Od začiatku času sa ľudské bytosti snažia pochopiť, z čoho sa skladá vesmír a všetko, čo je v ňom. A zatiaľ čo starovekí magici a filozofi tvorili svet zložený zo štyroch alebo piatich prvkov - zeme, vzduchu, vody, ohňa (a kovu alebo vedomia) - klasickým starovekom, filozofi začali teoretizovať, že všetka hmota bola skutočne vytvorená z maličkých, neviditeľné a nedeliteľné atómy.
Odvtedy sa vedci zaoberajú procesom neustáleho objavovania atómu, dúfajúc, že objavia jeho pravú podstatu a makeup. V 20. storočí sa naše chápanie zdokonaľovalo do tej miery, že sme boli schopní vytvoriť jeho presný model. A za posledné desaťročie naše porozumenie pokročilo ešte ďalej do tej miery, že sme dospeli k potvrdeniu existencie takmer všetkých jeho teoretických častí.
V súčasnosti sa atómový výskum zameriava na štúdium štruktúry a funkcie hmoty na subatomárnej úrovni. Nejde iba o identifikáciu všetkých subatomárnych častíc, o ktorých sa predpokladá, že tvoria atóm, ale o skúmanie síl, ktoré ich riadia. Medzi ne patria silné jadrové sily, slabé jadrové sily, elektromagnetizmus a gravitácia. Tu je rozpis všetkého, čo sme sa doteraz dozvedeli o atóme ...
Štruktúra atómov:
Náš súčasný model atómu sa dá rozdeliť na tri časti - protóny, neutróny a elektróny. Každá z týchto častí má pridružený náboj, pričom protóny nesú kladný náboj, elektróny majú záporný náboj a neutróny nemajú čistý náboj. Podľa štandardného modelu fyziky častíc tvoria protóny a neutróny jadro atómu, zatiaľ čo elektróny ho obiehajú v „oblaku“.
Elektróny v atóme sú priťahované k protónom v jadre elektromagnetickou silou. Elektróny môžu uniknúť zo svojej obežnej dráhy, ale iba ako reakcia na vonkajší zdroj energie, ktorý sa aplikuje. Čím bližšia obežná dráha elektrónu k jadru, tým väčšia príťažlivá sila; teda silnejšia vonkajšia sila potrebná na to, aby spôsobila únik elektrónu.
Elektróny obiehajú jadrom na viacerých dráhach, z ktorých každý zodpovedá určitej energetickej úrovni elektrónu. Elektrón môže zmeniť svoj stav na vyššiu energetickú úroveň absorbovaním fotónu s dostatočnou energiou, aby ho posilnil do nového kvantového stavu. Podobne elektrón vo vyššom energetickom stave môže klesnúť do nižšieho energetického stavu, zatiaľ čo prebytok energie vyžaruje ako fotón.
Atómy sú elektricky neutrálne, ak majú rovnaký počet protónov a elektrónov. Atómy, ktoré majú deficit alebo prebytok elektrónov, sa nazývajú ióny. Elektróny, ktoré sú najvzdialenejšie od jadra, sa môžu prenášať na iné blízke atómy alebo zdieľať medzi atómami. Týmto mechanizmom sú atómy schopné viazať sa na molekuly a iné typy chemických zlúčenín.
Všetky tri z týchto subatomických častíc sú Fermiony, skupina častíc spojená s hmotou, ktorá je v prírode buď elementárna (elektrónová) alebo kompozitná (protónová a neutrónová). To znamená, že elektróny nemajú známu vnútornú štruktúru, zatiaľ čo protóny a neutróny sú tvorené inými subatomickými časticami. nazývané kvarky. Existujú dva typy kvarkov v atómoch, ktoré majú zlomkový elektrický náboj.
