Kako znamo da se sve sastoji od atoma?

Planine, zvijezde, ljudi - sve što vidimo se sastoji od sitnih atoma. Atomi su mali. Vrlo, jako puno. Od djetinjstva znamo da se sva materija sastoji od skupina tih sitnih stvari. Također znamo da ih se ne može vidjeti golim okom. Prisiljeni smo slijepo vjerovati u te izjave bez mogućnosti provjere. Atomi međusobno djeluju i čine naš svijet ciglama. Kako to znamo? Mnogi ne vole prihvaćati tvrdnje znanstvenika po nominalnoj vrijednosti. Idemo zajedno s znanošću od razumijevanja atoma do izravnog dokaza njihovog postojanja..

Može se činiti da postoji jednostavan način za dokazivanje postojanja atoma: stavite ih pod mikroskop. Ali ovaj pristup neće uspjeti. Čak i najsnažniji mikroskopi koji fokusiraju svjetlo ne mogu vizualizirati jedan atom. Objekt postaje vidljiv jer reflektira svjetlosne valove. Atomi su toliko manji od valne duljine vidljivog svjetla da uopće ne djeluju. Drugim riječima, atomi su nevidljivi čak i na svjetlo. Međutim, atomi još uvijek imaju vidljive učinke na određene stvari koje možemo vidjeti..

Prije stotina godina, 1785. godine, nizozemski znanstvenik Jan Ingenhauz proučavao je neobičan fenomen koji nije mogao razumjeti. Najmanje čestice ugljene prašine njuškale su oko površine alkohola u njegovom laboratoriju..

50 godina kasnije, 1827., škotski botaničar Robert Brown opisao je nešto iznenađujuće slično. Proučavajući granule peludi pod mikroskopom, Brown je otkrio da neke granule emitiraju sitne čestice - koje su zatim uklonjene s peluda u povremenim plesovima živaca..

U početku je Browne mislio da su čestice neka vrsta nepoznatog organizma. Ponovio je eksperiment s drugim tvarima, kao što je kamena prašina, koja je bila očito neživom, i ponovno je vidio čudan pokret..

Trebalo je gotovo stotinu godina da znanost pronađe objašnjenje. Einstein je došao i razvio matematičku formulu koja je predvidjela vrlo poseban tip gibanja - tada nazvan Brownovo gibanje, u čast Roberta Browna. Einsteinova teorija glasila je da se čestice peludnih granula neprestano kreću jer su se u njih srušili milijuni sitnih molekula vode - molekula koje se sastoje od atoma..

"On je objasnio da je ovaj živčani pokret koji promatrate zapravo uzrokovan utjecajem pojedinih molekula vode na čestice prašine ili ono što imate tamo", objašnjava Harry Cliff sa Sveučilišta Cambridge, također kustos Muzeja znanosti u Londonu..

Do 1908. godine opažanja koja su podržana izračunima pokazala su da su atomi stvarni. Za deset godina fizičari su značajno napredovali. Ispruživši pojedinačne atome, počeli su shvaćati njihovu unutarnju strukturu..

Iznenađenje je da se atomi mogu podijeliti - osobito u svjetlu činjenice da je samo ime "atom" izašlo iz grčkog "atoma", što znači "nedjeljivo". No fizičari sada znaju da su atomi daleko od osnovnih opeka. Sastoje se od tri glavna dijela: protona, neutrona i elektrona. Zamislite da protoni i neutroni zajedno tvore "sunce", ili jezgru, u središtu sustava. Elektroni su u orbiti ove jezgre, poput planeta.

Ako su atomi nezamislivo mali, onda su ove subatomske čestice potpuno. Smiješno, ali najprije je otkrio najmanju česticu tri - elektron. Da bismo razumjeli razliku u veličini, imajte na umu da su protoni u jezgri 1.830 puta veći od elektrona. Zamislite chupa chups u orbiti balona - razlika će biti nešto poput.

