Od počátku času se lidské bytosti snaží pochopit, z čeho je vesmír a vše, co je v něm vytvořeno. A zatímco starověcí magie a filozofové pojali svět složený ze čtyř nebo pěti prvků - země, vzduch, voda, oheň (a kov nebo vědomí) - klasickým starověkem, filozofové začali teoretizovat, že veškerá hmota byla ve skutečnosti vytvořena z maličkých, neviditelné a nedělitelné atomy.
Od té doby se vědci zabývají procesem neustálého objevování atomu a doufají, že odhalí jeho pravou podstatu a make-up. Do 20. století se naše chápání zdokonalilo do té míry, že jsme byli schopni vytvořit jeho přesný model. A v posledním desetiletí se naše porozumění posunulo ještě dále k věci, že jsme dospěli k potvrzení existence téměř všech jeho teoretických částí.
Dnes se atomový výzkum zaměřuje na studium struktury a funkce hmoty na subatomární úrovni. Nejde jen o identifikaci všech subatomických částic, o nichž se předpokládá, že tvoří atom, ale o prozkoumání sil, které je ovládají. Patří sem silné jaderné síly, slabé jaderné síly, elektromagnetismus a gravitace. Zde je rozpis všeho, co jsme se doposud dozvěděli o atomu ...
Struktura atomu:
Náš současný model atomu lze rozdělit na tři části - protony, neutrony a elektrony. Každá z těchto částí má přidružený náboj, přičemž protony nesou kladný náboj, elektrony mají záporný náboj a neutrony nemají žádný náboj. V souladu se standardním modelem částicové fyziky tvoří protony a neutrony jádro atomu, zatímco elektrony ho obíhají v „oblaku“.
Elektrony v atomu jsou přitahovány k protonům v jádru elektromagnetickou silou. Elektrony mohou uniknout ze své oběžné dráhy, ale pouze jako reakce na externí zdroj energie. Čím blíže orbita elektronu k jádru, tím větší přitažlivá síla; proto silnější vnější síla potřebovala způsobit únik elektronů.
Elektrony obíhají kolem jádra ve více oběžných drahách, z nichž každý odpovídá určité energetické hladině elektronu. Elektron může změnit svůj stav na vyšší energetickou úroveň tím, že absorbuje foton s dostatečnou energií, aby ho podpořil do nového kvantového stavu. Podobně může elektron ve stavu vyšší energie klesnout do stavu nižší energie, zatímco vyzařuje přebytečnou energii jako foton.
Atomy jsou elektricky neutrální, pokud mají stejný počet protonů a elektronů. Atomy, které mají buď deficit nebo nadbytek elektronů, se nazývají ionty. Elektrony, které jsou nejdál od jádra, mohou být přeneseny na jiné blízké atomy nebo mezi atomy sdíleny. Tímto mechanismem jsou atomy schopné vázat se na molekuly a jiné typy chemických sloučenin.
Všechny tři tyto subatomické částice jsou Fermiony, třída částic spojená s hmotou, která je v přírodě buď elementární (elektrony) nebo kompozitní (protony a neutrony). To znamená, že elektrony nemají známou vnitřní strukturu, zatímco protony a neutrony jsou tvořeny jinými subatomovými částicemi. zvané kvarky. Existují dva typy kvarků v atomech, které mají zlomkový elektrický náboj.
Protony jsou složeny ze dvou „nahoru“ kvarků (každý s nábojem +2/3) a jednoho „down“ kvarku (-1/3), zatímco neutrony se skládají z jednoho kvarku nahoru a dvou dolů kvarků. Toto rozlišení odpovídá rozdílu v náboji mezi dvěma částicemi, který vychází z náboje +1 a 0, zatímco elektrony mají náboj -1.
Jiné subatomické částice zahrnují Leptony, které se kombinují s Fermiony a vytvářejí stavební kameny hmoty. V současném atomovém modelu je šest leptonů: částice elektronu, mionu a tau a jejich přidružená neutrina. Různé odrůdy Leptonových částic, běžně nazývané „příchutě“, se liší podle jejich velikostí a nábojů, což ovlivňuje úroveň jejich elektromagnetických interakcí.