Protóny sa skladajú z dvoch kvarkov „hore“ (každý s nábojom +2/3) a jedného kvarku „dole“ (-1/3), zatiaľ čo neutróny pozostávajú z jedného kvarku hore a dvoch kvarkov dole. Toto rozlíšenie predstavuje rozdiel v náboji medzi týmito dvoma časticami, ktorý vychádza z náboja +1 a 0, zatiaľ čo elektróny majú náboj -1.
Medzi ďalšie subatomické častice patria Leptony, ktoré sa kombinujú s Fermionmi a tvoria stavebné kamene. V tomto atómovom modeli je šesť leptonov: častice elektrónu, miónu a tau a ich neutrína. Rôzne odrody Leptonových častíc, bežne nazývané „príchute“, sa líšia podľa veľkosti a náboja, čo ovplyvňuje úroveň ich elektromagnetických interakcií.
Potom sú tu obrysy Gauge, ktoré sú známe ako „nosiče síl“, pretože sprostredkujú fyzické sily. Napríklad, gluóny sú zodpovedné za silnú jadrovú silu, ktorá drží kvarky pohromade, zatiaľ čo bozóny W a Z (stále hypotetické) sú považované za zodpovedné za slabú jadrovú silu v pozadí elektromagnetizmu. Fotóny sú elementárnou časticou, ktorá vytvára svetlo, zatiaľ čo Higgsov bozón je zodpovedný za dávanie hmoty bozónov W a Z.
Atómová hmotnosť:
Väčšina atómovej hmoty pochádza z protónov a neutrónov, ktoré tvoria jej jadro. Elektróny sú najmenšou hmotnosťou častíc tvoriacich atóm, s hmotnosťou 9,11 x 10-31 kg a príliš malá veľkosť na to, aby sa dali merať súčasnými technikami. Protóny majú hmotnosť 1,836 krát väčšiu ako elektrón pri 1,6726 × 10-27 kg, zatiaľ čo neutróny sú najviac masívne z týchto troch, pri 1,6929 × 10-27 kg (1 839 násobok hmotnosti elektrónu).
Celkový počet protónov a neutrónov v jadre atómov (nazývaných „nukleóny“) sa nazýva hmotnostné číslo. Napríklad prvok Carbon-12 je pomenovaný, pretože má hmotnostné číslo 12 - odvodené od jeho 12 nukleónov (šesť protónov a šesť neutrónov). Prvky sú však usporiadané aj na základe atómových čísiel, ktoré sú rovnaké ako počet protónov nachádzajúcich sa v jadre. V tomto prípade má uhlík atómové číslo 6.
Skutočnú hmotnosť atómu v pokoji je ťažké merať, pretože aj tie najmasívnejšie atómy sú príliš ľahké na to, aby sa mohli vyjadriť v konvenčných jednotkách. Vedci často používajú jednotnú atómovú hmotnostnú jednotku (u) - nazývanú tiež dalton (Da) -, ktorá je definovaná ako dvanástina hmotnosti voľného neutrálneho atómu uhlíka-12, ktorý je približne 1,66 × 10.-27 kg.
Chemici tiež používajú móly, jednotku definovanú ako jeden mól ktoréhokoľvek prvku, ktorý má vždy rovnaký počet atómov (približne 6,022 × 10).23). Toto číslo bolo vybrané tak, že ak má prvok atómovú hmotnosť 1 u, mol atómov tohto prvku má hmotnosť blízku jednému gramu. Kvôli definícii zjednotenej atómovej hmotnostnej jednotky má každý atóm uhlíka-12 atómovú hmotnosť presne 12 u, takže mól atómov uhlíka-12 váži presne 0,012 kg.
Rádioaktívny rozklad:
Akékoľvek dva atómy, ktoré majú rovnaký počet protónov, patria k rovnakému chemickému prvku. Atómy s rovnakým počtom protónov však môžu mať rôzny počet neutrónov, ktoré sú definované ako rôzne izotopy toho istého prvku. Tieto izotopy sú často nestabilné a všetky izotopy s atómovým číslom väčším ako 82 sú známe ako rádioaktívne.
