Nuo laiko pradžios žmonės stengėsi suprasti, iš ko sudaryta visata ir viskas joje. Ir nors senovės magai ir filosofai sumanė pasaulį, susidedantį iš keturių ar penkių elementų - žemės, oro, vandens, ugnies (ir metalo, arba sąmonės), - klasikinės senovės laikais filosofai pradėjo teoretikuoti, kad visa materija iš tikrųjų sudaryta iš mažyčių, nematomi ir nedalomi atomai.
Nuo to laiko mokslininkai vykdo nuolatinį atomo atradimo procesą, tikėdamiesi atrasti tikrąją jo prigimtį ir makiažą. Iki XX amžiaus mūsų supratimas tapo tobulas, kad mes sugebėjome sukurti tikslų jo modelį. Ir per pastarąjį dešimtmetį mūsų supratimas dar labiau pažengė į priekį ir patvirtinome, kad egzistuoja beveik visos jos teorinės dalys.
Šiandien atominiai tyrimai yra skirti materijos struktūros ir funkcijos tyrimui subatominiame lygmenyje. Tai reiškia ne tik visų subatominių dalelių, kurios, kaip manoma, sudaro atomą, nustatymą, bet ir joms vadovaujančių jėgų ištyrimą. Tai apima stiprias branduolines jėgas, silpnas branduolines jėgas, elektromagnetizmą ir gravitaciją. Čia yra viskas, ko mes iki šiol sužinojome apie atomą.
Atomo struktūra:
Dabartinį mūsų atomo modelį galima suskaidyti į tris sudedamąsias dalis - protonus, neutronus ir elektronus. Kiekviena iš šių dalių turi susijusį krūvį, kai protonai turi teigiamą krūvį, elektronai turi neigiamą krūvį ir neutronai neturi grynojo krūvio. Remiantis standartiniu dalelių fizikos modeliu, protonai ir neutronai sudaro atomo branduolį, o elektronai skrieja aplink „debesį“.
Atomo elektronai elektromagnetine jėga traukia branduolyje esančius protonus. Elektronai gali ištrūkti iš savo orbitos, bet tik reaguodami į išorinį energijos šaltinį. Kuo arčiau elektrono orbita branduoliui, tuo didesnė patraukli jėga; taigi, tuo stipresnė išorinė jėga, kurios reikia, kad elektronas ištrūktų.
Elektronai branduolį skrieja keliomis orbitomis, kurių kiekviena atitinka tam tikrą elektrono energijos lygį. Elektronas gali pakeisti savo būseną į aukštesnį energijos lygį, absorbuodamas fotoną, kurio energija yra pakankama, kad padidintum jį į naują kvantinę būseną. Panašiai, aukštesnės energijos būsenoje esantis elektronas gali nukristi į žemesnės energijos būseną, tuo pačiu spinduliuodamas perteklinę energiją kaip fotoną.
Atomai yra elektriškai neutralūs, jei turi vienodą protonų ir elektronų skaičių. Atomai, turintys arba elektronų deficitą, arba perteklių, vadinami jonais. Toliausiai nuo branduolio esantys elektronai gali būti perkelti į kitus netoliese esančius atomus arba pasidalinti tarp atomų. Šiuo mechanizmu atomai gali jungtis į molekules ir kitus cheminių junginių tipus.
Visos šios trys subatominės dalelės yra fermionai, dalelių, susietų su medžiaga, klasė, kuri yra arba elementari (elektronai), arba kompozicinė (protonai ir neutronai). Tai reiškia, kad elektronai neturi žinomos vidinės struktūros, o protonai ir neutronai yra sudaryti iš kitų subatominių dalelių. vadinami kvarkais. Yra du atomų kvarkų tipai, kurie turi trupmeninį elektros krūvį.
Protonus sudaro du kvarkai „aukštyn“ (kiekvienas jų turi +2/3 įkrovą) ir vienas „žemyn“ kvarkas (-1/3), o neutronus sudaro vienas kvarkas aukštyn ir du žemyn kvarkai. Šis skirtumas lemia dviejų dalelių įkrovos skirtumą, kuris atitinkamai sukuria +1 ir 0 krūvį, o elektronų krūvis –1.
