От началото на времето хората се стремят да разберат от какво се състои Вселената и всичко в нея. И докато древните магьосници и философи замисляли свят, съставен от четири или пет елемента - земя, въздух, вода, огън (и метал, или съзнание) - от класическата античност, философите започнали да теоретизират, че цялата материя всъщност е съставена от мъничка, т.е. невидими и неделими атоми.
Оттогава учените участват в процес на непрекъснато откриване с атома, надявайки се да открият истинската му същност и състав. С 20-ти век нашето разбиране стана усъвършенствано до степен, че успяхме да изградим точен модел от него. И в рамките на изминалото десетилетие нашето разбиране се разшири още повече, до степен, че ние потвърдихме съществуването на почти всички негови теоретични части.
Днес атомните изследвания са насочени към изучаване на структурата и функцията на материята на субатомно ниво. Това не се състои само в идентифициране на всички субатомни частици, за които се смята, че образуват атом, но и изследване на силите, които ги управляват. Те включват силни ядрени сили, слаби ядрени сили, електромагнетизъм и гравитация. Ето разбивка на всичко, което досега научихме за атома ...
Структура на Атома:
Нашият настоящ модел на атома може да бъде разбит на три съставни части - протони, неутрони и електрони. Всяка от тези части има свързан заряд, като протоните носят положителен заряд, електроните имат отрицателен заряд и неутроните не притежават нетен заряд. В съответствие със Стандартния модел за физика на частиците протоните и неутроните съставят ядрото на атома, докато електроните го орбитират в „облак“.
Електроните в един атом се привличат от протоните в ядрото от електромагнитната сила. Електроните могат да избягат от орбитата си, но само в отговор на външен източник на енергия, който се прилага. Колкото по-близо е орбитата на електрона до ядрото, толкова по-голяма е привлекателната сила; следователно, колкото по-силна е необходимата външна сила, за да накара един електрон да избяга.
Електрони обикалят около ядрото в множество орбити, всяка от които съответства на определено енергийно ниво на електрона. Електронът може да промени състоянието си на по-високо енергийно ниво, като абсорбира фотон с достатъчно енергия, за да го увеличи в новото квантово състояние. По същия начин, електрон в по-високо енергийно състояние може да падне до по-ниско енергийно състояние, докато излъчва излишната енергия като фотон.
Атомите са електрически неутрални, ако имат равен брой протони и електрони. Атомите, които имат или дефицит, или излишък от електрони, се наричат йони. Електроните, които са най-отдалечени от ядрото, могат да бъдат прехвърлени на други близки атоми или споделени между атомите. По този механизъм атомите са в състояние да се свързват в молекули и други видове химически съединения.
И трите от тези субатомни частици са Фермиони, клас частици, свързани с материя, която е или елементарна (електрони), или композитна (протони и неутрони) в природата. Това означава, че електроните нямат известна вътрешна структура, докато протоните и неутроните са съставени от други субатомни частици. наречени кварки. Има два типа кварки в атомите, които имат фракционен електрически заряд.
Протоните се състоят от два „нагоре“ кварка (всеки със заряд +2/3) и един „надолу“ кварк (-1/3), докато неутроните се състоят от един нагоре кварк и два надолу кварки. Това разграничение обяснява разликата в заряда между двете частици, която работи до заряд съответно +1 и 0, докато електроните имат заряд -1.
Други субатомни частици включват лептоните, които се комбинират с Фермиони и образуват градивните елементи на материята. В настоящия атомен модел има шест лептона: частиците електрон, мюон и тау и техните свързани неутрино. Различните разновидности на лептоновите частици, обикновено наричани „аромати“, се диференцират по техните размери и заряди, което влияе на нивото на техните електромагнитни взаимодействия.
След това има калибровъчни бозони, които са известни като "носители на сила", тъй като те посредничат на физическите сили. Например, глуоните са отговорни за силната ядрена сила, която държи кваркове заедно, докато W и Z бозоните (все още хипотетични) се смята, че са отговорни за слабата ядрена сила зад електромагнетизма. Фотоните са елементарната частица, която изгражда светлина, докато Хигс Босон е отговорен за придаването на W и Z бозоните си.