Keď sa prvok rozpadne, jeho jadro stráca energiu vyžarovaním žiarenia - ktoré sa môže skladať z alfa častíc (atómy hélia), beta častíc (pozitróny), gama lúčov (vysokofrekvenčná elektromagnetická energia) a konverzných elektrónov. Miera, pri ktorej sa nestabilný prvok rozpadá, sa nazýva jeho „polčas rozpadu“, čo je množstvo času potrebné na to, aby prvok klesol na polovicu svojej pôvodnej hodnoty.
Stabilita izotopu je ovplyvnená pomerom protónov k neutrónom. Z 339 rôznych typov prvkov, ktoré sa prirodzene vyskytujú na Zemi, bolo 254 (asi 75%) označených ako „stabilné izotopy“ - t. J. Nie sú predmetom rozkladu. Ďalších 34 rádioaktívnych prvkov má polčas rozpadu dlhší ako 80 miliónov rokov a existuje už od začiatku slnečnej sústavy (preto sa nazývajú „prvotné prvky“).
Napokon je známe, že ďalších 51 prvkov s krátkou životnosťou sa vyskytuje prirodzene, ako „dcérske prvky“ (t. J. Jadrové vedľajšie produkty) rozkladu iných prvkov (ako je rádium z uránu). Rádioaktívne prvky s krátkou životnosťou môžu byť navyše výsledkom prírodných energetických procesov na Zemi, ako je bombardovanie kozmickým žiarením (napríklad uhlík-14, ktorý sa vyskytuje v našej atmosfére).
Dejiny štúdia:
Najstaršie známe príklady atómovej teórie pochádzajú zo starovekom Grécku a Indii, kde filozofi ako Demokritus predpokladali, že všetka hmota sa skladá z malých, nedeliteľných a nezničiteľných jednotiek. Termín „atóm“ bol vytvorený v starovekom Grécku a dal vznik škole myšlienok známej ako „atomizmus“. Táto teória však bola skôr filozofickým než vedeckým.
Teória atómov sa stala vedeckou vecou až v 19. storočí, pričom sa uskutočnili prvé experimenty založené na dôkazoch. Napríklad začiatkom 18. storočia anglický vedec John Dalton použil koncept atómu na vysvetlenie, prečo chemické prvky reagovali určitými pozorovateľnými a predvídateľnými spôsobmi.
Dalton začal otázkou, prečo prvky reagovali v pomeroch malých celých čísel, a dospel k záveru, že tieto reakcie sa vyskytovali v celom počte násobkov diskrétnych jednotiek - inými slovami, atómami. Prostredníctvom série experimentov s plynmi dal Dalton ďalej rozvíjať tzv. Daltonovu atómovú teóriu, ktorá zostáva jedným zo základných kameňov modernej fyziky a chémie.
Teória spadá do piatich priestorov: prvky vo svojom najčistom stave pozostávajú z častíc nazývaných atómy; atómy špecifického prvku sú všetky rovnaké až po posledný atóm; atómy rôznych prvkov je možné rozoznať podľa ich atómových hmotností; atómy prvkov sa spoja, aby vytvorili chemické zlúčeniny; atómy nemôžu byť vytvorené ani zničené chemickou reakciou, iba zoskupenie sa stále mení.
Koncom 19. storočia vedci začali teoretizovať, že atóm bol tvorený viac ako jednou základnou jednotkou. Väčšina vedcov sa však odvážila, že touto jednotkou bude veľkosť najmenšieho známeho atómu - vodíka. A potom v roku 1897, fyzikom J.J., prostredníctvom série experimentov s použitím katódových lúčov. Thompson oznámil, že objavil jednotku, ktorá bola 1000 krát menšia a 1800 krát ľahšia ako atóm vodíka.
