Од почетка времена, људска бића су покушавала да схвате од чега се састоји универзум и све што се налази у њему. И док су древни маги и филозофи замишљали свет састављен од четири или пет елемената - земље, ваздуха, воде, ватре (и метала или свести) - од класичне антике, филозофи су почели да теоретизирају да је сва материја заправо састављена од сићушних, невидљиви и недељиви атоми.
Од тог времена научници су се укључили у процес сталног откривања атома, надајући се да ће открити његову праву природу и састав. До 20. века наше разумевање је постало рафинирано до те мере да смо могли да конструишемо тачан модел тога. И у протеклој деценији, наше разумевање је још више напредовало, до тачке да смо потврдили постојање скоро свих његових теоретизованих делова.
Данас су атомска истраживања фокусирана на проучавање структуре и функције материје на субатомском нивоу. То се не састоји само у идентификацији свих субатомских честица за које се сматра да чине атом, већ у истраживању сила које њима управљају. Они укључују снажне нуклеарне силе, слабе нуклеарне силе, електромагнетизам и гравитацију. Ево детаља свега што смо до сада сазнали о атому ...
Структура Атома:
Наш тренутни модел атома може се рашчланити на три саставна дела - протоне, неутрон и електроне. Сваки од ових делова има припадајући набој, при чему протони носе позитиван набој, електрони имају негативан набој и неутрони који немају нето набој. У складу са Стандардним моделом физике честица, протони и неутрони чине језгро атома, док електрони круже у „облаку“.
Електрони у атому привлаче протоне у језгру електромагнетном силом. Електрони могу побјећи из своје орбите, али само као одговор на вањски извор енергије који се примјењује. Што је ближа орбита електрона према језгру, већа је и привлачна сила; према томе, јача је спољна сила потребна да би електрон могао да побјегне.
Електрони орбитирају језгром у више орбита, од којих свака одговара одређеном енергетском нивоу електрона. Електрони могу променити своје стање у виши енергетски ниво тако што апсорбују фотон с довољно енергије да га појачају у ново квантно стање. Исто тако, електрон у вишем енергетском стању може пасти на ниже енергетско стање док зрачи вишак енергије као фотон.
Атоми су електрично неутрални ако имају једнак број протона и електрона. Атоми који имају или дефицит или вишак електрона називају се јони. Електрони који су најудаљенији од језгра могу се пренети у друге атоме у близини или делити између атома. Овим механизмом атоми се могу везати у молекуле и друге врсте хемијских једињења.
Све три ове субатомске честице су Фермиони, класа честица повезаних с материјом која је у природи или елементарна (електрони) или композитна (протони и неутрони). То значи да електрони немају познату унутрашњу структуру, док се протони и неутрони састоје од других субатомских честица. звани кваркови. Постоје две врсте кваркова у атомима који имају фракциони електрични набој.
Протони су састављени од два кварта “горе” (сваки са набојем +2/3) и једног кварка “доле” (-1/3), док се неутрони састоје од једног горе кварка и два доња кварка. Ова разлика објашњава разлику набоја између две честице, која делује на наелектрисање од +1 и 0, док електрони имају набој -1.
Остале субатомске честице укључују Лептоне, који се комбинују са Фермионима и творе градивне материје. У овом атомском моделу постоји шест лептона: честице електрона, муона и тауа и њихови придружени неутрини. Различите сорте Лептонових честица, које се обично називају "ароме", разликују се по величини и наелектрисању, што утиче на ниво њихових електромагнетних интеракција.
Затим, ту су мерачки бозони, који су познати и као "носачи силе" пошто посредују у физичким силама. На пример, глуони су одговорни за снажну нуклеарну силу која држи кваркове заједно, док се за В и З бозоне (још увек хипотетички) верује да су одговорни за слабу нуклеарну силу која стоји иза електромагнетизма. Фотони су основна честица која сачињава свјетлост, док је Хиггс Босон одговоран за давање В и З бозона својој маси.
Атомска маса:
Већина масе атома долази из протона и неутрона који чине његово језгро. Електрони су најмање масивни од саставних честица атома, масе 9,11 к 10-31 кг и величина премала да би се мерила тренутним техникама. Протони имају масу која је 1.836 пута већа од електрона, 1.6726 × 10-27 кг, док су неутрони најмасивнији од три, 1.6929 × 10-27 кг (1.839 пута већа од масе електрона).
Укупан број протона и неутрона у језгру атома (звани „нуклеони“) назива се масним бројем. На пример, елемент Царбон-12 је тако назван јер има масни број 12 - изведен из његових 12 нуклеона (шест протона и шест неутрона). Међутим, елементи су такође распоређени на основу њихових атомских бројева, што је исто као и број протона који се налазе у језгру. У овом случају, Царбон има атомски број 6.
Стварну масу атома у мировању веома је тешко измерити, јер су чак и најмасивнији атоми превише лагани да би се могли изразити у конвенционалним јединицама. Као такви, научници често користе обједињену атомску јединицу масе (у) - која се такође назива далтон (Да) - која је дефинисана као дванаеста од масе слободног неутралног атома угљеника-12, што је отприлике 1,66 × 10-27 кг.