Атомна маса:
По-голямата част от масата на атомите идва от протоните и неутроните, които съставляват нейното ядро. Електроните са най-малко масивни от съставните частици на атома, с маса 9,11 x 10-31 кг и твърде малък размер, за да се измерва с помощта на текущи техники. Протоните имат маса, която е 1836 пъти по-голяма от тази на електрона, при 1.6726 × 10-27 kg, докато неутроните са най-масовите от трите, при 1.6929 × 10-27 kg (1839 пъти повече от масата на електрона).
Общият брой на протони и неутрони в ядрото на атомите (наречени „нуклони“) се нарича масовото число. Например елементът Carbon-12 е така наречен, тъй като има масов брой 12 - получени от неговите 12 нуклона (шест протона и шест неутрона). Елементите обаче също са подредени въз основа на атомните им числа, което е същото като броя на протоните, открити в ядрото. В този случай въглеродът има атомно число 6.
Действителната маса на атом в покой е много трудно да се измери, тъй като дори и най-масивните от атоми са твърде леки, за да се изразят в конвенционалните единици. Като такива учените често използват унифицираната атомна единица за маса (u) - наричана още далтон (Da) - която се определя като дванадесета от масата на свободен неутрален атом на въглерод-12, което е приблизително 1,66 × 10-27 килограма.
Химиците също използват бенки, единица, определена като един мол от всеки елемент, който винаги има същия брой атоми (около 6.022 × 1023). Това число е избрано така, че ако даден елемент има атомна маса 1 u, мол от атоми на този елемент има маса, близка до един грам. Поради дефиницията на обединената единица за атомна маса, всеки атом въглерод-12 има атомна маса от точно 12 u и затова мол въглерод-12 атома тежи точно 0,012 kg.
Радиоактивен разпад:
Всички два атома, които имат еднакъв брой протони, принадлежат към един и същ химичен елемент. Но атомите с равен брой протони могат да имат различен брой неутрони, които са определени като различни изотопи на един и същ елемент. Тези изотопи често са нестабилни и всички тези с атомно число по-голямо от 82 са известни като радиоактивни.
Когато елемент претърпява разпад, неговото ядро губи енергия чрез излъчване на радиация - която може да се състои от алфа частици (хелиеви атоми), бета частици (позитрони), гама лъчи (високочестотна електромагнитна енергия) и конверсионни електрони. Скоростта, с която нестабилният елемент се разпада, е известна като „полуживот“, което е времето, необходимо за елемента да падне до половината от първоначалната му стойност.
Стабилността на изотопа се влияе от съотношението на протоните към неутроните. От 339 различни типа елементи, които се срещат естествено на Земята, 254 (около 75%) са белязани като „стабилни изотопи“ - т.е. не подлежат на разпад. Допълнителните 34 радиоактивни елемента имат полуживот по-дълъг от 80 милиона години и съществуват още от ранната Слънчева система (затова те се наричат „първични елементи“).
И накрая, е известно, че допълнителни 51 краткотрайни елемента се срещат естествено като „дъщерни елементи“ (т.е. ядрени странични продукти) от разпадането на други елементи (като радий от уран). Освен това, краткотрайните радиоактивни елементи могат да бъдат резултат от естествени енергийни процеси на Земята, като космически бомбардировки (например въглерод-14, който се случва в нашата атмосфера).
История на обучението:
Най-ранните известни примери на атомната теория идват от древна Гърция и Индия, където философи като Демокрит постулират, че цялата материя е съставена от малки, неделими и неразрушими единици. Терминът "атом" е въведен в древна Гърция и е създал училището на мисълта, известно като "атомизъм". Тази теория обаче беше по-скоро философска концепция, отколкото научна.