Kitos subatominės dalelės yra Leptonai, kurie sujungiami su Fermionais ir sudaro medžiagas. Dabartiniame atominiame modelyje yra šeši leptonai: elektronų, muonų ir tau dalelės bei su jais susiję neutrinai. Skirtingos Lepton dalelių rūšys, paprastai vadinamos „kvapiosiomis medžiagomis“, skiriasi pagal jų dydį ir krūvį, o tai daro įtaką jų elektromagnetinių sąveikų lygiui.
Tada yra vėžės bosonai, vadinami „jėgos nešėjais“, nes jie tarpininkauja fizinėms jėgoms. Pavyzdžiui, gluonai yra atsakingi už stiprią branduolinę jėgą, sulaikančią kvarkus, o manoma, kad W ir Z bozonai (vis dar hipotetiniai) yra atsakingi už silpną atominę elektromagnetizmo jėgą. Fotonai yra elementarioji dalelė, sudaranti šviesą, o Higso Bosonas yra atsakingas už W ir Z bozonų masės suteikimą.
Atominės Mišios:
Didžiąją atomų masės dalį sudaro protonai ir neutronai, sudarantys jos branduolį. Elektronai yra mažiausiai masyvi iš atomo sudedamųjų dalelių, kurių masė yra 9,11 x 10-31 kg, o dydis yra per mažas, kad būtų galima išmatuoti dabartiniais metodais. Protonų masė yra 1,836 kartus didesnė už elektrono masę, lygi 1,6726 × 10-27 kg, tuo tarpu neutronai yra masyviausi iš trijų, esant 1,6929 × 10-27 kg (1839 kartus didesnė už elektrono masę).
Bendras protonų ir neutronų skaičius atomų branduolyje (vadinamas „nukleonais“) vadinamas masės skaičiumi. Pavyzdžiui, elementas anglis-12 yra taip vadinamas, nes jo masės skaičius yra 12 - gaunamas iš jo 12 nukleonų (šešių protonų ir šešių neutronų). Tačiau elementai taip pat yra išdėstyti pagal jų atominius skaičius, o tai yra taip pat kaip protonų, esančių branduolyje, skaičius. Šiuo atveju anglies atominis skaičius yra 6.
Tikrąją atomo masę ramybės metu yra labai sunku išmatuoti, nes net patys masyviausi atomai yra per lengvi, kad galėtų išreikšti įprastus vienetus. Taigi mokslininkai dažnai naudoja vieningą atominės masės vienetą (u), dar vadinamą daltonu (Da), kuris apibūdinamas kaip dvyliktoji laisvojo neutralaus anglies-12 atomo, kuris yra apytiksliai 1,66 × 10, masės.-27 kilogramas.
Chemikai taip pat naudoja apgamus, vienetus, apibrėžtus kaip bet kurių elementų molius, visada turinčius vienodą atomų skaičių (apie 6,022 × 1023). Šis skaičius buvo pasirinktas taip, kad jei elemento atominė masė yra 1 u, to elemento atomų molio masė yra artima vienam gramui. Dėl vieningo atominės masės vieneto apibrėžimo kiekvieno anglies-12 atomo atominė masė yra tiksliai 12 u, taigi anglies-12 atomų molis sveria tiksliai 0,012 kg.
Radioaktyvusis skilimas:
Bet kurie du atomai, turintys tą patį protonų skaičių, priklauso tam pačiam cheminiam elementui. Bet atomai, turintys vienodą skaičių protonų, gali turėti skirtingą skaičių neutronų, kurie apibūdinami kaip skirtingi to paties elemento izotopai. Šie izotopai dažnai yra nestabilūs, ir visi tie, kurių atominis skaičius didesnis nei 82, yra žinomi kaip radioaktyvūs.
