Skąd wiemy, że wszystko składa się z atomów?
Góry, gwiazdy, ludzie - wszystko, co widzimy, składa się z maleńkich atomów. Atomy są małe. Bardzo, bardzo. Od dzieciństwa wiemy, że cała materia składa się z skupisk tych drobnych drobiazgów. Wiemy również, że nie można ich zobaczyć gołym okiem. Jesteśmy zmuszeni ślepo wierzyć tym stwierdzeniom bez możliwości weryfikacji. Atomy oddziałują na siebie i tworzą nasz świat w cegłach. Skąd to wiemy? Wiele osób nie lubi akceptować twierdzeń naukowców w wartości nominalnej. Przejdźmy do nauki od zrozumienia atomów do bezpośredniego dowodu ich istnienia..
Może się wydawać, że istnieje prosty sposób na udowodnienie istnienia atomów: umieść je pod mikroskopem. Ale to podejście nie zadziała. Nawet najsilniejsze mikroskopy skupiające światło nie mogą wizualizować jednego atomu. Obiekt staje się widoczny, ponieważ odbija fale świetlne. Atomy są o wiele mniejsze niż długość fali światła widzialnego, które w ogóle nie oddziałują. Innymi słowy, atomy są niewidoczne nawet dla światła. Jednak atomy wciąż mają obserwowalny wpływ na pewne rzeczy, które widzimy..
Setki lat temu, w 1785 roku, holenderski naukowiec Jan Ingenhauz badał dziwne zjawisko, którego nie mógł zrozumieć. Najmniejsze cząstki pyłu węglowego węszyły wokół powierzchni jakiegoś alkoholu w swoim laboratorium..
50 lat później, w 1827 r. Szkocki botanik Robert Brown opisał coś zaskakująco podobnego. Badając granulki pyłku pod mikroskopem, Brown odkrył, że niektóre granulki emitują drobne cząstki - które następnie usuwano z pyłku w sporadycznym tańcu nerwowym..
Początkowo Browne uważał, że cząsteczki są jakimś nieznanym organizmem. Powtórzył eksperyment z innymi substancjami, takimi jak pył kamienny, który był wyraźnie nieożywiony i ponownie zobaczył dziwny ruch..
Nauka zajęła prawie sto lat, aby znaleźć wyjaśnienie. Einstein przyszedł i opracował matematyczną formułę, która przewidywała bardzo szczególny rodzaj ruchu - nazywanego wówczas ruchem Browna na cześć Roberta Browna. Teoria Einsteina głosiła, że cząstki granulek pyłku nieustannie się poruszają, ponieważ do nich zderzyły się miliony drobnych cząsteczek wody - cząsteczek składających się z atomów..
„Wyjaśnił, że ten ruch nerwowy, który obserwujesz, jest w rzeczywistości spowodowany wpływem pojedynczych cząsteczek wody na cząsteczki kurzu lub tego, co tam masz” - wyjaśnia Harry Cliff z University of Cambridge, również kurator Muzeum Nauki w Londynie.
W 1908 roku obserwacje poparte obliczeniami wykazały, że atomy są prawdziwe. Za dziesięć lat fizycy znacznie się posunęli. Rozciągając poszczególne atomy, zaczęli rozumieć ich wewnętrzną strukturę..
Zaskoczeniem jest to, że atomy można podzielić - zwłaszcza w świetle faktu, że sama nazwa „atom” pochodzi z greckiego „atomu”, co oznacza „niepodzielny”. Ale fizycy wiedzą teraz, że atomy są dalekie od podstawowych cegieł. Składają się z trzech głównych części: protonów, neutronów i elektronów. Wyobraź sobie, że protony i neutrony razem tworzą „słońce” lub jądro w centrum systemu. Elektrony znajdują się w orbicie tego jądra, podobnie jak planety.
Jeśli atomy są niewyobrażalnie małe, to te subatomowe cząstki są całkowicie. Zabawne, ale najpierw odkryłem najmniejszą cząstkę z trzech - elektron. Aby zrozumieć różnicę wielkości, należy pamiętać, że protony w jądrze są 1830 razy większe niż elektron. Wyobraź sobie chup chups na orbicie balonu - rozbieżność będzie podobna.