Хемичари такође користе молове, јединицу која је дефинисана као један мол било којег елемента који увек има исти број атома (око 6.022 × 1023). Овај број је изабран тако да ако елемент има атомску масу од 1 у, мол атома тог елемента има масу која је близу једног грама. Због дефиниције обједињене јединице атомске масе, сваки атом угљеника-12 има атомску масу тачно 12 у, па моли угљеник-12 атома теже тачно 0,012 кг.
Радиоактивног распада:
Сва два атома која имају исти број протона припадају истом хемијском елементу. Али атоми с једнаким бројем протона могу имати различит број неутрона, који су дефинисани као различити изотопи истог елемента. Ови изотопи су често нестабилни, а сви они са атомским бројем већим од 82 су познати као радиоактивни.
Када елемент пропадне, његово језгро губи енергију емитујући зрачење - које се може састојати од алфа честица (хелијумских атома), бета честица (позитрона), гама зрака (високофреквентна електромагнетна енергија) и електрона за конверзију. Брзина пропадања нестабилног елемента позната је као његов „полуживот“, што је вријеме потребно да елемент падне на половину почетне вриједности.
На стабилност изотопа утиче однос протона и неутрона. Од 339 различитих врста елемената који се природно јављају на Земљи, 254 (око 75%) су означени као „стабилни изотопи“ - тј. Не подлежу пропадању. Додатна 34 радиоактивна елемента имају полуживот дужи од 80 милиона година и постоје још од раног Сунчевог система (отуда их зову и „примордијални елементи“).
Коначно, познато је да се додатних 51 краткотрајна елемента јављају природно, као "кћерки елементи" (тј. Нуклеарни нуспродукти) распада других елемената (попут радијума из уранијума). Поред тога, краткотрајни радиоактивни елементи могу бити резултат природних енергетских процеса на Земљи, попут бомбардовања космичким зрачењем (на пример, угљеник-14, који се дешава у нашој атмосфери).
Историја студија:
Најранији познати примери атомске теорије потичу из древне Грчке и Индије, где су филозофи попут Демокрита постулирали да је сва материја састављена од сићушних, недељивих и неуништива. Израз "атом" скован је у древној Грчкој и покренуо је школу мисли која је позната као "атомизам". Међутим, ова теорија је била више филозофски концепт него научни.
Тек у 19. веку се теорија атома артикулирала као научна материја, спроведен је први експеримент на основу доказа. На пример, у раним 1800-има, енглески научник Јохн Далтон користио је концепт атома да објасни зашто су хемијски елементи реаговали на одређене видљиве и предвидљиве начине.
Далтон је започео питањем зашто су елементи реаговали у омјерима малих и целих бројева, и закључио да су се те реакције дешавале у мноштву вишеструких дискретних јединица - другим речима, атома. Кроз низ експеримената са гасовима, Далтон је развио оно што је познато као Далтонова атомска теорија, што остаје један од темеља модерне физике и хемије.
Теорија се своди на пет премиса: елементи се, у свом најчишћем стању, састоје од честица које се називају атоми; атоми одређеног елемента су сви исти, све до последњег атома; атоми различитих елемената могу се разликовати по атомској маси; атоми елемената уједињују се у хемијска једињења; атоми се не могу створити или уништити у хемијској реакцији, само се групирање увек мења.
Крајем 19. века научници су почели да теоретишу да је атом сачињен од више основних јединица. Међутим, већина научника је схватила да ће та јединица бити величине најмањег познатог атома - водоника. А онда је 1897. године, кроз низ експеримената са катодним зрацима, физичар Ј.Ј. Тхомпсон је објавио да је открио јединицу која је 1000 пута мања и 1800 пута лакша од атома водоника.
Његови експерименти су такође показали да су идентичне честицама које су испуштане фотоелектричним ефектом и радиоактивним материјалима. Накнадни експерименти открили су да ова честица проводи електричну струју кроз металне жице и негативне електричне набоје унутар атома. Због тога је честица - која је првобитно названа "трупло", касније измењена у "електрон", након што је честица коју је Георге Јохнстоне Стонеи предвидио 1874. године.
Међутим, Тхомсон је такође постулирао да се електрони дистрибуирају по атому, што је било уједначено море позитивног набоја. Ово је постало познато као „модел пудинга од шљиве“, што ће се касније показати погрешним. То се догодило 1909. године, када су физичари Ханс Гиегер и Ернест Марсден (под режијом Ернеста Рутхерфода) спровели свој експеримент користећи металну фолију и алфа честице.
У складу са Далтоновим атомским моделом, веровали су да ће алфа честице пролазити право кроз фолију са малим прогибом. Међутим, многе честице су биле одсечене под угловима већим од 90 °. Да би ово објаснио, Рутхерфорд је предложио да се позитивни набој атома концентрише у малом језгру у центру.
