Inne cząstki subatomowe obejmują Leptony, które łączą się z Fermionami, tworząc bloki budulcowe materii. W obecnym modelu atomowym występuje sześć leptonów: elektron, mion i cząsteczki tau oraz związane z nimi neutrina. Różne odmiany cząstek Leptona, zwane potocznie „smakami”, różnią się wielkością i ładunkami, co wpływa na poziom ich interakcji elektromagnetycznych.
Następnie istnieją Bozony skrajni, zwane „nosicielami siły”, ponieważ pośredniczą w siłach fizycznych. Na przykład gluony są odpowiedzialne za silną siłę jądrową, która utrzymuje kwarki razem, podczas gdy bozony W i Z (wciąż hipotetyczne) są uważane za odpowiedzialne za słabą siłę jądrową stojącą za elektromagnetyzmem. Fotony są cząstkami elementarnymi, które tworzą światło, podczas gdy bozon Higgsa jest odpowiedzialny za nadanie bozonom W i Z ich masy.
Masa atomowa:
Większość masy atomów pochodzi z protonów i neutronów, które tworzą jej jądro. Elektrony są najmniej masywnymi cząstkami składowymi atomu, o masie 9,11 x 10-31 kg i rozmiar za mały, aby zmierzyć go obecnymi technikami. Protony mają masę 1836 razy większą od elektronu, wynoszącą 1,6726 × 10-27 kg, podczas gdy neutrony są najbardziej masywne z tych trzech, przy 1,6929 × 10-27 kg (1839 razy masa elektronu).
Całkowita liczba protonów i neutronów w jądrze atomu (zwanych „nukleonami”) jest nazywana liczbą masową. Na przykład element Carbon-12 jest tak nazwany, ponieważ ma masę 12 - pochodzącą z jego 12 nukleonów (sześć protonów i sześć neutronów). Jednak elementy są również rozmieszczone na podstawie ich liczby atomowej, która jest taka sama jak liczba protonów znajdujących się w jądrze. W tym przypadku węgiel ma liczbę atomową 6.
Rzeczywista masa atomu w spoczynku jest bardzo trudna do zmierzenia, ponieważ nawet najbardziej masywne atomy są zbyt lekkie, aby wyrażać je w konwencjonalnych jednostkach. W związku z tym naukowcy często używają zunifikowanej jednostki masy atomowej (u) - zwanej również daltonem (Da) - która jest zdefiniowana jako dwunasta masy wolnego neutralnego atomu węgla-12, który wynosi około 1,66 × 10-27 kg.
Chemicy używają również moli, jednostki zdefiniowanej jako jeden mol dowolnego pierwiastka zawsze mającego tę samą liczbę atomów (około 6,022 × 1023). Liczba ta została wybrana tak, że jeśli pierwiastek ma masę atomową 1 u, mol atomów tego pierwiastka ma masę zbliżoną do jednego grama. Z powodu definicji zunifikowanej jednostki masy atomowej każdy atom węgla-12 ma masę atomową dokładnie 12 u, a zatem mol atomów węgla-12 waży dokładnie 0,012 kg.
Rozpad radioaktywny:
Wszelkie dwa atomy, które mają tę samą liczbę protonów, należą do tego samego pierwiastka chemicznego. Ale atomy o takiej samej liczbie protonów mogą mieć różną liczbę neutronów, które są zdefiniowane jako różne izotopy tego samego pierwiastka. Te izotopy są często niestabilne i wiadomo, że wszystkie o liczbie atomowej większej niż 82 są radioaktywne.
Kiedy element ulega rozpadowi, jego jądro traci energię przez emitowanie promieniowania - które może składać się z cząstek alfa (atomy helu), cząstek beta (pozytrony), promieni gamma (energia elektromagnetyczna o wysokiej częstotliwości) i elektronów konwersji. Szybkość, z jaką rozkłada się niestabilny element, nazywana jest „okresem półtrwania”, czyli ilością czasu potrzebną, aby element spadł do połowy swojej wartości początkowej.
Na stabilność izotopu wpływa stosunek protonów do neutronów. Spośród 339 różnych rodzajów pierwiastków występujących naturalnie na Ziemi, 254 (około 75%) zostało oznaczonych jako „stabilne izotopy” - tj. Nie podlegają rozkładowi. Dodatkowe 34 pierwiastki promieniotwórcze mają okres półtrwania dłuższy niż 80 milionów lat i istniały również od wczesnego Układu Słonecznego (dlatego nazywane są „pierwiastkami pierwotnymi”).
Wreszcie, wiadomo, że 51 dodatkowych pierwiastków krótkożyciowych występuje naturalnie, jako „pierwiastki pochodne” (tj. Jądrowe produkty uboczne) rozpadu innych pierwiastków (takich jak rad z uranu). Ponadto krótkotrwałe pierwiastki promieniotwórcze mogą być wynikiem naturalnych procesów energetycznych na Ziemi, takich jak bombardowanie promieniami kosmicznymi (na przykład węgiel-14, który występuje w naszej atmosferze).
