Kateri so deli atoma?

Od začetka časa so ljudje poskušali razumeti, iz česa je sestavljeno vesolje in vse v njem. In medtem ko so si starodavni magi in filozofi do klasične antike zamislili svet, sestavljen iz štirih ali petih elementov – zemlje, zraka, vode, ognja (in kovine ali zavesti), so filozofi začeli teoretizirati, da je vsa snov dejansko sestavljena iz drobnih, nevidni in nedeljivi atomi.

Od takrat so znanstveniki sodelovali v procesu nenehnega odkrivanja atoma, v upanju, da bodo odkrili njegovo pravo naravo in sestavo. Do 20. stoletja se je naše razumevanje izpopolnilo do te mere, da smo lahko zgradili natančen model tega. In v zadnjem desetletju je naše razumevanje napredovalo še dlje, do te mere, da smo potrdili obstoj skoraj vseh njegovih teoretiziranih delov.

Danes so atomske raziskave osredotočene na preučevanje strukture in delovanja snovi na subatomski ravni. To ne zajema samo identifikacije vseh subatomskih delcev, za katere se domneva, da sestavljajo atom, temveč raziskovanje sil, ki jih upravljajo. Sem spadajo močne jedrske sile, šibke jedrske sile, elektromagnetizem in gravitacija. Tukaj je razčlenitev vsega, kar smo se do zdaj naučili o atomu ...

Struktura atoma:

Naš trenutni model atoma lahko razdelimo na tri sestavne dele – protone, nevtrone in elektrone. Vsak od teh delov ima povezan naboj, pri čemer so protoni nosili pozitiven naboj, elektroni imajo negativen naboj in nevtroni nimajo neto naboja. V skladu z Standardni model fizike delcev , protoni in nevtroni sestavljajo jedro atoma, medtem ko elektroni krožijo okoli njega v »oblaku«.

Neils Bohrov model atoma dušika. Zasluge: britannica.com

Elektrone v atomu pritegnejo protoni v jedru z elektromagnetno silo. Elektroni lahko pobegnejo iz svoje orbite, vendar le kot odziv na zunanji vir energije. Bolj kot je orbita elektrona jedru, večja je privlačna sila; torej močnejša je zunanja sila, ki je potrebna, da pobegne elektron.

Elektroni krožijo okoli jedra v več orbitah, od katerih vsaka ustreza določeni energijski ravni elektrona. Elektron lahko spremeni svoje stanje na višjo energijsko raven tako, da absorbira foton z zadostno energijo, da ga dvigne v novo kvantno stanje. Podobno lahko elektron v stanju višje energije pade v nižje energijsko stanje, medtem ko odvečno energijo oddaja kot foton.

Atomi so električno nevtralni, če imajo enako število protonov in elektronov. Atomi, ki imajo bodisi pomanjkanje bodisi presežek elektronov, se imenujejo ioni. Elektroni, ki so najbolj oddaljeni od jedra, se lahko prenesejo na druge bližnje atome ali delijo med atome. S tem mehanizmom se atomi lahko vežejo v molekule in druge vrste kemičnih spojin.

Vsi trije ti subatomski delci so fermioni, razred delcev, povezanih s snovjo, ki je po naravi bodisi elementarna (elektroni) bodisi sestavljena (protoni in nevtroni). To pomeni, da elektroni nimajo znane notranje strukture, medtem ko so protoni in nevtroni sestavljeni iz drugih subatomskih delcev. imenovani kvarki. Obstajata dve vrsti kvarkov v atomih, ki imajo delni električni naboj.

Elementarni delci standardnega modela. Zasluge: PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group

Protoni so sestavljeni iz dveh »gornjih« kvarkov (vsak z nabojem +2/3) in enega »dolžnega« kvarka (-1/3), medtem ko nevtroni sestavljajo en gornji kvark in dva nižja kvarka. To razlikovanje pojasnjuje razliko v naboju med delcema, ki deluje na naboj +1 oziroma 0, medtem ko imajo elektroni naboj -1.

Drugi subatomski delci vključujejo leptone, ki se združujejo s fermioni, da tvorijo gradnike snovi. V sedanjem atomskem modelu je šest leptonov: elektron, mion in tau delci ter z njimi povezani nevtrini. Različne vrste delcev Leptona, ki jih običajno imenujemo 'okusi', se razlikujejo po velikosti in nabojih, kar vpliva na raven njihovih elektromagnetnih interakcij.