Pak existují Gauge Bosons, které jsou známé jako „nosiče sil“, protože zprostředkovávají fyzické síly. Například, gluony jsou zodpovědné za silnou jadernou sílu, která drží kvarky pohromadě, zatímco W a Z bosony (stále hypotetické) jsou považovány za zodpovědné za slabou jadernou sílu za elektromagnetismem. Fotony jsou elementární částicí, která tvoří světlo, zatímco Higgsův Boson je zodpovědný za dávání bosonů W a Z jejich hmotnosti.
Atomová hmotnost:
Většina atomové hmoty pochází z protonů a neutronů, které tvoří její jádro. Elektrony jsou nejmenší z hmotných částic atomu s hmotností 9,11 x 10-31 kg a příliš malá velikost, aby bylo možné měřit současnými technikami. Protony mají hmotnost 1,836krát větší než elektron, 1,6726 × 10-27 kg, zatímco neutrony jsou nejhmotnější ze tří, při 1,6929 × 10-27 kg (1,839násobek hmotnosti elektronu).
Celkový počet protonů a neutronů v atomovém jádru (nazývaný „nukleony“) se nazývá hmotnostní číslo. Například prvek Carbon-12 je tak pojmenován, protože má hmotnost 12 - odvozený z jeho 12 nukleonů (šest protonů a šest neutronů). Prvky jsou však také uspořádány na základě jejich atomových čísel, která jsou stejná jako počet protonů nalezených v jádru. V tomto případě má uhlík atomové číslo 6.
Skutečná hmotnost atomu v klidu se měří velmi obtížně, protože i ty nejhmotnější atomy jsou příliš lehké na to, aby se vyjádřily v konvenčních jednotkách. Vědci často používají jednotnou atomovou hmotnostní jednotku (u) - nazývanou také dalton (Da) -, která je definována jako dvanáctina hmotnosti volného neutrálního atomu uhlíku-12, což je přibližně 1,66 × 10-27 kg.
Chemici také používají krtky, jednotku definovanou jako jeden mol jakéhokoli prvku, který má vždy stejný počet atomů (asi 6,022 × 10)23). Toto číslo bylo vybráno tak, že pokud má prvek atomovou hmotnost 1 u, mol atomů tohoto prvku má hmotnost blízkou jednom gramu. Kvůli definici sjednocené atomové hmotnostní jednotky má každý atom uhlíku-12 atomovou hmotnost přesně 12 u, takže mol atomů uhlíku-12 váží přesně 0,012 kg.
Radioaktivní rozpad:
Jakékoli dva atomy, které mají stejný počet protonů, patří ke stejnému chemickému prvku. Atomy se stejným počtem protonů však mohou mít různý počet neutronů, které jsou definovány jako různé izotopy stejného prvku. Tyto izotopy jsou často nestabilní a všichni, kteří mají atomové číslo větší než 82, jsou známí jako radioaktivní.
Když element podstoupí rozpad, jeho jádro ztratí energii tím, že vyzařuje záření - který může sestávat z alfa částic (atomy helia), beta částic (pozitronů), gama paprsků (vysokofrekvenční elektromagnetická energie) a konverzních elektronů. Míra, při které se nestabilní prvek rozkládá, se nazývá „poločas“, což je doba potřebná k tomu, aby prvek klesl na polovinu své počáteční hodnoty.
Stabilita izotopu je ovlivněna poměrem protonů k neutronům. Z 339 různých typů prvků, které se na Zemi vyskytují přirozeně, bylo 254 (asi 75%) označeno jako „stabilní izotopy“ - tj. Nebyly předmětem rozkladu. Dalších 34 radioaktivních prvků má poločasy delší než 80 miliónů let a existují také od počátku sluneční soustavy (proto se nazývají „prvotní prvky“).
Konečně je známo, že se dalších 51 prvků s krátkou životností vyskytuje přirozeně, jako „dceřiné prvky“ (tj. Jaderné vedlejší produkty) rozkladu jiných prvků (jako je radium z uranu). Radioaktivní prvky s krátkou životností mohou být navíc výsledkem přirozených energetických procesů na Zemi, jako je bombardování kosmickým paprskem (například uhlík-14, který se vyskytuje v naší atmosféře).
Dějiny studia:
Nejdříve známé příklady atomové teorie pocházejí ze starověkého Řecka a Indie, kde filozofové jako Demokritus předpokládali, že veškerá hmota byla složena z malých, nedělitelných a nezničitelných jednotek. Pojem „atom“ byl vytvořen ve starověkém Řecku a dal vznik škole myšlenek známé jako „atomismus“. Tato teorie však byla spíše filozofickým konceptem než vědeckým.