Historia studiów:
Najstarsze znane przykłady teorii atomowej pochodzą ze starożytnej Grecji i Indii, gdzie filozofowie tacy jak Demokryt postulowali, że cała materia składa się z małych, niepodzielnych i niezniszczalnych jednostek. Termin „atom” został wymyślony w starożytnej Grecji i dał początek szkole myślenia zwanej „atomizmem”. Jednak teoria ta była bardziej koncepcją filozoficzną niż naukową.
Dopiero w XIX wieku teoria atomów została wyartykułowana jako kwestia naukowa, przy czym przeprowadzono pierwsze oparte na dowodach eksperymenty. Na przykład na początku 1800 roku angielski naukowiec John Dalton wykorzystał koncepcję atomu, aby wyjaśnić, dlaczego pierwiastki chemiczne reagowały w pewien możliwy do zaobserwowania i przewidywalny sposób.
Dalton zaczął od pytania, dlaczego pierwiastki reagują w proporcjach małych liczb całkowitych, i doszedł do wniosku, że reakcje te zachodzą w wielokrotnościach liczb całkowitych jednostek dyskretnych - innymi słowy, atomach. Poprzez serię eksperymentów z udziałem gazów Dalton opracował tak zwaną Teorię Atomową Daltona, która pozostaje jednym z fundamentów współczesnej fizyki i chemii.
Teoria sprowadza się do pięciu założeń: pierwiastki w najczystszym stanie składają się z cząstek zwanych atomami; atomy określonego pierwiastka są takie same, aż do ostatniego atomu; atomy różnych pierwiastków można rozdzielić na podstawie ich ciężarów atomowych; atomy pierwiastków łączą się, tworząc związki chemiczne; atomy nie mogą być tworzone ani niszczone w reakcji chemicznej, zmienia się tylko ich grupowanie.
Pod koniec XIX wieku naukowcy zaczęli teorii, że atom składa się z więcej niż jednej podstawowej jednostki. Jednak większość naukowców zaryzykowała, że jednostka ta będzie miała rozmiar najmniejszego znanego atomu - wodoru. A potem w 1897 r., Poprzez szereg eksperymentów z wykorzystaniem promieni katodowych, fizyk J.J. Thompson ogłosił, że odkrył jednostkę, która była 1000 razy mniejsza i 1800 razy lżejsza niż atom wodoru.
Jego eksperymenty wykazały również, że były one identyczne z cząsteczkami wydzielanymi przez efekt fotoelektryczny i materiały radioaktywne. Kolejne eksperymenty ujawniły, że cząstka ta przenosi prąd elektryczny przez druty metalowe i ujemne ładunki elektryczne w atomach. Dlatego cząstka - pierwotnie nazywana „ciałkiem” - została później zamieniona na „elektron”, po tym jak cząstka George Johnstone Stoney's przewiduje w 1874 roku.
Jednak Thomson postulował również, że elektrony są rozmieszczone w całym atomie, który jest jednolitym morzem ładunku dodatniego. Stało się to znane jako „model puddingu śliwkowego”, który później okaże się błędny. Miało to miejsce w 1909 r., Kiedy fizycy Hans Gieger i Ernest Marsden (pod kierunkiem Ernesta Rutherfoda) przeprowadzili eksperyment z użyciem folii metalowej i cząstek alfa.
Zgodnie z modelem atomowym Daltona wierzyli, że cząstki alfa przechodzą prosto przez folię z niewielkim ugięciem. Jednak wiele cząstek uległo odchyleniu pod kątem większym niż 90 °. Aby to wyjaśnić, Rutherford zaproponował, aby dodatni ładunek atomu był skoncentrowany w maleńkim jądrze w centrum.
W 1913 roku fizyk Niels Bohr zaproponował model, w którym elektrony krążyły wokół jądra, ale mógł to zrobić tylko w skończonym zestawie orbit. Zaproponował również, że elektrony mogą przeskakiwać między orbitami, ale tylko w dyskretnych zmianach energii odpowiadających absorpcji lub promieniowaniu fotonu. To nie tylko udoskonaliło proponowany model Rutherforda, ale także dało początek koncepcji skwantowanego atomu, w którym materia zachowywała się w dyskretnych pakietach.
Rozwój spektrometru mas - który wykorzystuje magnes do zginania trajektorii wiązki jonów - pozwolił na pomiar masy atomów ze zwiększoną dokładnością. Chemik Francis William Aston wykorzystał ten instrument do wykazania, że izotopy mają różne masy. To z kolei było kontynuowane przez fizyka Jamesa Chadwicka, który w 1932 r. Zaproponował neutron jako sposób wyjaśnienia istnienia izotopów.
Na początku XX wieku kwantowa natura atomów była dalej rozwijana. W 1922 r. Niemieccy fizycy Otto Stern i Walther Gerlach przeprowadzili eksperyment, w którym wiązka atomów srebra była kierowana przez pole magnetyczne, który miał na celu rozszczepienie wiązki między kierunkiem momentu pędu (lub spinu) atomów.