Ale skąd wiemy, że te cząstki istnieją? Odpowiedź jest taka, że są małe, ale mają duży wpływ. Brytyjski fizyk Thomson, który odkrył elektrony, użył doskonałej metody udowodnienia ich istnienia w 1897 roku.
Miał rurkę Crookesa - kawałek szkła o śmiesznym kształcie, z którego maszyna wysysała prawie całe powietrze. Ujemny ładunek elektryczny przykładano do jednego końca rury. Ładunek ten był wystarczający do wybicia niektórych elektronów z molekuł gazu pozostającego w rurze. Elektrony są naładowane ujemnie, więc poleciały na drugi koniec rury. Z powodu częściowej próżni elektrony przelatywały przez rurkę, nie napotykając na drodze dużych atomów..
Ładunek elektryczny doprowadził do tego, że elektrony poruszały się bardzo szybko - około 59,500 kilometrów na sekundę - aż uderzyły w szkło na drugim końcu, wytrącając jeszcze więcej elektronów ukrytych w jego atomach. Zaskakujące jest, że zderzenie tych zapierających dech w piersiach drobnych cząstek spowodowało tyle energii, że stworzyło fantastyczną zieloną i żółtą poświatę..
„W pewnym sensie był to jeden z pierwszych akceleratorów cząstek” - mówi Cliff - „Przyspiesza elektrony na jednym końcu rury do drugiego, i zderzają się z ekranem na drugim końcu, wytwarzając fosforyzującą poświatę”..
Ponieważ Thomson odkrył, że może kontrolować wiązki elektronów za pomocą magnesów i pól elektrycznych, wiedział, że nie były to tylko dziwne promienie światła - były to naładowane cząstki..
A jeśli interesuje cię, w jaki sposób elektrony mogą latać niezależnie od ich atomów, jest to spowodowane procesem jonizacji, w którym - w tym przypadku - ładunek elektryczny zmienia strukturę atomu, wybijając elektrony w przestrzeń w pobliżu..
W szczególności, ze względu na fakt, że elektrony są tak łatwe do manipulowania i poruszania się, obwody elektryczne stały się możliwe. Elektrony w drucie miedzianym przemieszczają się jak pociąg z jednego atomu miedzi do drugiego - tak więc drut jest przesyłany przez drut. Atomy, jak powiedzieliśmy, nie są stałymi kawałkami materii, ale systemami, które można modyfikować lub rozkładać na elementy strukturalne..
Odkrycie elektronu pokazało, że musisz dowiedzieć się więcej o atomach. Prace Thomsona wykazały, że elektrony są naładowane ujemnie - ale wiedział, że same atomy nie mają wspólnego ładunku. Zasugerował, że muszą one zawierać tajemnicze dodatnio naładowane cząstki, aby skompensować ujemnie naładowane elektrony..
Eksperymenty z początku XX wieku ujawniły te dodatnio naładowane cząstki i jednocześnie ujawniły wewnętrzną strukturę atomu - podobną do układu słonecznego..
Ernest Rutherford i jego koledzy wzięli bardzo cienką metalową folię i umieścili ją pod wiązką dodatnio naładowanego promieniowania - strumienia drobnych cząstek. Większość potężnego promieniowania przeszła, jak sądził Rutherford, biorąc pod uwagę grubość folii. Ale ku zaskoczeniu naukowców część tego odbiła się.
Rutherford zasugerował, że atomy w metalowej folii powinny zawierać małe gęste obszary z dodatnim ładunkiem - nic innego nie mogłoby potencjalnie odbić tak silnego promieniowania. Odkrył ładunki dodatnie w atomie - i jednocześnie udowodnił, że wszystkie są połączone w gęstej masie, w przeciwieństwie do elektronów. Innymi słowy, zademonstrował istnienie gęstego jądra w atomie.
Wystąpił problem. W tym czasie mogli już obliczyć masę atomu. Ale biorąc pod uwagę dane o tym, jak duże mają być cząstki jądra, pomysł, że wszystkie były naładowane dodatnio, nie miał sensu..