Teorie atomů se stala až vědeckou záležitostí až v 19. století, kdy byly provedeny první experimenty založené na důkazech. Například na začátku osmdesátých let použil anglický vědec John Dalton koncept atomu k vysvětlení toho, proč chemické prvky reagovaly určitými pozorovatelnými a předvídatelnými způsoby.
Dalton začal otázkou, proč prvky reagovaly v poměrech malých celých čísel, a dospěl k závěru, že k těmto reakcím došlo v celé řadě násobků diskrétních jednotek - jinými slovy atomy. Prostřednictvím řady experimentů, které se týkaly plynů, Dalton pokračoval ve vývoji tzv. Daltonovy atomové teorie, která zůstává jedním ze základních kamenů moderní fyziky a chemie.
Teorie sestupuje do pěti prostor: prvky v jejich nejčistším stavu sestávají z částic nazývaných atomy; atomy specifického prvku jsou všechny stejné, až po poslední atom; atomy různých prvků lze rozeznat podle jejich atomových hmotností; atomy prvků se spojí a vytvoří chemické sloučeniny; atomy nemohou být vytvořeny ani zničeny chemickou reakcí, pouze seskupení se někdy mění.
Koncem 19. století začali vědci teoretizovat, že atom je tvořen více než jednou základní jednotkou. Většina vědců se však odvážila, že tato jednotka bude mít velikost nejmenšího známého atomu - vodíku. A pak v roce 1897 fyzikem J.J. prostřednictvím série experimentů s použitím katodových paprsků. Thompson oznámil, že objevil jednotku, která byla 1000krát menší a 1800krát lehčí než atom vodíku.
Jeho experimenty také ukázaly, že byly totožné s částicemi vydanými fotoelektrickým efektem a radioaktivními materiály. Následující experimenty odhalily, že tato částice přenášela elektrický proud přes kovové dráty a negativní elektrické náboje uvnitř atomů. Proto byla částice - původně pojmenovaná „korpus“ - později změněna na „elektron“ poté, co byla v roce 1874 předpovězena částice George Johnstona Stoneyho.
Thomson však také předpokládal, že elektrony byly distribuovány v atomu, což bylo jednotné moře pozitivního náboje. Toto se stalo známým jako „model švestkového pudinku“, který by se později ukázal jako špatný. K tomu došlo v roce 1909, kdy fyzikové Hans Gieger a Ernest Marsden (pod vedením Ernesta Rutherfoda) provedli experiment s použitím kovových fólií a alfa částic.
V souladu s Daltonovým atomovým modelem věřili, že alfa částice by procházely rovnou fólií s malým průhybem. Mnoho z těchto částic však bylo odkloněno v úhlech větších než 90 °. Aby to vysvětlil, Rutherford navrhl, aby kladný náboj atomu byl soustředěn v malém jádru ve středu.
V roce 1913 navrhl fyzik Niels Bohr model, ve kterém elektrony obíhaly kolem jádra, ale mohl tak učinit pouze v konečné sadě orbit. Také navrhl, aby elektrony mohly skočit mezi oběžné dráhy, ale pouze v diskrétních změnách energie odpovídající absorpci nebo záření fotonu. Tento Rutherfordův navrhovaný model nejen vylepšil, ale také vznikl koncept kvantizovaného atomu, kde se hmota chovala v diskrétních paketech.
Vývoj hmotnostního spektrometru - který používá magnet k ohýbání trajektorie svazku iontů - umožnil měření hmotnosti atomů se zvýšenou přesností. Chemik Francis William Aston použil tento nástroj k prokázání, že izotopy měly různé hmotnosti. Toto následně sledoval fyzik James Chadwick, který v roce 1932 navrhl neutron jako způsob, jak vysvětlit existenci izotopů.
V průběhu počátku 20. století byla kvantová povaha atomů dále rozvíjena. V roce 1922 provedli němečtí fyzikové Otto Stern a Walther Gerlach experiment, při kterém byl paprsek atomů stříbra nasměrován magnetickým polem, jehož cílem bylo rozdělit paprsek mezi směr atomové hybnosti (nebo spinu).