Znane jako eksperyment Sterna – Gerlacha, wyniki były takie, że wiązka rozdzieliła się na dwie części, w zależności od tego, czy spin atomów był skierowany w górę, czy w dół. W 1926 roku fizyk Erwin Schrodinger wykorzystał ideę cząstek zachowujących się jak fale, aby opracować model matematyczny opisujący elektrony jako trójwymiarowe kształty fal, a nie tylko cząstki.
Konsekwencją użycia kształtów fali do opisu cząstek jest to, że matematycznie niemożliwe jest uzyskanie dokładnych wartości zarówno położenia, jak i pędu cząstki w danym momencie. W tym samym roku Werner Heisenberg sformułował ten problem i nazwał go „zasadą nieoznaczoności”. Według Heisenberga, dla danego dokładnego pomiaru pozycji można uzyskać tylko zakres prawdopodobnych wartości pędu i odwrotnie.
W latach 30. XX wieku fizycy odkryli rozszczepienie jądrowe dzięki eksperymentom Otto Hahna, Lise Meitner i Otto Frischa. Eksperymenty Hahna obejmowały kierowanie neutronów na atomy uranu w nadziei stworzenia pierwiastka transuranowego. Zamiast tego proces zamienił jego próbkę uranu-92 (Ur92) na dwa nowe pierwiastki - bar (B56) i krypton (Kr27).
Meitner i Frisch zweryfikowali eksperyment i przypisali go rozpadowi atomów uranu, tworząc dwa pierwiastki o tej samej całkowitej masie atomowej, proces, który uwolnił także znaczną ilość energii poprzez zerwanie wiązań atomowych. W następnych latach rozpoczęto badania nad możliwym uzbrojeniem tego procesu (tj. Bronią nuklearną) i doprowadzono do budowy pierwszych bomb atomowych w USA do 1945 r.
W latach 50. XX wieku rozwój ulepszonych akceleratorów cząstek i detektorów cząstek pozwolił naukowcom badać wpływ atomów poruszających się przy wysokich energiach. Na tej podstawie opracowano Standardowy model fizyki cząstek, który jak dotąd z powodzeniem wyjaśniał właściwości jądra, istnienie teoretycznych cząstek subatomowych oraz siły rządzące ich oddziaływaniami.
Współczesne eksperymenty:
Od drugiej połowy XX wieku dokonano wielu nowych i ekscytujących odkryć dotyczących teorii atomowej i mechaniki kwantowej. Na przykład w 2012 r. Długie poszukiwania bozonu Higgsa doprowadziły do przełomu, w którym naukowcy pracujący w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w Szwajcarii ogłosili swoje odkrycie.
W ostatnich dziesięcioleciach fizycy poświęcili wiele czasu i energii na opracowanie ujednoliconej teorii pola (zwanej także Teorią Wielkiego Zjednoczenia lub Teorią Wszystko). Zasadniczo, odkąd po raz pierwszy zaproponowano Model Standardowy, naukowcy starali się zrozumieć, w jaki sposób działają cztery podstawowe siły wszechświata (grawitacja, silne i słabe siły jądrowe oraz elektromagnetyzm).
Podczas gdy grawitację można zrozumieć za pomocą teorii względności Einsteina, a siły jądrowe i elektromagnetyzm można zrozumieć za pomocą teorii kwantowej, żadna teoria nie może wyjaśnić wszystkich czterech sił współpracujących ze sobą. Próby rozwiązania tego doprowadziły na przestrzeni lat do wielu proponowanych teorii, od teorii strun po kwantową grawitację pętli. Do tej pory żadna z tych teorii nie doprowadziła do przełomu.
Nasze rozumienie atomu przeszło długą drogę, od klasycznych modeli, które postrzegały go jako obojętne ciało stałe, które oddziałują mechanicznie z innymi atomami, po nowoczesne teorie, w których atomy składają się z cząstek energetycznych, które zachowują się nieprzewidywalnie. Choć zajęło to kilka tysięcy lat, nasza wiedza o podstawowej strukturze całej materii znacznie się rozwinęła.
A jednak pozostaje wiele tajemnic, które należy rozwiązać. Z czasem i ciągłymi wysiłkami możemy w końcu odblokować ostatnie tajemnice atomu. Z drugiej strony, równie dobrze może być tak, że wszelkie nowe odkrycia, które dokonamy, będą rodzić tylko więcej pytań - i mogą być jeszcze bardziej mylące niż te, które pojawiły się wcześniej!
Napisaliśmy wiele artykułów o atomie do Space Magazine. Oto artykuł na temat modelu atomowego Johna Daltona, modelu atomowego Neilsa Bohra, Who Was Democritus? Oraz liczby atomów we wszechświecie?
Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji o atomie, zapoznaj się z artykułem NASA dotyczącym analizy małych próbek, a tutaj znajduje się link do artykułu NASA na temat atomów, pierwiastków i izotopów.
Nagraliśmy też cały odcinek Astronomy Cast All about the Atom. Posłuchaj tutaj, odcinek 164: Inside the Atom, odcinek 263: Radioactive Decay i odcinek 394: The Standard Model, Bosons.