Kai elementas suyra, jo branduolys praranda energiją skleidžiant radiaciją - tai gali būti alfa dalelės (helio atomai), beta dalelės (pozitronai), gama spinduliai (aukšto dažnio elektromagnetinė energija) ir konversijos elektronai. Nestabiliojo elemento skilimo greitis yra žinomas kaip jo „pusinės eliminacijos laikas“, tai yra laikas, kurio reikia elementui sumažėti iki pusės jo pradinės vertės.
Izotopo stabilumui įtakos turi protonų ir neutronų santykis. Iš 339 skirtingų tipų elementų, kurie natūraliai randasi Žemėje, 254 (apie 75%) buvo pažymėti kaip „stabilūs izotopai“, t. Y. Nėra paveikti skilimo. Papildomų 34 radioaktyviųjų elementų pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis nei 80 milijonų metų, jie taip pat egzistuoja nuo ankstyvosios Saulės sistemos (todėl jie vadinami „pirmykščiais elementais“).
Galiausiai žinoma, kad papildomi 51 trumpaamžis elementas natūraliai atsiranda kaip „dukteriniai elementai“ (t. Y. Branduoliniai šalutiniai produktai), skiliant kitiems elementams (pvz., Radžiui iš urano). Be to, trumpaamžiai radioaktyvūs elementai gali būti natūralių energetinių procesų Žemėje, tokių kaip kosminis spinduliuotės bombardavimas, rezultatas (pavyzdžiui, anglies-14, kuris įvyksta mūsų atmosferoje).
Studijų istorija:
Ankstyviausi žinomi atominės teorijos pavyzdžiai yra kilę iš senovės Graikijos ir Indijos, kur tokie filosofai kaip Demokratas postuliavo, kad visa materija yra sudaryta iš mažų, nedalomų ir nesunaikinamų vienetų. Terminas „atomas“ buvo sugalvotas senovės Graikijoje ir paskatino minties mokyklą, vadinamą „atomizmu“. Tačiau ši teorija buvo labiau filosofinė, o ne mokslinė.
Atomų teorija buvo suformuluota kaip mokslinis dalykas tik XIX amžiuje, kai buvo atlikti pirmieji įrodymais pagrįsti eksperimentai. Pavyzdžiui, aštuntojo dešimtmečio pradžioje anglų mokslininkas Johnas Daltonas panaudojo atomo sąvoką, kad paaiškintų, kodėl cheminiai elementai reagavo tam tikrais pastebimais ir nuspėjamais būdais.
Daltonas pradėjo klausimu, kodėl elementai sureagavo santykinai su mažais sveikaisiais skaičiais, ir padarė išvadą, kad šios reakcijos įvyko daugybiniais atskirais vienetais, kitaip tariant, atomais. Atlikdamas eksperimentus su dujomis, Daltonas sukūrė vadinamąją Daltono atominės teorijos teoriją, kuri išlieka vienu iš šiuolaikinės fizikos ir chemijos kertinių akmenų.
Teorija susideda iš penkių prielaidų: gryniausią elementą sudaro dalelės, vadinamos atomais; konkretaus elemento atomai yra vienodi iki pat paskutinio atomo; skirtingų elementų atomus galima atskirti pagal jų atominius svorius; elementų atomai susijungia ir sudaro cheminius junginius; atomai negali būti nei sukurti, nei sunaikinti cheminės reakcijos metu, tik keičiasi grupė.
XIX amžiaus pabaigoje mokslininkai pradėjo teorizuoti, kad atomas sudarytas iš daugiau nei vieno pagrindinio vieneto. Tačiau dauguma mokslininkų išdrįso, kad šis vienetas bus mažiausio žinomo atomo - vandenilio - dydžio. Ir tada 1897 m., Per eksperimentų ciklą su katodiniais spinduliais, fizikas J.J. Thompsonas paskelbė atradęs vienetą, kuris buvo 1000 kartų mažesnis ir 1800 kartų lengvesnis už vandenilio atomą.
Jo eksperimentai taip pat parodė, kad jie buvo identiški dalelėms, kurias skleidžia fotoelektrinis efektas ir radioaktyviosios medžiagos. Vėlesni eksperimentai atskleidė, kad ši dalelė per metalinius laidus pernešė elektros srovę ir atomų neigiamus elektros krūvius. Todėl dalelė, kuri iš pradžių buvo vadinama „korpuskuliu“, vėliau buvo pakeista į „elektroną“, po to, kai dalelė George'o Johnstone'o Stoney'as numatė 1874 m.