Едва през 19 век теорията на атомите се артикулира като научна материя, като се провеждат първите експерименти, основани на доказателства. Например, в началото на 1800 г. английският учен Джон Далтън използва концепцията за атома, за да обясни защо химическите елементи реагират по определени наблюдаеми и предвидими начини.
Далтън започна с въпроса защо елементите реагират в съотношения с малки цели числа и стигна до заключението, че тези реакции протичат в цяло число, множество от дискретни единици - с други думи, атоми. Чрез поредица от експерименти, включващи газове, Далтън продължи да разработва това, което е известно като атомната теория на Далтън, което остава един от крайъгълните камъни на съвременната физика и химия.
Теорията се свежда до пет предпоставки: елементите в най-чистото си състояние се състоят от частици, наречени атоми; атомите на конкретен елемент са еднакви, чак до последния атом; атомите на различни елементи могат да бъдат разграничени от техните атомни тегла; атомите на елементите се обединяват и образуват химични съединения; атомите не могат да бъдат създадени или унищожени при химическа реакция, само групирането се променя.
В края на 19 век учените започват да теоретизират, че атомът е съставен от повече от една основна единица. Повечето учени обаче се осмелиха, че тази единица ще бъде с размерите на най-малкия известен атом - водород. И тогава през 1897 г., чрез поредица от експерименти, използващи катодни лъчи, физикът J.J. Томпсън обяви, че е открил единица, която е 1000 пъти по-малка и 1800 пъти по-лека от водороден атом.
Експериментите му също показаха, че те са идентични с частиците, отделяни от фотоелектричния ефект и от радиоактивните материали. Следващи експерименти разкриха, че тази частица пренася електрически ток през метални проводници и отрицателни електрически заряди в атомите. Следователно защо частицата - която първоначално е била наречена „корпускул“, е била по-късно променена на „електрон“, след прогнозата на частицата на Джордж Джонстън Стоуни през 1874г.
Томсън също така постулира, че електроните се разпределят в целия атом, което представлява еднородно море с положителен заряд. Това стана известно като „модел на сливов пудинг“, който по-късно ще се окаже грешен. Това се случва през 1909 г., когато физиците Ханс Гигер и Ърнест Марсдън (под ръководството на Ърнест Ръдърфод) провеждат експеримента си, използвайки метално фолио и алфа-частици.
В съответствие с атомния модел на Далтън, те вярваха, че алфа частиците ще преминат направо през фолиото с малко отклонение. Въпреки това, много от частиците бяха отклонени под ъгъл по-голям от 90 °. За да обясни това, Ръдърфорд предложи положителният заряд на атома да се концентрира в мъничко ядро в центъра.
През 1913 г. физикът Нилс Бор предлага модел, при който електрони обикалят около ядрото, но могат да го направят само в ограничен набор от орбити. Той също така предложи електроните да могат да прескачат между орбитите, но само при дискретни промени на енергията, съответстващи на абсорбцията или излъчването на фотон. Това не само усъвършенства предложения модел на Ръдърфорд, но и породи концепцията за квантован атом, където материята се държи в дискретни пакети.
Развитието на мас-спектрометъра - който използва магнит за огъване на траекторията на лъч от йони - позволи масата на атомите да бъде измерена с повишена точност. Химикът Франсис Уилям Астън използва този инструмент, за да покаже, че изотопите имат различни маси. Това от своя страна е последвано от физика Джеймс Чадуик, който през 1932 г. предлага неутрона като начин да обясни съществуването на изотопи.
През целия началото на 20 век квантовата природа на атомите се развива допълнително. През 1922 г. немските физици Ото Стърн и Уолтер Герлах провеждат експеримент, при който лъч от сребърни атоми е насочен през магнитно поле, което е предназначено да раздели лъча между посоката на импулса на ъгъла (или въртене) на атомите.
Известен като експеримента на Стерн-Герлах, резултатите бяха, че лъчът се разделя на две части, в зависимост от това дали спинът на атомите е ориентиран или не нагоре или надолу. През 1926 г. физикът Ервин Шрьодингер използва идеята за частиците, които се държат като вълни, за да разработи математически модел, който описва електроните като триизмерни форми на вълни, а не като обикновени частици.