Jeho experimenty tiež ukázali, že boli totožné s časticami uvoľňovanými fotoelektrickým efektom a rádioaktívnymi materiálmi. Nasledujúce experimenty odhalili, že táto častica prenášala elektrický prúd cez kovové drôty a negatívne elektrické náboje v atómoch. Preto sa častice - pôvodne nazývané „teliesko“ - neskôr zmenili na „elektróny“, ako sa predpokladalo v roku 1874, keď sa predpokladala častica Georgea Johnstona Stoneyho.
Thomson však tiež predpokladal, že elektróny boli distribuované v atóme, čo bolo rovnomerné more pozitívneho náboja. Toto sa stalo známym pod menom „model slivkového pudingu“, ktorý sa neskôr ukázal ako nesprávny. Stalo sa tak v roku 1909, keď fyzici Hans Gieger a Ernest Marsden (pod vedením Ernesta Rutherfoda) experimentovali s použitím kovových fólií a alfa častíc.
V súlade s Daltonovým atómovým modelom verili, že alfa častice by prešli rovno cez fóliu s malým vychýlením. Mnohé častice sa však vychýlili pod uhlom väčším ako 90 °. Aby to vysvetlil, Rutherford navrhol, aby bol kladný náboj atómu sústredený v maličkom jadre v strede.
V roku 1913 fyzik Niels Bohr navrhol model, v ktorom elektróny obiehali okolo jadra, ale mohli tak urobiť iba v konečnom súbore obežných dráh. Navrhol tiež, aby elektróny mohli skočiť medzi obežnými dráhami, ale iba pri diskrétnych zmenách energie zodpovedajúcich absorpcii alebo žiareniu fotónu. Tento nielen rafinovaný Rutherfordov model navrhol, ale vznikol aj koncept kvantizovaného atómu, kde sa hmota chovala v diskrétnych paketoch.
Vývoj hmotnostného spektrometra, ktorý využíva magnet na ohýbanie trajektórie iónového lúča, umožnil meranie hmotnosti atómov so zvýšenou presnosťou. Chemik Francis William Aston použil tento nástroj na preukázanie, že izotopy mali rôzne hmotnosti. Toto následne nasledoval fyzik James Chadwick, ktorý v roku 1932 navrhol neutrón ako spôsob vysvetlenia existencie izotopov.
V priebehu začiatku 20. storočia sa kvantová povaha atómov ďalej rozvíjala. V roku 1922 nemeckí fyzici Otto Stern a Walther Gerlach uskutočnili experiment, pri ktorom lúč strieborných atómov smeroval cez magnetické pole, ktorého cieľom bolo rozdeliť lúč medzi smer atómovej hybnosti (alebo rotácie) atómov.
Známy ako Stern-Gerlachov experiment, výsledkom bolo, že lúč sa rozdelil na dve časti v závislosti od toho, či bolo alebo nebolo smerovanie spinov atómov orientované nahor alebo nadol. V roku 1926 fyzik Erwin Schrodinger použil myšlienku, že častice sa správajú ako vlny, aby vyvinuli matematický model, ktorý elektróny opísal skôr ako trojrozmerné tvary ako obyčajné častice.
Dôsledkom použitia priebehov na opísanie častíc je to, že je matematicky nemožné získať presné hodnoty pre polohu aj hybnosť častice v akomkoľvek danom čase. V tom istom roku Werner Heisenberg sformuloval tento problém a nazval ho „zásadou neistoty“. Podľa Heisenberga je možné pre dané presné meranie polohy získať iba rozsah pravdepodobných hodnôt hybnosti a naopak.
V 30. rokoch 20. storočia objavili fyzikovia jadrové štiepenie vďaka experimentom Otta Hahna, Lise Meitner a Otto Frisch. Hahnove experimenty zahŕňali nasmerovanie neutrónov na atómy uránu v nádeji na vytvorenie transuránového prvku. Namiesto toho tento proces zmenil jeho vzorku uránu-92 (Ur92) na dva nové prvky - bárium (B56) a kryptón (Kr27).