Tačiau Thomsonas taip pat postulavo, kad elektronai pasiskirstė visame atome, kuris buvo vienoda teigiamo krūvio jūra. Tai tapo žinomu kaip „slyvų pudingo modelis“, kuris vėliau bus įrodytas neteisingas. Tai įvyko 1909 m., Kai fizikai Hansas Giegeris ir Ernestas Marsdenas (vadovaujami Ernesto Rutherfodo) atliko savo eksperimentą, naudodami metalo foliją ir alfa daleles.
Remdamiesi Daltono atominiu modeliu, jie tikėjo, kad alfa dalelės praeis tiesiai per foliją su mažu įlinkiu. Tačiau daugelis dalelių buvo nukreiptos didesniu nei 90 ° kampu. Norėdami tai paaiškinti, Rutherfordas pasiūlė teigiamą atomo krūvį sukoncentruoti mažame branduolyje, esančiame centre.
1913 m. Fizikas Nielsas Bohras pasiūlė modelį, kai elektronai orbitavo branduolį, tačiau tai galėjo padaryti tik ribotame orbitų rinkinyje. Jis taip pat pasiūlė, kad elektronai galėtų šokinėti tarp orbitų, tačiau tiktai energijos pokyčiais, kurie atitinka fotono sugertį ar spinduliavimą. Tai ne tik patobulino Rutherfordo pasiūlytą modelį, bet ir sukėlė kvantuoto atomo koncepciją, kai materija elgėsi diskretiškose pakuotėse.
Masės spektrometro, kuris magnetas naudojamas jonų pluošto trajektorijai sulenkti, sukūrimas leido išmatuoti atomų masę tiksliau. Chemikas Pranciškus Williamas Astonas pasinaudojo šiuo instrumentu norėdamas parodyti, kad izotopų masės yra skirtingos. To savo ruožtu ėmėsi fizikas Jamesas Chadwickas, kuris 1932 m. Pasiūlė neutroną kaip būdą paaiškinti izotopų egzistavimą.
Per XX amžiaus pradžią buvo toliau plėtojamas kvantinis atomų pobūdis. 1922 m. Vokiečių fizikai Otto Sternas ir Waltheris Gerlachas atliko eksperimentą, kurio metu sidabro atomų pluoštas buvo nukreiptas per magnetinį lauką, kuris buvo skirtas padalinti pluoštą tarp atomų kampinio impulso (arba sukinio) krypties.
Žinomas kaip Šerno – Gerlacho eksperimentas, rezultatai buvo tokie, kad pluoštas padalytas į dvi dalis, atsižvelgiant į tai, ar atomų sukiniai buvo nukreipti aukštyn, ar žemyn. 1926 m. Fizikas Erwinas Schrodingeris panaudojo dalelių, kurios elgiasi kaip bangos, idėją, kad sukurtų matematinį modelį, kuris elektronus apibūdino kaip trimates, o ne vien tik daleles.
Naudojant bangos formas dalelėms apibūdinti yra tai, kad matematiškai neįmanoma gauti tikslių dalelės padėties ir momento verčių bet kuriuo metu. Tais pačiais metais Werneris Heisenbergas suformulavo šią problemą ir pavadino ją „netikrumo principu“. Anot Heisenbergo, norint tiksliai išmatuoti padėtį, galima tik gauti impulsų tikėtinų verčių diapazoną, ir atvirkščiai.
Dešimtajame dešimtmetyje fizikai atrado branduolio dalijimąsi Otto Hahno, Lise'o Meitnerio ir Otto Frischo eksperimentų dėka. Hahn'o eksperimentai nukreipė neutronus į urano atomus tikintis sukurti transuranio elementą. Vietoj to, procesas pavertė jo urano-92 (Ur92) į du naujus elementus - barį (B56) ir kriptono (Kr27).
