Ako vieme, že všetko pozostáva z atómov?

Hory, hviezdy, ľudia - všetko, čo vidíme, pozostáva z malých atómov. Atómy sú malé. Veľmi, veľmi. Od detstva vieme, že všetka hmota pozostáva zo zhlukov týchto drobných drobností. Vieme tiež, že ich nemožno vidieť voľným okom. Sme nútení slepo veriť týmto vyhláseniam bez toho, aby sme boli schopní ich overiť. Atómy navzájom pôsobia a vytvárajú náš svet v tehloch. Ako to vieme? Mnohí neradi akceptujú tvrdenia vedcov v nominálnej hodnote. Poďme spolu s vedou od pochopenia atómov, aby sme dokázali priamy dôkaz o ich existencii..

Môže sa zdať, že existuje jednoduchý spôsob, ako dokázať existenciu atómov: položiť ich pod mikroskop. Tento prístup však nebude fungovať. Ani najvýkonnejšie mikroskopy zaostrujúce svetlo nedokážu zobraziť jeden atóm. Objekt sa stáva viditeľným, pretože odráža svetelné vlny. Atómy sú omnoho menšie ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, ktoré vôbec nereagujú. Inými slovami, atómy sú neviditeľné ani na svetlo. Atómy však majú stále pozorovateľné účinky na určité veci, ktoré môžeme vidieť..

Pred sto rokmi, v roku 1785, študoval holandský vedec Jan Ingenhauz zvláštny jav, ktorému nerozumel. Najmenšie čiastočky uhoľného prachu v jeho laboratóriu sopali po povrchu alkoholu..

O 50 rokov neskôr, v roku 1827, škótsky botanik Robert Brown opísal niečo prekvapivo podobné. Brown študoval peľové granule pod mikroskopom a zistil, že niektoré granule emitujú drobné častice, ktoré boli potom občasným nervovým tancom odstránené z peľu..

Najprv si Browne myslel, že častice sú nejakým neznámym organizmom. Opakoval experiment s inými látkami, ako je kamenný prach, ktorý bol jasne neživý, a opäť videl podivný pohyb..

Trvalo takmer sto rokov, kým veda našla vysvetlenie. Einstein prišiel a vyvinul matematický vzorec, ktorý predpovedal veľmi špeciálny typ pohybu - potom nazývaný Brownov pohyb, na počesť Roberta Browna. Einsteinova teória bola, že častice peľových granúl sa neustále pohybujú, pretože do nich narazili milióny malých molekúl vody - molekúl pozostávajúcich z atómov..

"Vysvetlil, že toto nervové hnutie, ktoré pozorujete, je v skutočnosti spôsobené vplyvom jednotlivých molekúl vody na prachové častice alebo tým, čo tam máte," vysvetľuje Harry Cliff z University of Cambridge, tiež kurátor vedy v Londýne.

V roku 1908, pozorovania podporené výpočtami ukázali, že atómy sú skutočné. Za desať rokov fyzici výrazne pokročili. Roztiahnutím jednotlivých atómov začali chápať svoju vnútornú štruktúru..

Prekvapenie je, že atómy môžu byť rozdelené - najmä vo svetle skutočnosti, že samotný názov "atóm" vyšiel z gréckeho "atómu", čo znamená "nedeliteľné". Fyzici však teraz vedia, že atómy sú ďaleko od základných tehál. Skladajú sa z troch hlavných častí: protónov, neutrónov a elektrónov. Predstavte si, že protóny a neutróny spolu tvoria "slnko" alebo jadro v strede systému. Elektróny sú na obežnej dráhe tohto jadra, podobne ako planéty.

Ak sú atómy nepredstaviteľne malé, potom sú tieto subatomárne častice celkom. Legrační, ale najprv objavil najmenšiu časticu troch - elektrón. Aby sme pochopili rozdiel vo veľkosti, majte na pamäti, že protóny v jadre sú 1 830 krát väčšie ako elektróny. Predstavte si chupa chups na obežnej dráhe balóna - rozdiel bude niečo ako.