Potem so tu še gauge bozoni, ki so znani kot 'nosilci sile', saj posredujejo fizične sile. Gluoni so na primer odgovorni za močno jedrsko silo, ki drži kvarke skupaj, medtem ko naj bi W in Z bozoni (še hipotetični) odgovorni za šibko jedrsko silo, ki stoji za elektromagnetizmom. Fotoni so osnovni delci, ki sestavljajo svetlobo, medtem ko je Higgsov bozon odgovoren za to, da bozonoma W in Z daje njihovo maso.

atomska masa:

Večina mase atomov izvira iz protonov in nevtronov, ki sestavljajo njegovo jedro. Elektroni so najmanj masivni od sestavnih delcev atoma, z maso 9,11 x 10^-31kg in velikost je premajhna, da bi jo lahko izmerili s trenutnimi tehnikami. Protoni imajo maso, ki je 1836-krat večja od mase elektrona, pri 1,6726 × 10^-27kg, medtem ko so nevtroni najmasivnejši od treh, 1,6929 × 10^-27kg (1839-kratna masa elektrona).

Mase vseh 6 okusov kvarkov, s protonom in elektronom (rdeča pika), prikazana spodaj levo za lestvico. Zasluge: Wikipedia/Incnis Mrsi

Skupno število protonov in nevtronov v atomskem jedru (imenovanih 'nukleoni') se imenuje masno število. Na primer, element Carbon-12 je tako imenovan, ker ima masno število 12 - izhaja iz njegovih 12 nukleonov (šest protonov in šest nevtronov). Vendar pa so elementi razporejeni tudi glede na njihovo atomsko število, ki je enako številu protonov, ki jih najdemo v jedru. V tem primeru ima ogljik atomsko številko 6.

Dejansko maso atoma v mirovanju je zelo težko izmeriti, saj so tudi najbolj masivni atomi prelahki, da bi jih izrazili v običajnih enotah. Kot taka znanstveniki pogosto uporabljajo enotno enoto atomske mase (u) – imenovano tudi dalton (Da) – ki je opredeljena kot dvanajstina mase prostega nevtralnega atoma ogljika-12, kar je približno 1,66 × 10^-27kg

Kemiki uporabljajo tudi mole, enoto, opredeljeno kot en mol katerega koli elementa, ki ima vedno enako število atomov (približno 6,022 × 10).²³). To število je bilo izbrano tako, da če ima element atomsko maso 1 u, ima mol atomov tega elementa maso blizu enega grama. Zaradi definicije enotne enote za atomsko maso ima vsak atom ogljika-12 atomsko maso natančno 12 u, tako da mol atomov ogljika-12 tehta natančno 0,012 kg.

Radioaktivni razpad:

Vsaka dva atoma, ki imata enako število protonov, pripadata istemu kemičnemu elementu. Toda atomi z enakim številom protonov imajo lahko različno število nevtronov, ki so opredeljeni kot različni izotopi istega elementa. Ti izotopi so pogosto nestabilni, vsi tisti z atomskim številom večjim od 82 pa so znani kot radioaktivni.

Diagram alfa in beta razpada v dveh izotopih urana. Zasluge: energy-without-carbon.org

Ko se element razpade, njegovo jedro izgubi energijo z oddajanjem sevanja – ki je lahko sestavljeno iz alfa delcev (atomi helija), beta delcev (pozitroni), gama žarkov (visokofrekvenčna elektromagnetna energija) in pretvorbenih elektronov. Hitrost, s katero razpade nestabilni element, je znana kot njegova 'razpolovna doba', ki je čas, potreben, da element pade na polovico svoje začetne vrednosti.

Na stabilnost izotopa vpliva razmerje med protoni in nevtroni. Od 339 različnih vrst elementov, ki se naravno pojavljajo na Zemlji, je bilo 254 (približno 75 %) označenih kot 'stabilni izotopi' - torej niso podvrženi razpadanju. Dodatnih 34 radioaktivnih elementov ima razpolovno dobo, daljšo od 80 milijonov let, in obstajajo tudi že od zgodnjega Osončja (zato jih imenujemo 'primordialni elementi').

Končno je znano, da se v naravi pojavlja dodatnih 51 kratkoživih elementov kot 'hčerinskih elementov' (tj. jedrskih stranskih produktov) razpada drugih elementov (kot je radij iz urana). Poleg tega so lahko kratkoživi radioaktivni elementi posledica naravnih energetskih procesov na Zemlji, kot je bombardiranje kozmičnih žarkov (na primer ogljik-14, ki se pojavlja v našem ozračju).

Zgodovina študija:

Najzgodnejši znani primeri atomske teorije prihajajo iz antične Grčije in Indije, kjer so filozofi, kot je Demokrit, domnevali, da je vsa snov sestavljena iz drobnih, nedeljivih in neuničljivih enot. Izraz 'atom' je bil skovan v stari Grčiji in je povzročil šolo mišljenja, znano kot 'atomizem'. Vendar je bila ta teorija bolj filozofski koncept kot znanstveni.