Ali kako znamo da su te čestice tu? Odgovor je da su mali, ali imaju veliki utjecaj. Britanski fizičar Thomson, koji je otkrio elektrone, koristio je izvrsnu metodu da dokaže svoje postojanje 1897. godine.

Imao je Crookesovu cijev - komadić stakla smiješnog oblika, iz kojeg je stroj isisao gotovo sav zrak. Negativni električni naboj je nanesen na jedan kraj cijevi. Taj je naboj bio dovoljan da izbaci neke elektrone iz molekula plina koji je ostao u cijevi. Elektroni su negativno nabijeni, pa su poletjeli na drugi kraj cijevi. Zbog djelomičnog vakuuma, elektroni su letjeli kroz cijev, ne susrećući velike atome na svom putu..

Električni naboj doveo je do toga da su se elektroni kretali vrlo brzo - oko 59.500 kilometara u sekundi - sve dok nisu udarili u staklo na drugom kraju, izbivši još više elektrona koji su bili skriveni u njegovim atomima. Iznenađujuće, kolizija tih zapanjujućih sitnih čestica proizvela je toliko energije da je stvorila fantastičan zeleni i žuti sjaj..

"To je u određenom smislu bio jedan od prvih akceleratora čestica", kaže Cliff. "On ubrzava elektrone na jednom kraju cijevi do drugog, a oni udaraju u ekran na drugom kraju, stvarajući fosforescentni sjaj.".

Budući da je Thomson otkrio da može kontrolirati elektronske zrake s magnetima i električnim poljima, znao je da to nisu samo čudne zrake svjetlosti - to su nabijene čestice..

A ako vas zanima kako ovi elektroni mogu letjeti neovisno o svojim atomima, to je zbog procesa ionizacije, u kojem - u ovom slučaju - električni naboj mijenja strukturu atoma, izbacujući elektrone u prostor u blizini..

Konkretno, zbog činjenice da su elektroni tako lako manipulirati i kretati se, električni krugovi su postali mogući. Elektroni u bakrenoj žici kreću se poput vlaka iz jednog bakrenog atoma u drugi - tako da se žica prenosi kroz žicu. Atomi, kao što smo rekli, nisu čvrsti dijelovi materije, već sustavi koji se mogu modificirati ili podijeliti na strukturne elemente..

Otkriće elektrona pokazalo je da trebate saznati više o atomima. Thomsonov rad pokazao je da su elektroni negativno nabijeni - ali je znao da sami atomi nemaju zajedničko naboje. Predložio je da moraju sadržavati tajanstvene pozitivno nabijene čestice kako bi nadomjestili negativno nabijene elektrone..

Eksperimenti s početka 20. stoljeća otkrili su te pozitivno nabijene čestice i istodobno otkrili unutarnju strukturu atoma - slično Sunčevom sustavu..

Ernest Rutherford i njegovi kolege uzeli su vrlo tanku metalnu foliju i stavili je pod snop pozitivno nabijenog zračenja - struje sitnih čestica. Većina moćnog zračenja prošla je, kao što je Rutherford vjerovao, s obzirom na debljinu folije. No, na iznenađenje znanstvenika, dio je odbijen.

Rutherford je sugerirao da atomi u metalnoj foliji trebaju sadržavati male guste regije s pozitivnim nabojem - ništa drugo ne bi imalo potencijal da odražava tako snažno zračenje. Otkrio je pozitivne naboje u atomu - i istodobno dokazali da su svi povezani u gustu masu, za razliku od elektrona. Drugim riječima, pokazao je postojanje guste jezgre u atomu.

Došlo je do problema. Do tada su već mogli izračunati masu atoma. Ali s obzirom na podatke o tome koliko su teške čestice jezgre trebale biti, ideja da su svi bili pozitivno nabijeni nije imala smisla..