Ale ako vieme, že tieto častice sú tam? Odpoveďou je, že sú malé, ale majú veľký vplyv. Britský fyzik Thomson, ktorý objavil elektróny, použil vynikajúcu metódu na preukázanie svojej existencie v roku 1897.

Mal trubicu Crookes - kúsok pohára s vtipným tvarom, z ktorého stroj takmer odsával všetok vzduch. Na jeden koniec rúrky bol aplikovaný záporný elektrický náboj. Tento náboj stačil na zrazenie elektrónov z molekúl plynu zostávajúceho v trubici. Elektróny sú záporne nabité, takže leteli na druhý koniec trubice. V dôsledku čiastočného vákua pretečili elektróny cez trubicu, bez toho, aby sa stretli s veľkými atómami..

Elektrický náboj viedol k tomu, že elektróny sa pohybovali veľmi rýchlo - okolo 59 500 kilometrov za sekundu - až kým nepadli do skla na vzdialenom konci, čím vyradili ešte viac elektrónov, ktoré boli ukryté v jeho atómoch. Prekvapivo, kolízia medzi týmito dych vyrážajúcimi malými časticami produkovala toľko energie, že vytvorila fantastickú zelenú a žltú žiaru..

"Bolo to v istom zmysle jedným z prvých urýchľovačov častíc," hovorí Cliff. "Urýchľuje elektróny na jednom konci trubice na druhú, a narazia na obrazovku na druhom konci, čo vytvára fosforeskujúcu žiaru.".

Keďže Thomson zistil, že dokáže ovládať elektrónové lúče magnetmi a elektrickými poľami, vedel, že to nie sú len zvláštne lúče svetla - to boli nabité častice..

A ak sa zaujímate o to, ako môžu tieto elektróny lietať nezávisle od svojich atómov, je to spôsobené ionizačným procesom, v ktorom - v tomto prípade - elektrický náboj mení štruktúru atómu, čím elektróny v blízkosti..

Najmä vzhľadom na to, že s elektrónmi sa dá ľahko manipulovať a pohybovať, elektrické obvody sú možné. Elektróny v medenom drôte sa pohybujú ako vlak z jedného atómu medi do druhého - takže vodič je prenášaný drôtom. Atómy, ako sme už povedali, nie sú pevnými kúskami hmoty, ale systémami, ktoré môžu byť modifikované alebo rozdelené do štruktúrnych prvkov..

Objav elektrónu ukázal, že sa musíte dozvedieť viac o atómoch. Thomsonova práca ukázala, že elektróny sú záporne nabité - ale vedel, že samotné atómy nemajú spoločný náboj. Navrhol, aby obsahovali záhadne pozitívne nabité častice na kompenzáciu záporne nabitých elektrónov..

Experimenty zo začiatku 20. storočia odhalili tieto pozitívne nabité častice a zároveň odhalili vnútornú štruktúru atómu - podobnú slnečnej sústave..

Ernest Rutherford a jeho kolegovia vzali veľmi tenkú kovovú fóliu a položili ju pod lúč kladne nabitého žiarenia - prúd drobných častíc. Väčšina silného žiarenia prešla, ako veril Rutherford, vzhľadom na hrúbku fólie. Ale k prekvapeniu vedcov sa časť z nich odrazila.

Rutherford navrhol, že atómy v kovovej fólii by mali obsahovať malé husté oblasti s pozitívnym nábojom - nič iné by nemalo potenciál odrážať takéto silné žiarenie. Objavil pozitívne náboje v atóme - a simultánne dokázal, že sú všetky napojené na hustú hmotu, na rozdiel od elektrónov. Inými slovami, preukázal existenciu hustého jadra v atóme.

Vyskytol sa problém. V tom čase už mohli vypočítať hmotnosť atómu. Ale vzhľadom na údaje o tom, aké ťažké by mali byť častice jadra, myšlienka, že všetci boli pozitívne nabití, nedala zmysel..

"Uhlík má šesť elektrónov a šesť protónov v jadre - šesť pozitívnych nábojov a šesť negatívnych nábojov," vysvetľuje Cliff, ale uhlíkové jadro neváži šesť protónov, váži ekvivalent 12 protónov..