Različni atomi in molekule, kot so prikazani v New System of Chemical Philosophy (1808) Johna Daltona. Zasluge: javna domena

Šele v 19. stoletju se je teorija atomov začela artikulirati kot znanstvena zadeva, pri čemer so bili izvedeni prvi eksperimenti, ki temeljijo na dokazih. Na primer, v zgodnjih 1800-ih je angleški znanstvenik John Dalton uporabil koncept atoma, da bi pojasnil, zakaj so kemični elementi reagirali na določene opazne in predvidljive načine.

Dalton je začel z vprašanjem, zakaj elementi reagirajo v razmerjih majhnih celih števil, in zaključil, da so se te reakcije zgodile v celih večkratnikih diskretnih enot - z drugimi besedami, atomi. Z vrsto eksperimentov s plini je Dalton razvil tisto, kar je znano kot Daltonova atomska teorija , ki ostaja eden od temeljev sodobne fizike in kemije.

Teorija se spušča na pet predpostavk: elementi so v svojem najčistejšem stanju sestavljeni iz delcev, imenovanih atomi; atomi določenega elementa so vsi enaki, do zadnjega atoma; atome različnih elementov lahko ločimo po njihovi atomski masi; atomi elementov se združijo v kemične spojine; atomov ni mogoče ustvariti ali uničiti v kemični reakciji, spreminja se le združevanje.

Do poznega 19. stoletja so znanstveniki začeli teoretizirati, da je atom sestavljen iz več kot ene temeljne enote. Vendar se je večina znanstvenikov odločila, da bi bila ta enota velikost najmanjšega znanega atoma - vodika. In potem je leta 1897 z vrsto eksperimentov z uporabo katodnih žarkov fizik J.J. Thompson je objavil, da je odkril enoto, ki je bila 1000-krat manjša in 1800-krat lažja od atoma vodika.

Model atoma Plum Pudinga, ki ga je predlagal John Dalton. Zasluge: britannica.com

Njegovi poskusi so tudi pokazali, da so identični delcem, ki jih oddajajo fotoelektrični učinek in radioaktivni materiali. Kasnejši poskusi so pokazali, da ta delec prenaša električni tok skozi kovinske žice in negativne električne naboje znotraj atomov. Zato je bil delec – ki je bil prvotno poimenovan »telesca« – pozneje spremenjen v »elektron«, po delcu, ki ga je leta 1874 napovedal George Johnstone Stoney.

Vendar je Thomson tudi domneval, da so elektroni porazdeljeni po atomu, kar je enotno morje pozitivnega naboja. To je postalo znano kot 'model slivovega pudinga', kar se je kasneje izkazalo za napačno. To se je zgodilo leta 1909, ko sta fizika Hans Gieger in Ernest Marsden (pod vodstvom Ernesta Rutherfoda) izvedla svoj poskus z uporabo kovinske folije in alfa delcev.

V skladu z Daltonovim atomskim modelom so verjeli, da bodo alfa delci prešli naravnost skozi folijo z majhnim odklonom. Vendar pa se je veliko delcev odklonilo pod koti, večjimi od 90°. Da bi to pojasnil, je Rutherford predlagal, da je pozitivni naboj atoma koncentriran v majhnem jedru v središču.

Leta 1913 je fizik Niels Bohr predlagal model, kjer elektroni krožijo okoli jedra, vendar bi to lahko storili le v končnem nizu orbit. Predlagal je tudi, da lahko elektroni skačejo med orbitami, vendar le v diskretnih spremembah energije, ki ustrezajo absorpciji ali sevanju fotona. To ni samo izboljšalo Rutherfordovega predlaganega modela, ampak je tudi spodbudilo koncept kvantiziranega atoma, kjer se je snov obnašala v diskretnih paketih.

Eksperiment z zlato folijo, ki so ga izvedli Geiger, Marsden in Rutherford. Zasluge: glogster.com

Razvoj masnega spektrometra - ki uporablja magnet za upogibanje poti ionskega snopa - je omogočil merjenje mase atomov z večjo natančnostjo. Kemik Francis William Aston je s tem instrumentom pokazal, da imajo izotopi različne mase. Temu je nato sledil fizik James Chadwick, ki je leta 1932 predlagal nevtron kot način razlage obstoja izotopov.

V začetku 20. stoletja se je kvantna narava atomov še naprej razvijala. Leta 1922 sta nemška fizika Otto Stern in Walther Gerlach izvedla poskus, kjer je bil snop atomov srebra usmerjen skozi magnetno polje, ki je bilo namenjeno razdelitvi žarka med smerjo kotnega gibanja (ali vrtenja) atomov.

Znan kot Stern-Gerlachov poskus , rezultati so bili, da se žarek razdeli na dva dela, odvisno od tega, ali je bil spin atomov usmerjen navzgor ali navzdol. Leta 1926 je fizik Erwin Schrodinger uporabil idejo o delcih, ki se obnašajo kot valovi, da bi razvil matematični model, ki je opisoval elektrone kot tridimenzionalne valovne oblike in ne zgolj kot delce.