Meitner a Frisch experiment overili a pripísali ho štiepeniu atómov uránu za vzniku dvoch prvkov s rovnakou celkovou atómovou hmotnosťou, čo je proces, ktorý tiež uvoľňuje značné množstvo energie prerušením atómových väzieb. V nasledujúcich rokoch sa začal výskum možnej zbrane tohto procesu (t. J. Jadrové zbrane), ktorý v roku 1945 v USA skonštruoval prvé atómové bomby.
V 50-tych rokoch 20. storočia vývoj vylepšených urýchľovačov častíc a detektorov častíc umožnil vedcom študovať dopady atómov pohybujúcich sa pri vysokých energiách. Z toho sa vyvinul Štandardný model časticovej fyziky, ktorý doteraz úspešne vysvetlil vlastnosti jadra, existenciu teoretických subatomárnych častíc a sily, ktoré riadia ich interakcie.
Moderné experimenty:
Od druhej polovice 20. storočia sa objavilo veľa nových a zaujímavých objavov týkajúcich sa atómovej teórie a kvantovej mechaniky. Napríklad v roku 2012 viedlo dlhé hľadanie Higgsovho bozónu k prelomu, keď výskumníci pracujúci v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN) vo Švajčiarsku oznámili svoj objav.
Fyzici v posledných desaťročiach venovali veľa času a energie vývoju zjednotenej teórie poľa (známej ako Veľká zjednocujúca teória alebo Teória všetkého). Vedci sa od prvého návrhu štandardného modelu v podstate snažili pochopiť, ako štyri základné sily vesmíru (gravitácia, silné a slabé jadrové sily a elektromagnetizmus) spolupracujú.
Zatiaľ čo gravitáciu možno pochopiť pomocou Einsteinových teórií relativity a jadrové sily a elektromagnetizmus možno pochopiť pomocou kvantovej teórie, žiadna teória nemôže zodpovedať za všetky štyri sily, ktoré spolu pracujú. Pokusy o vyriešenie tohto problému viedli v priebehu rokov k viacerým navrhovaným teóriám, od teórie strún až po slučkovú kvantovú gravitáciu. K dnešnému dňu žiadna z týchto teórií neviedla k prelomu.
Naše chápanie atómu prešlo dlhou cestou, od klasických modelov, ktoré ho videli ako inertnú tuhú látku, ktorá mechanicky interagovala s inými atómami, až po moderné teórie, v ktorých sú atómy zložené z energetických častíc, ktoré sa správajú nepredvídateľne. Aj keď to trvalo niekoľko tisíc rokov, naše znalosti základnej štruktúry všetkej hmoty značne pokročili.
A predsa zostáva veľa záhad, ktoré je ešte potrebné vyriešiť. Časom a pokračujúcim úsilím môžeme konečne odomknúť posledné zostávajúce tajomstvá atómu. Potom by sa mohlo veľmi dobre stať, že akékoľvek nové objavy, ktoré urobíme, budú viesť len k ďalším otázkam - a môžu byť ešte viac mätúce ako tie, ktoré prišli predtým!
Napísali sme veľa článkov o atóme časopisu Space Magazine. Tu je článok o atómovom modeli Johna Daltona, atómovom modeli Neilsa Bohra, kto bol demokrat? A koľko atómov existuje vo vesmíre?
Ak by ste chceli získať viac informácií o atóme, prečítajte si článok NASA o analýze malých vzoriek a tu je odkaz na článok o atómoch, prvkoch a izotopoch agentúry NASA.
Zaznamenali sme tiež celú epizódu Obsadenia astronómie, všetko o atóme. Počúvajte tu, epizóda 164: Inside the Atom, epizóda 263: Radioactive Decay a epizóda 394: Standard Model, Bosons.