Známý jako Sternův-Gerlachův experiment byl výsledkem toho, že paprsek se rozdělil na dvě části v závislosti na tom, zda byl nebo nebyl spin atomů orientován nahoru nebo dolů. V roce 1926 fyzik Erwin Schrodinger použil myšlenku, že se částice chovají jako vlny, aby vyvinuly matematický model, který popisuje elektrony spíše jako trojrozměrné průběhy než pouhé částice.
Důsledkem použití průběhů k popisu částic je to, že je matematicky nemožné získat přesné hodnoty pro polohu i hybnost částice v daném okamžiku. Téhož roku Werner Heisenberg tento problém formuloval a nazval jej „principem nejistoty“. Podle Heisenberga lze pro dané přesné měření polohy získat pouze rozsah pravděpodobných hodnot hybnosti a naopak.
Ve 30. letech objevili fyzikové jaderné štěpení díky experimentům Otta Hahna, Lise Meitnerové a Otto Frische. Hahnovy experimenty zahrnovaly nasměrování neutronů na atomy uranu v nadějích na vytvoření transuranového prvku. Místo toho tento proces změnil jeho vzorek uranu-92 (Ur92) na dva nové prvky - baryum (B56) a krypton (Kr27).
Meitner a Frisch experiment ověřili a připsali jej štěpení atomů uranu za vzniku dvou prvků se stejnou celkovou atomovou hmotností, což je proces, který také uvolnil značné množství energie přerušením atomových vazeb. V následujících letech byl zahájen výzkum možného zbrojení tohoto procesu (tj. Jaderných zbraní) a vedl k výstavbě prvních atomových bomb v USA do roku 1945.
V 50. letech 20. století umožnil vývoj vylepšených urychlovačů částic a detektorů částic vědcům studovat dopady atomů pohybujících se při vysokých energiích. Z toho byl vyvinut standardní model fyziky částic, který doposud úspěšně vysvětlil vlastnosti jádra, existenci teoretických subatomických částic a síly, které řídí jejich interakce.
Moderní experimenty:
Od druhé poloviny 20. století se objevilo mnoho nových a vzrušujících objevů s ohledem na atomovou teorii a kvantovou mechaniku. Například v roce 2012 vedlo dlouhé hledání Higgsova bosona k průlomu, kdy vědci pracující ve Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN) ve Švýcarsku oznámili svůj objev.
V posledních desetiletích byli fyzici věnovali hodně času a energie vývoji sjednocené teorie pole (aka. Velká sjednocující teorie nebo teorie všeho). V zásadě se od prvního návrhu standardního modelu vědci snažili porozumět tomu, jak čtyři základní síly vesmíru (gravitace, silné a slabé jaderné síly a elektromagnetismus) spolupracují.
Zatímco gravitaci lze chápat pomocí Einsteinových teorií relativity a jaderné síly a elektromagnetismus lze chápat pomocí kvantové teorie, žádná teorie nemůže odpovídat za všechny čtyři síly spolupracující. Pokusy o vyřešení tohoto problému vedly v průběhu let k řadě navrhovaných teorií, od Teorie strun až po smyčkovou kvantovou gravitaci. Dosud žádná z těchto teorií nevedla k průlomu.
Naše chápání atomu prošlo dlouhou cestu, od klasických modelů, které jej považovaly za inertní pevnou látku, která mechanicky interagovala s jinými atomy, až po moderní teorie, kde jsou atomy složeny z energetických částic, které se chovají nepředvídatelně. I když to trvalo několik tisíc let, naše znalost základní struktury veškeré hmoty značně pokročila.
A přesto zůstává mnoho záhad, které je ještě třeba vyřešit. Časem a pokračujícím úsilím můžeme konečně odemknout poslední zbývající tajemství atomu. Pak by opět mohlo být dobře, že jakékoli nové objevy, které provedeme, povedou pouze k dalším otázkám - a mohou být ještě více matoucí než ty, které přišly dříve!
Napsali jsme mnoho článků o atomu časopisu Space Magazine. Tady je článek o atomovém modelu Johna Daltona, atomovém modelu Neilsa Bohra, Kdo byl Democritus? A kolik atomů existuje ve vesmíru?
Pokud byste chtěli získat více informací o atomu, podívejte se na článek NASA o analýze malých vzorků a zde je odkaz na článek NASA o atomech, prvcích a izotopech.
Zaznamenali jsme také celou epizodu obsazení Astronomie Cast o Atomu. Poslouchejte zde, Episode 164: Inside the Atom, Episode 263: Radioactive Decay a Episode 394: Standard Model, Bosons.