Posledica uporabe valovnih oblik za opis delcev je, da je matematično nemogoče pridobiti natančne vrednosti za položaj in zagon delca v danem trenutku. Istega leta je Werner Heisenberg oblikoval ta problem in ga poimenoval »načelo negotovosti«. Po Heisenbergu je za dano natančno meritev položaja mogoče dobiti le razpon verjetnih vrednosti za zagon in obratno.

Jedrska cepitev, kjer se atom urana 92 ​​razdeli s prostim nevtronom, da nastane barij in kripton. Zasluge: physics.stackexchange.com

V tridesetih letih prejšnjega stoletja so fiziki odkrili jedrsko cepitev, zahvaljujoč poskusom Otta Hahna, Lise Meitner in Otta Frischa. Hahnovi poskusi so vključevali usmerjanje nevtronov na atome urana v upanju, da bi ustvarili transuranov element. Namesto tega je proces spremenil njegov vzorec urana-92 (Ur⁹²) v dva nova elementa – barij (B⁵⁶) in kriptonom (Kr²⁷).

Meitner in Frisch sta preverila poskus in ga pripisala razcepitvi atomov urana, da tvorita dva elementa z enako skupno atomsko maso, proces, ki je prav tako sprostil precejšnjo količino energije s pretrganjem atomskih vezi. V letih, ki so sledila, so se začele raziskave možne orožizacije tega procesa (t.i. jedrskega orožja) in privedle do izgradnje prvih atomskih bomb v ZDA do leta 1945.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je razvoj izboljšanih pospeševalnikov delcev in detektorjev delcev omogočil znanstvenikom, da so preučevali vplive atomov, ki se premikajo pri visokih energijah. Iz tega je bil razvit Standardni model fizike delcev, ki je doslej uspešno razlagal lastnosti jedra, obstoj teoretiziranih subatomskih delcev in sile, ki urejajo njihove interakcije.

Sodobni eksperimenti:

Od druge polovice 20. stoletja je prišlo do številnih novih in vznemirljivih odkritij v zvezi z atomsko teorijo in kvantno mehaniko. Na primer, leta 2012 je dolgo iskanje Higgsov bozon je privedla do preboja, kjer so raziskovalci, ki delajo na Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN) v Švici je objavil svoje odkritje.

Veliki hadronski trkalnik (LHC) pri Evropski organizaciji za jedrske raziskave (CERN). Kredit: home.cern

V zadnjih desetletjih so fiziki veliko časa in energije posvetili razvoju enotne teorije polja (alias. Grand Unifying Theory oz. Teorija vsega ). V bistvu, odkar je bil standardni model prvič predlagan, so znanstveniki poskušali razumeti, kako štiri temeljne sile vesolja (gravitacija, močne in šibke jedrske sile ter elektromagnetizem) delujejo skupaj.

Medtem ko je gravitacijo mogoče razumeti z uporabo Einsteinove teorije relativnosti , jedrske sile in elektromagnetizem pa je mogoče razumeti z uporabo kvantna teorija , nobena teorija ne more upoštevati vseh štirih sil, ki delujejo skupaj. Poskusi, da bi to rešili, so v preteklih letih pripeljali do številnih predlaganih teorij, od Teorija strun do Zanka kvantne gravitacije . Do danes nobena od teh teorij ni pripeljala do preboja.

Naše razumevanje atoma je prehodilo dolgo pot, od klasičnih modelov, ki so ga videli kot inertno trdno snov, ki mehansko deluje z drugimi atomi, do sodobnih teorij, kjer so atomi sestavljeni iz energijskih delcev, ki se obnašajo nepredvidljivo. Čeprav je trajalo več tisoč let, je naše znanje o temeljni strukturi vse snovi precej napredovalo.

In vendar ostaja veliko skrivnosti, ki jih je treba še rešiti. S časom in nenehnimi prizadevanji lahko končno odklenemo še zadnje preostale skrivnosti atoma. Spet se lahko zgodi, da bodo kakršna koli nova odkritja, ki jih naredimo, povzročila samo več vprašanj – in lahko bi bila še bolj zmedena kot prejšnja!

Za Universe Today smo napisali veliko člankov o atomu. Tukaj je članek o Atomski model Johna Daltona , Atomski model Neilsa Bohra , Kdo je bil Demokrit?, in Koliko atomov je v vesolju?

Če želite več informacij o atomu, si oglejte NASA-in članek o analizi drobnih vzorcev , in tukaj je povezava do Nasin članek o atomih, elementih in izotopih .

Posneli smo tudi celotno epizodo Astronomy Cast vse o atomu. Poslušaj tukaj, Epizoda 164: Znotraj atoma , Epizoda 263: Radioaktivni razpad , in Epizoda 394: Standardni model, bozoni .