Najprv sa predpokladalo, že existuje šesť ďalších jadrových častíc s hmotnosťou protónov, ale záporne nabitých: neutrónov. Ale nikto to nedokázal. V skutočnosti sa neutróny nedali nájsť až do 30. rokov.

Fyzik Cambridge James Chadwick sa zúfalo snažil otvoriť neutrón. Na tejto teórii pracoval mnoho rokov. V roku 1932 sa mu podarilo urobiť prielom..

Pred niekoľkými rokmi experimentovali iní fyzici so žiarením. Začali pozitívne nabité žiarenie - typu, ktorý Rutherford používal na vyhľadávanie jadra - do atómov berylia. Beryllium emitovalo svoje vlastné žiarenie: žiarenie, ktoré nebolo nabité pozitívne alebo negatívne a mohlo preniknúť hlboko do materiálu..

V tom čase iní prišli na to, že gama žiarenie bolo neutrálne a preniklo hlboko, takže fyzici verili, že to boli atómy berylia, ktoré ho emitovali. Ale Chadwick si to nemyslel.

Nezávisle produkoval nové žiarenie a nasmeroval ho na látku, o ktorej vedel, že je bohatá na protóny. Náhle sa ukázalo, že protóny boli z materiálu vyradené, ako keby boli častice s rovnakou hmotnosťou - ako gule na biliard s inými loptičkami.

Gama žiarenie nemôže takto odrážať protóny, takže Chadwick rozhodol, že predmetné častice musia mať protónovú hmotnosť, ale iný elektrický náboj: to je neutróny.

Všetky hlavné častice atómu boli nájdené, ale príbeh nekončí..

Hoci sme sa dozvedeli oveľa viac o atómoch, ako sme predtým poznali, bolo ťažké ich predstaviť. V tridsiatych rokoch minulého storočia nikto nefotografoval - a mnohí ich chceli vidieť, aby prijali svoju existenciu..

Je však dôležité poznamenať, že metódy, ktoré používajú vedci ako Thomson, Rutherford a Chadwick, vydláždili cestu novým zariadeniam, čo nám nakoniec pomohlo vytvoriť tieto obrazy. Mimoriadne užitočné sa ukázali elektrónové lúče, ktoré Thomson vytvoril vo svojom experimente s Crookesovou trubicou..

Dnes sú takéto lúče generované elektrónovými mikroskopmi a najvýkonnejší z týchto mikroskopov môže skutočne odfotografovať jednotlivé atómy. Je to preto, že elektrónový lúč má vlnovú dĺžku tisíckrát kratšiu ako lúč svetla - tak krátky, že elektrónové vlny sa môžu odraziť od malých atómov a vytvoriť obraz, ktorý svetelné lúče nemôžu.

Neil Skipper z University College v Londýne hovorí, že takéto obrazy sú užitočné pre ľudí, ktorí chcú študovať atómovú štruktúru špeciálnych látok - napríklad tých, ktoré sa používajú pri výrobe batérií pre elektrické vozidlá. Čím viac vieme o ich atómovej štruktúre, tým lepšie môžeme navrhnúť batérie, urobiť ich účinnými a spoľahlivými..

Môžete tiež pochopiť, ako atómy vyzerajú práve ich strkaním. Takže vlastne mikroskopia atómovej sily funguje.

Cieľom je priviesť špičku extrémne malej sondy na povrch molekuly alebo látky. S dostatočnou blízkosťou bude sonda citlivá na chemickú štruktúru toho, čo indikuje, a zmena odporu, ako sa sonda pohne, umožní vedcom fotografovať napríklad jednu molekulu..

Nedávno vedci zverejnili krásne obrazy molekuly pred a po chemickej reakcii pomocou tejto metódy..

Kapitán dodáva, že mnohí atómoví vedci skúmajú, ako sa mení štruktúra vecí, keď sú vystavení vysokému tlaku alebo teplote. Väčšina ľudí vie, že keď sa látka zahrieva, často sa rozširuje. Teraz môžete odhaliť atómové zmeny, ktoré sa vyskytujú pri tom, čo je často užitočné..