"Ugljik ima šest elektrona i šest protona u nukleusu - šest pozitivnih naboja i šest negativnih naboja, - objašnjava Cliff. - Ali nuklearna ugljika ne teži šest protona, ona teži ekvivalent od 12 protona".

Isprva se pretpostavljalo da postoji šest drugih nuklearnih čestica s masom protona, ali negativno nabijenih: neutroni. Ali to nitko nije mogao dokazati. Zapravo, neutroni se nisu mogli naći sve do 1930-ih.

Cambridge fizičar James Chadwick očajnički je pokušao otvoriti neutron. Na toj je teoriji radio mnogo godina. Godine 1932. uspio je napraviti proboj..

Nekoliko godina prije, drugi su fizičari eksperimentirali s radijacijom. Pokrenuli su pozitivno nabijeno zračenje - tipa koji je Rutherford koristio za traženje jezgre - u atome berilija. Berilij je emitirao vlastito zračenje: zračenje koje nije bilo pozitivno ili negativno nabijeno i moglo bi prodrijeti duboko u materijal..

Drugi su već shvatili da je gama zračenje neutralno i duboko prodrlo, tako da fizičari vjeruju da ga emitiraju atomi berilija. Ali Chadwick nije tako mislio.

Samostalno je proizveo novo zračenje i usmjerio ga prema supstanci za koju je znao da je bogata protonima. Iznenada se ispostavilo da su protoni izbačeni iz materijala kao da su čestice s identičnom masom - poput kugli za bilijar s drugim kuglama..

Gama zračenje ne može reflektirati protone na taj način, pa je Chadwick odlučio da čestice o kojima je riječ moraju imati masu protona, ali drugačiji električni naboj: a to su neutroni.

Pronađene su sve glavne čestice atoma, ali priča se ne završava..

Iako smo naučili puno više o atomima nego što smo ranije znali, bilo ih je teško vizualizirati. Tridesetih godina prošlog stoljeća nitko nije snimao njihove slike - i mnogi su ih željeli vidjeti kako bi prihvatili njihovo postojanje..

Važno je, međutim, napomenuti da su metode koje su koristili znanstvenici poput Thomsona, Rutherforda i Chadwicka utro put za novu opremu, što nam je u konačnici pomoglo da napravimo te slike. Elektronske zrake koje je Thomson generirao u svom eksperimentu s Crookesovom cijevi pokazale su se osobito korisnim..

Danas se takve zrake generiraju elektronskim mikroskopom, a najmoćniji od takvih mikroskopa zapravo mogu slikati pojedinačne atome. To je zato što elektronska zraka ima valnu duljinu tisuću puta kraću od snopa svjetlosti - tako kratko, zapravo, da se valovi elektrona mogu odbiti od sitnih atoma i proizvesti sliku koja svjetlosne zrake ne mogu.

Neil Skipper sa sveučilišta u Londonu kaže da su takve slike korisne za ljude koji žele proučiti atomsku strukturu posebnih tvari - poput onih koje se koriste u proizvodnji baterija za električna vozila. Što više znamo o njihovoj atomskoj strukturi, bolje možemo dizajnirati baterije, učiniti ih učinkovitim i pouzdanim..

Također možete razumjeti kako atomi izgledaju samo tako što ih gurkaju. Zapravo, radi se o mikroskopiji atomske sile.

Ideja je da se vrh ekstremno male sonde dovede na površinu molekule ili tvari. S dovoljnom blizinom, sonda će biti osjetljiva na kemijsku strukturu onoga što pokazuje, a promjena otpora kako se sonda pomiče omogućit će znanstvenicima da slikaju, na primjer, jednu molekulu..

Nedavno su znanstvenici objavili prekrasne slike molekule prije i nakon kemijske reakcije pomoću ove metode..