Meitneris ir Frischas patikrino eksperimentą ir priskyrė jį urano atomų suskaidymui, kad būtų du elementai, turintys vienodą bendrą atominę masę - procesas, kuris taip pat išleido nemažą energijos kiekį, nutraukdamas atominius ryšius. Vėlesniais metais buvo pradėti galimo šio proceso ginklavimosi (t. Y. Branduolinio ginklo) tyrimai ir buvo pradėta statyti pirmąsias atomines bombas JAV iki 1945 m.
Šeštajame dešimtmetyje patobulintų dalelių greitintuvų ir dalelių detektorių sukūrimas leido mokslininkams ištirti atomų, judančių didelę energiją, poveikį. Iš to buvo sukurtas standartinis dalelių fizikos modelis, kuris iki šiol sėkmingai paaiškino branduolio savybes, teorinių subatominių dalelių egzistavimą ir jėgas, kurios valdo jų sąveiką.
Šiuolaikiniai eksperimentai:
Nuo antrosios XX amžiaus pusės atomų teorijos ir kvantinės mechanikos srityje atsirado daug naujų ir įdomių atradimų. Pavyzdžiui, 2012 m. Ilgos Higso Bosono paieškos paskatino proveržį, kai Europos branduolinių tyrimų organizacijoje (CERN) Šveicarijoje dirbantys tyrėjai paskelbė apie savo atradimą.
Pastaraisiais dešimtmečiais fizikai daug laiko ir energijos skyrė vieningos lauko teorijos (dar žinomos kaip „Grand Unifying Theory“ arba „Theory of Viskas“) sukūrimui. Iš esmės nuo tada, kai pirmą kartą buvo pasiūlytas standartinis modelis, mokslininkai siekė suprasti, kaip kartu veikia keturios pagrindinės visatos jėgos (gravitacija, stiprios ir silpnos branduolinės jėgos ir elektromagnetizmas).
Nors gravitacija gali būti suprantama pasitelkiant Einšteino reliatyvumo teorijas, o branduolinės jėgos ir elektromagnetizmas gali būti suprantamos naudojant kvantinę teoriją, nė viena teorija negali atsižvelgti į visas keturias jėgas, veikiančias kartu. Bandymai tai išspręsti per daugelį metų sukūrė daugybę siūlomų teorijų, pradedant stygų teorija ir baigiant kilpų kvantine gravitacija. Iki šiol nė viena iš šių teorijų nesukėlė proveržio.
Mūsų supratimas apie atomą nuėjo ilgą kelią, pradedant klasikiniais modeliais, kurie jį laikė inertiška kieta medžiaga, mechaniškai sąveikaujančia su kitais atomais, ir baigiant šiuolaikinėmis teorijomis, kai atomai sudaryti iš nenuspėjamai veikiančių energetinių dalelių. Nors tai užtruko kelis tūkstančius metų, mūsų žinios apie pagrindinę visos materijos struktūrą labai patobulėjo.
Ir vis dėlto liko daug paslapčių, kurias dar reikia išspręsti. Laikui bėgant ir tęsiant pastangas galime pagaliau atrakinti paskutines likusias atomo paslaptis. Ir vėlgi, gali būti, kad bet kokie nauji atradimai sukels tik daugiau klausimų - ir jie gali būti dar painesni nei anksčiau buvę!
Esame parašę daug straipsnių apie „Space“ žurnalą apie atomą. Štai straipsnis apie Johno Daltono atominį modelį, Neilso Bohro atominį modelį „Kas buvo demokratas?“ Ir kiek atomų yra Visatoje?
Jei norite gauti daugiau informacijos apie atomą, peržiūrėkite NASA straipsnį apie mažų pavyzdžių analizę ir čia yra nuoroda į NASA straipsnį apie atomus, elementus ir izotopus.
Mes taip pat įrašėme visą astronomijos filmo apie „Atomą“ epizodą. Klausykite čia, 164 epizodas: „Atom“ viduje, 263 epizodas: radioaktyvus skilimas ir 394 serija: standartinis modelis, bosonai.