„Keď sa tekutina zahrieva, môžete si všimnúť, ako jej atómy majú neusporiadanú konfiguráciu,“ hovorí Skipper. „Môžete ju vidieť priamo zo štrukturálnej mapy.“.

Kapitán a iní fyzici môžu tiež pracovať s atómami pomocou neutrónových lúčov, ktoré prvýkrát objavil Chadwick v 30. rokoch.

„Vo vzorkách materiálov spustíme veľa neutrónových lúčov a z vznikajúceho rozptylového vzoru môžete pochopiť, že rozptyľujete neutróny v jadrách,“ hovorí..

Ale atómy nie sú vždy len tam, v stabilnom stave a čakajú na ich štúdium. Niekedy sa rozpadajú - to znamená, že sú rádioaktívne..

Existuje mnoho prirodzene sa vyskytujúcich rádioaktívnych prvkov. Tento proces vytvára energiu, ktorá tvorila základ jadrovej energie - a jadrových bômb. Jadroví fyzici sa spravidla snažia lepšie pochopiť reakcie, v ktorých jadro prechádza zásadnými zmenami, ako sú tieto.

Laura Harkness-Brennanová z Univerzity v Liverpoole sa špecializuje na štúdium žiarenia gama - typu žiarenia emitovaného rozpadajúcimi sa atómami. Určitý typ rádioaktívneho atómu emituje konkrétnu formu gama žiarenia. To znamená, že atómy môžete identifikovať len registráciou energie gama lúčov - to je vlastne Harkness-Brennanová, ktorú robí vo svojom laboratóriu..

"Typy detektorov, ktoré by ste mali používať, sú detektory, ktoré vám umožňujú merať prítomnosť žiarenia a energiu ožarovania, ktorá bola oneskorená," hovorí. "Všetko preto, že všetky jadrá majú špeciálny odtlačok.".

Pretože v oblasti, kde bolo detegované žiarenie, môžu byť prítomné všetky typy atómov, najmä po veľkej jadrovej reakcii, je dôležité presne vedieť, ktoré rádioaktívne izotopy sú prítomné. Takéto odhaľovanie sa zvyčajne vykonáva na jadrových staniciach alebo v oblastiach, kde došlo k jadrovej katastrofe..

Harkness-Brennanová a jej kolegovia teraz pracujú na detekčných systémoch, ktoré môžu byť umiestnené na miestach, ktoré sa majú ukázať v troch dimenziách, kde môže byť žiarenie prítomné v určitej miestnosti. „Potrebujete vybavenie a nástroje, ktoré vám umožnia vytvoriť trojrozmernú mapu vesmíru a povedať, kde sa v tejto miestnosti nachádza žiarenie,“ hovorí..

Môžete tiež vizualizovať žiarenie v "Wilsonovej komore". V tomto špeciálnom experimente sa alkoholový výpar ochladený na -40 stupňov Celzia rozprašuje oblakom nad rádioaktívnym zdrojom. Nabité častice žiarenia, ktoré vychádzajú zo zdroja žiarenia, narážajú na elektróny z molekúl alkoholu. Alkohol kondenzuje na kvapalinu v blízkosti dráhy emitovaných častíc. Výsledky tohto typu detekcie sú pôsobivé..

Robili sme málo práce priamo s atómami - pokiaľ sme nepochopili, že ide o nádherné komplexné štruktúry, ktoré môžu prechádzať úžasnými zmenami, z ktorých mnohé sa vyskytujú v prírode. Študovaním atómov týmto spôsobom zlepšujeme vlastné technológie, získavame energiu z jadrových reakcií a lepšie chápeme prirodzený svet okolo nás. Mali sme tiež možnosť chrániť sa pred žiarením a študovať, ako sa látky menia v extrémnych podmienkach..

"Vzhľadom na to, aký malý atóm je, je to neuveriteľné, koľko fyziky z nej môžeme extrahovať," poznamenáva Harkness-Brennanová. Všetko, čo vidíme okolo nás, pozostáva z týchto najmenších častíc. A je dobré vedieť, že sú tam, pretože je to vďaka nim, že je všetko možné..