„Węgiel ma sześć elektronów i sześć protonów w jądrze - sześć ładunków dodatnich i sześć ładunków ujemnych - wyjaśnia Cliff. - Ale jądro węgla nie waży sześciu protonów, waży równowartość 12 protonów”.
Początkowo zakładano, że istnieje sześć innych cząstek jądrowych o masie protonu, ale ujemnie naładowanych: neutronów. Ale nikt nie mógł tego udowodnić. W rzeczywistości neutronów nie można było znaleźć do lat 30. XX wieku.
Fizyk z Cambridge James Chadwick desperacko próbował otworzyć neutron. Pracował nad tą teorią przez wiele lat. W 1932 roku udało mu się dokonać przełomu..
Kilka lat wcześniej inni fizycy eksperymentowali z promieniowaniem. Uruchomili dodatnio naładowane promieniowanie - typu, którego Rutherford używał do poszukiwania jądra - na atomy berylu. Beryl emitował własne promieniowanie: promieniowanie, które nie było naładowane dodatnio lub ujemnie i mogło wnikać głęboko w materiał..
W tym czasie inni odkryli, że promieniowanie gamma było neutralne i głęboko przeniknęło, więc fizycy wierzyli, że emitowały go atomy berylu. Ale Chadwick tak nie sądził.
Niezależnie wyprodukował nowe promieniowanie i skierował je na substancję, o której wiedział, że jest bogata w protony. Nagle okazało się, że protony zostały wybite z materiału, jakby przez cząstki o identycznej masie - jak kule do bilarda z innymi kulkami.
Promieniowanie gamma nie może odbijać protonów w ten sposób, więc Chadwick zdecydował, że omawiane cząstki muszą mieć masę protonową, ale inny ładunek elektryczny: to znaczy neutrony.
Znaleziono wszystkie główne cząstki atomu, ale historia się nie kończy..
Chociaż nauczyliśmy się dużo więcej o atomach niż wiedzieliśmy wcześniej, trudno było je sobie wyobrazić. W latach trzydziestych nikt nie robił zdjęć - i wielu ludzi chciało je zobaczyć, aby zaakceptować ich istnienie..
Należy jednak zauważyć, że metody stosowane przez naukowców, takich jak Thomson, Rutherford i Chadwick, utorowały drogę dla nowego sprzętu, który ostatecznie pomógł nam w produkcji tych obrazów. Wiązki elektronów generowane przez Thomsona w eksperymencie z rurką Crookesa okazały się szczególnie przydatne..
Obecnie takie wiązki są generowane przez mikroskopy elektronowe, a najpotężniejszy z takich mikroskopów może faktycznie robić zdjęcia pojedynczych atomów. Dzieje się tak, ponieważ wiązka elektronów ma długość fali tysiące razy krótszą niż wiązka światła - tak krótka, że fale elektronowe mogą odbijać się od maleńkich atomów i wytwarzać obraz, którego wiązki światła nie mogą.
Neil Skipper z University College London twierdzi, że takie obrazy są przydatne dla osób, które chcą zbadać strukturę atomową specjalnych substancji, takich jak na przykład baterie do pojazdów elektrycznych. Im więcej wiemy o ich strukturze atomowej, tym lepiej możemy zaprojektować baterie, uczynić je wydajnymi i niezawodnymi..
Możesz także zrozumieć, jak wyglądają atomy, szturchając je. Tak więc działa mikroskopia sił atomowych.
Ideą jest doprowadzenie końcówki niezwykle małej sondy do powierzchni cząsteczki lub substancji. Przy dostatecznej bliskości sonda będzie wrażliwa na strukturę chemiczną tego, co wskazuje, a zmiana oporu podczas ruchów sondy umożliwi naukowcom robienie zdjęć, na przykład pojedynczej cząsteczki.
Niedawno naukowcy opublikowali piękne zdjęcia cząsteczki przed i po reakcji chemicznej za pomocą tej metody..
Skipper dodaje, że wielu naukowców atomowych bada, jak zmienia się struktura rzeczy pod wpływem wysokiego ciśnienia lub temperatury. Większość ludzi wie, że gdy substancja jest podgrzewana, często rozszerza się. Teraz możesz wykryć zmiany atomowe, które mają miejsce podczas wykonywania tej czynności, co często jest pomocne..