1913. године, физичар Ниелс Бохр предложио је модел где електрони круже око језгра, али то могу учинити само у ограниченом скупу орбита. Такође је предложио да електрони могу прескочити између орбита, али само у дискретним променама енергије које одговарају апсорпцији или зрачењу фотона. Ово је не само рафинирало предложени модел Рутхерфорда, већ је и створило концепт квантизованог атома, где се материја понашала у дискретним пакетима.
Развој масеног спектрометра - који користи магнет да савија путању снопа јона - омогућио је да се маса атома мери са повећаном тачношћу. Хемичар Францис Виллиам Астон користио је овај инструмент да покаже да изотопи имају различиту масу. За то је уследио физичар Џејмс Чадвик, који је 1932. предложио неутрон као начин да објасни постојање изотопа.
Током раног 20. века квантна природа атома се даље развијала. 1922. немачки физичари Отто Стерн и Валтхер Герлацх спровели су експеримент где је сноп атома сребра усмерен кроз магнетно поље, које је имало за циљ да подели сноп између смера момента угла (или центрифуге).
Познат и као Стерн-Герлацхов експеримент, резултати су били да се сноп поделио на два дела, зависно од тога да ли је спин атома оријентисан или не или не. 1926. године, физичар Ервин Сцхродингер искористио је идеју о честицама које се понашају попут таласа, како би развио математички модел који је електроне описао као тродимензионалне облике таласа, а не као пуке честице.
Последица коришћења таласних облика за описивање честица је та што је математички немогуће добити прецизне вредности за положај и момент честице у било ком тренутку. Исте године, Вернер Хеисенберг је формулисао овај проблем и назвао га "принципом неизвесности". Према Хеисенбергу, за дато прецизно мерење положаја, може се добити само опсег вероватних вредности за момент, и обрнуто.
Тридесетих година прошлог века физичари су открили нуклеарну фисију захваљујући експериментима Ота Хахна, Лисе Меитнер и Отта Фрисцха. Хахнови експерименти укључивали су усмеравање неутрона на атоме урана у нади да ће створити трансуранијумски елемент. Уместо тога, процес је претворио његов узорак уранијума-92 (Ур. Ур.)92) у два нова елемента - баријум (Б56) и криптон (Кр.)27).
Меитнер и Фрисцх су верификовали експеримент и приписали га уломима атома урана како би формирали два елемента са истом укупном атомском тежином, процес који је такође пустио значајну количину енергије разбијањем атомских веза. У годинама које су уследиле започето је истраживање могућег оружавања овог процеса (тј. Нуклеарног оружја) и довело до изградње првих атомских бомби у САД-у до 1945. године.
1950-их, развој побољшаних акцелератора и детектора честица омогућио је научницима да проучавају утицаје атома који се крећу високом енергијом. Из овога је развијен Стандардни модел физике честица који је до сада успешно објаснио својства језгра, постојање теоретизованих субатомских честица и силе које управљају њиховим интеракцијама.
Савремени експерименти:
Од друге половине 20. века, мноштво нових и узбудљивих открића било је везано за атомску теорију и квантну механику. На пример, 2012. године, дуга потрага за Хиггсовим Босоном довела је до пробоја где су истраживачи који раде у Европској организацији за нуклеарна истраживања (ЦЕРН) објавили своје откриће.
Последњих деценија физичари су посветили много времена и енергије развоју јединствене теорије поља (ака. Велика обједињујућа теорија или теорија свега). У суштини, откад је први модел предложен, научници су покушали да разумеју како четири основне силе универзума (гравитација, јаке и слабе нуклеарне силе и електромагнетизам) раде заједно.
Док се гравитација може разумети употребом Еинстеинове теорије релативности, а нуклеарне силе и електромагнетизам могу се разумети коришћењем квантне теорије, нити једна теорија не може објаснити све четири силе које раде заједно. Покушаји да се то реши довели су до низа предложених теорија током година, у распону од теорије струна до квантне гравитације петље. До данас ниједна од ових теорија није довела до пробоја.
Наше разумевање атома је прешло дуг пут, од класичних модела који су на њега гледали као на инертну чврсту супстанцу која механички делује с другим атомима, до савремених теорија где су атоми састављени од енергетских честица које се понашају непредвидиво. Иако је прошло неколико хиљада година, наше знање о темељној структури читаве материје значајно је напредовало.
Па ипак, остаје много мистерија које тек треба да буду разрешене. Временом и сталним напорима можда ћемо коначно открити последње преостале тајне атома. И опет, врло је могуће да ће свако ново откриће које створимо само поставити још питања - и они би могли бити још збуњујући од оних који су дошли раније!
Написали смо много чланака о атому за Спаце Магазине. Ево чланка о атомском моделу Јохна Далтона, атомском моделу Неилс Бохра, Ко је био Демоцритус и колико атома има у свемиру?
Ако желите више информација о атому, погледајте НАСА-ин чланак о анализирању ситних узорака, а овде је линк до НАСА-иног чланка о атомима, елементима и изотопима.
Такође смо снимили читаву епизоду Астрономи Цаст-а о Атому. Слушајте овде, епизода 164: Унутар атома, епизода 263: Радиоактивно пропадање и епизода 394: Стандардни модел, бозони.