Skipper dodaje da mnogi znanstvenici iz atomskih istraživanja istražuju kako se struktura stvari mijenja kada je izložena visokom tlaku ili temperaturi. Većina ljudi zna da kada se tvar zagrije, ona se često širi. Sada možete otkriti atomske promjene koje se događaju dok radite ovo, što je često od pomoći..

"Kada se tekućina zagrije, možete primijetiti kako njezini atomi imaju neuređenu konfiguraciju", kaže Skipper. "To možete vidjeti izravno iz strukturne karte.".

Skiper i drugi fizičari također mogu raditi s atomima pomoću neutronskih zraka, koje je Chadwick prvi put otkrio 1930-ih.

"U uzorke materijala izvodimo mnogo neutronskih zraka, a iz nastajućeg uzorka raspršenja možete shvatiti da raspršujete neutrone u jezgrama", kaže on..

Ali atomi nisu uvijek tamo, u stabilnom stanju, čekajući da ih prouče. Ponekad propadnu - to jest, oni su radioaktivni..

Postoji mnogo prirodnih radioaktivnih elemenata. Ovaj proces generira energiju koja je temelj nuklearne energije - i nuklearne bombe. Nuklearni fizičari, u pravilu, pokušavaju bolje razumjeti reakcije u kojima jezgra prolazi kroz temeljne promjene poput ovih.

Laura Harkness-Brennan sa Sveučilišta u Liverpoolu specijalizirala se za proučavanje gama zraka - tipa zračenja koje emitiraju propadajući atomi. Određeni tip radioaktivnog atoma emitira određeni oblik gama zraka. To znači da možete identificirati atome samo registriranjem energije gama zraka - to je zapravo Harkness-Brennan koji on radi u svom laboratoriju..

"Vrste detektora koje trebate koristiti predstavljaju detektori koji vam omogućuju mjerenje prisutnosti zračenja i energije zračenja koja je odgođena", kaže ona. "Sve zato što sve jezgre imaju poseban otisak.".

Budući da su svi tipovi atoma prisutni u području gdje je detektirano zračenje, osobito nakon velike nuklearne reakcije, važno je točno znati koji su radioaktivni izotopi prisutni. Takvo otkrivanje se obično provodi u nuklearnim postajama ili u područjima u kojima je došlo do nuklearne katastrofe..

Harkness-Brennan i njezini kolege sada rade na detekcijskim sustavima koji se mogu smjestiti na mjestima kako bi se prikazali u tri dimenzije gdje zračenje može biti prisutno u određenoj prostoriji. "Potrebna vam je oprema i alati koji će vam omogućiti da napravite trodimenzionalnu kartu prostora i kažete gdje je zračenje u ovoj sobi, u ovoj cijevi", kaže ona..

Također možete vizualizirati zračenje u "Wilson komori". U ovom posebnom eksperimentu, alkoholna para hlađena do -40 stupnjeva Celzija raspršuje se u oblaku preko radioaktivnog izvora. Napunjene čestice zračenja, koje lete iz izvora zračenja, izbacuju elektrone iz molekula alkohola. Alkohol se kondenzira u tekućinu blizu puta emitiranih čestica. Rezultati ove vrste detekcije su impresivni..

Malo smo radili izravno s atomima - ako nismo shvatili da su to prekrasne složene strukture koje se mogu podvrgnuti nevjerojatnim promjenama, od kojih se mnoge događaju u prirodi. Proučavajući atome na taj način, poboljšavamo vlastite tehnologije, izvlačimo energiju iz nuklearnih reakcija i bolje razumijemo prirodni svijet oko nas. Također smo imali priliku zaštititi se od zračenja i proučiti kako se tvari mijenjaju u ekstremnim uvjetima..

"S obzirom na to kako je atom mali, nevjerojatno je koliko fizike možemo iz njega izvući", prikladno primjećuje Harkness-Brennan. Sve što vidimo oko nas sastoji se od tih najmanjih čestica. I dobro je znati da su tamo, jer je zahvaljujući njima sve moguće oko..