Следствие от използването на вълнови форми за описване на частиците е, че математически е невъзможно да се получат точни стойности както за позицията, така и за импулса на частица в даден момент. Същата година Вернер Хайзенберг формулира този проблем и го нарече „принцип на несигурност“. Според Хайзенберг за дадено точно измерване на положението може да се получи само диапазон от вероятни стойности за инерция и обратно.
През 30-те години на миналия век физиците откриват ядрено делене, благодарение на експериментите на Ото Хан, Лиз Мейтнер и Ото Фриш. Експериментите на Хан включваха насочване на неутрони към уранови атоми с надеждата да се създаде трансураниев елемент. Вместо това процесът обърна пробата му с уран-92 (Ur92) в два нови елемента - барий (B56) и криптон (Кр27).
Майтнер и Фриш провериха експеримента и го приписаха на разделянето на атомите на уран, образувайки два елемента с еднакво общо атомно тегло, процес, който също освободи значително количество енергия чрез разрушаване на атомните връзки. В следващите години започват проучвания за възможната оръжейнизация на този процес (т.е. ядрени оръжия) и водят до изграждането на първите атомни бомби в САЩ до 1945 г.
През 50-те години развитието на подобрени ускорители на частици и детектори за частици позволи на учените да проучат въздействието на атомите, движещи се при високи енергии. От това е разработен Стандартният модел на физиката на частиците, който досега успешно обяснява свойствата на ядрото, съществуването на теоретизирани субатомни частици и силите, които управляват взаимодействията им.
Съвременни експерименти:
От втората половина на 20 век досега има много нови и вълнуващи открития по отношение на атомната теория и квантовата механика. Например през 2012 г. продължителното търсене на Хигс Босон доведе до пробив, при който изследователи, работещи в Европейската организация за ядрени изследвания (CERN) в Швейцария, обявиха своето откритие.
През последните десетилетия много време и енергия отделяха физиците за разработването на единна теория на полето (известна още като Голямата обединяваща теория или Теория на всичко). По същество, откакто за първи път беше предложен Стандартният модел, учените се опитаха да разберат как работят четирите основни сили на Вселената (гравитация, силни и слаби ядрени сили и електромагнетизъм).
Докато гравитацията може да бъде разбрана с помощта на теориите за относителността на Айнщайн, а ядрените сили и електромагнетизмът могат да бъдат разбрани с помощта на квантовата теория, нито една теория не може да отчита всички четири сили, които работят заедно. Опитите за разрешаване на проблема доведоха до редица предложени теории през годините, вариращи от теорията на струните до квантовата гравитация на цикъла. Към днешна дата никоя от тези теории не е довела до пробив.
Нашето разбиране за атома измина дълъг път - от класическите модели, които го разглеждаха като инертно твърдо вещество, което взаимодействаше механично с други атоми, до съвременните теории, където атомите са съставени от енергийни частици, които се държат непредвидимо. Въпреки че отне няколко хиляди години, познанията ни за фундаменталната структура на цялата материя са напреднали значително.
И все пак, остават много мистерии, които тепърва ще се разрешават. С времето и непрекъснатите усилия може най-накрая да отключим последните останали тайни на атома. Тогава отново може да се окаже, че всяко ново откритие, което правим, ще породи само повече въпроси - и те биха могли да бъдат още по-объркващи от тези, които дойдоха преди!
Написахме много статии за атома за Space Magazine. Ето статия за атомния модел на Джон Далтън, атомният модел на Нийлс Бор, кой беше Демокрит? И колко атома има във Вселената?
Ако искате повече информация за атома, вижте статията на НАСА за анализиране на малки проби и ето линк към статията на НАСА за атомите, елементите и изотопите.
Записали сме и цял епизод от Астрономически роли за Атома. Чуйте тук, Епизод 164: Вътре в Атома, Епизод 263: Радиоактивен разпад и Епизод 394: Стандартният модел, Бозони.