„Gdy płyn jest podgrzewany, można zauważyć, że jego atomy przybierają nieuporządkowaną konfigurację” - mówi Skipper - „Można to zobaczyć bezpośrednio z mapy strukturalnej”..
Skipper i inni fizycy mogą również pracować z atomami za pomocą wiązek neutronów, po raz pierwszy odkrytych przez Chadwicka w latach 30. XX wieku.
„Prowadzimy wiele wiązek neutronów do próbek materiałów, a z pojawiającego się wzoru rozpraszania można zrozumieć, że rozprasza się neutrony w jądrach”, mówi..
Ale atomy nie zawsze są tam, w stanie stabilnym, czekając na ich zbadanie. Czasami się rozkładają - to znaczy są radioaktywne..
Istnieje wiele naturalnie występujących pierwiastków promieniotwórczych. Proces ten generuje energię, która stanowiła podstawę energii jądrowej - i bomby jądrowe. Fizycy jądrowi z reguły starają się lepiej zrozumieć reakcje, w których jądro przechodzi fundamentalne zmiany, takie jak te.
Laura Harkness-Brennan z University of Liverpool specjalizuje się w badaniu promieni gamma - rodzaju promieniowania emitowanego przez rozpadające się atomy. Pewien rodzaj radioaktywnego atomu emituje szczególną formę promieniowania gamma. Oznacza to, że możesz zidentyfikować atomy tylko przez rejestrację energii promieni gamma - tak naprawdę jest to Harkness-Brennan, który robi w swoim laboratorium..
„Rodzaje detektorów, których należy używać, są reprezentowane przez detektory, które pozwalają zmierzyć zarówno obecność promieniowania, jak i opóźnioną energię promieniowania” - mówi..
Ponieważ wszystkie rodzaje atomów mogą być obecne w obszarze, w którym wykryto promieniowanie, zwłaszcza po dużej reakcji jądrowej, ważne jest, aby dokładnie wiedzieć, które izotopy radioaktywne są obecne. Takie wykrywanie jest zwykle przeprowadzane w elektrowniach jądrowych lub w obszarach, w których wystąpiła katastrofa jądrowa..
Harkness-Brennan i jej koledzy pracują obecnie nad systemami wykrywania, które można umieścić w miejscach, w których mogą być pokazywane w trzech wymiarach, w których promieniowanie może być obecne w danym pomieszczeniu. „Potrzebujesz sprzętu i narzędzi, które pozwolą ci stworzyć trójwymiarową mapę przestrzeni i powiedzą ci, gdzie jest promieniowanie w tym pomieszczeniu, w tej lampie” - mówi.
Możesz także wizualizować promieniowanie w „komorze Wilsona”. W tym specjalnym eksperymencie para alkoholowa schłodzona do -40 stopni Celsjusza jest rozpylana przez chmurę nad źródłem radioaktywnym. Naładowane cząstki promieniowania, lecące ze źródła promieniowania, wyrzucają elektrony z cząsteczek alkoholu. Alkohol skrapla się w ciecz w pobliżu ścieżki emitowanych cząstek. Wyniki tego typu wykrywania są imponujące..
Niewiele pracowaliśmy bezpośrednio z atomami - chyba że zrozumieliśmy, że są to wspaniałe złożone struktury, które mogą ulegać zdumiewającym zmianom, z których wiele występuje w przyrodzie. Badając atomy w ten sposób, ulepszamy nasze własne technologie, wydobywamy energię z reakcji jądrowych i lepiej rozumiemy otaczający nas świat przyrody. Mieliśmy również okazję chronić się przed promieniowaniem i badać, jak substancje zmieniają się w ekstremalnych warunkach..
„Biorąc pod uwagę, jak mały jest atom, jest po prostu niewiarygodne, ile fizyki możemy z niego wydobyć”, trafnie zauważa Harkness-Brennan. Wszystko, co widzimy wokół nas, składa się z tych najmniejszych cząstek. I dobrze jest wiedzieć, że oni tam są, ponieważ to dzięki nim wszystko jest możliwe..
