Kopš laika sākuma cilvēki ir centušies saprast, no kā sastāv Visums un viss tajā esošais. Un, kamēr senie magi un filozofi bija iecerējuši pasauli, kas sastāv no četriem vai pieciem elementiem - zemes, gaisa, ūdens, uguns (un metāla vai apziņas) - ar klasisko senatni filozofi sāka teorēt, ka visa matērija patiesībā sastāv no niecīga, neredzami un nedalāmi atomi.
Kopš tā laika zinātnieki ir iesaistījušies pastāvīgā atoma atklāšanas procesā, cerot atklāt tā patieso dabu un aplauzumu. Līdz 20. gadsimtam mūsu izpratne tika precizēta līdz vietai, ka mēs spējām izveidot precīzu tās modeli. Un pēdējās desmit gadu laikā mūsu izpratne ir vēl vairāk attīstījusies, sasniedzot punktu, ka mēs esam apstiprinājuši, ka pastāv gandrīz visas tās teorētiskās daļas.
Mūsdienās atomu izpēte ir vērsta uz matērijas struktūras un funkcijas izpēti subatomiskajā līmenī. Tas nozīmē ne tikai visu subatomisko daļiņu identificēšanu, kuras, domājams, veido atomu, bet arī to spēku izpēti, kas tos pārvalda. Tajos ietilpst spēcīgi kodolieroču spēki, vāji kodolieroču spēki, elektromagnētisms un gravitācija. Šeit ir viss, ko mēs līdz šim esam uzzinājuši, lai uzzinātu par atomu.
Atoma struktūra:
Mūsu pašreizējo atoma modeli var sadalīt trīs sastāvdaļās - protonos, neitronos un elektronos. Katrai no šīm daļām ir saistīta lādiņa, ar protoniem, kuriem ir pozitīva lādiņa, elektroniem ar negatīvu lādiņu un neitroniem, kuriem nav neto lādiņa. Saskaņā ar daļiņu fizikas standarta modeli protoni un neitroni veido atoma kodolu, bet elektroni riņķo pa “mākoni”.
Elektroni atomā ir piesaistīti protoniem kodolā ar elektromagnētiskā spēka palīdzību. Elektroni var izkļūt no savas orbītas, bet tikai reaģējot uz ārēja enerģijas avota izmantošanu. Jo tuvāk elektrona orbītā atrodas kodolam, jo lielāks ir pievilcīgais spēks; līdz ar to, jo spēcīgāks ārējais spēks, kas vajadzīgs, lai elektrons varētu izbēgt.
Elektroni riņķo kodolu vairākās orbītās, no kurām katra atbilst noteiktam elektronu enerģijas līmenim. Elektrons var mainīt savu stāvokli uz augstāku enerģijas līmeni, absorbējot fotonu ar pietiekamu enerģiju, lai to pastiprinātu jaunā kvantu stāvoklī. Tāpat elektrons augstākas enerģijas stāvoklī var nokrist zemākā enerģijas stāvoklī, vienlaikus izstarojot lieko enerģiju kā fotonu.
Atomi ir elektriski neitrāli, ja tiem ir vienāds skaits protonu un elektronu. Atomus, kuriem ir vai nu deficīts, vai pārpalikums elektronu, sauc par joniem. Elektroni, kas atrodas vistālāk no kodola, var tikt pārnesti uz citiem tuvumā esošajiem atomiem vai dalīti starp atomiem. Ar šo mehānismu atomi spēj saistīties molekulās un cita veida ķīmiskos savienojumos.
Visas trīs šīs subatomiskās daļiņas ir Fermioni, daļiņu klase, kas saistīta ar matēriju, kas dabā ir vai nu elementāra (elektronu), vai salikta (protoni un neitroni). Tas nozīmē, ka elektroniem nav zināmas iekšējās struktūras, turpretī protonus un neitronus veido citas subatomiskās daļiņas. sauc par kvarkiem. Atomos ir divu veidu kvarki, kuriem ir daļēja elektriskā lādiņa.
Protonus veido divi “augšu” kvarki (katrs ar lādiņu +2/3) un viens “uz leju” kvarks (-1/3), savukārt neitroni sastāv no viena kvarka uz augšu un diviem uz leju. Šī atšķirība atspoguļo lādiņa starpību starp abām daļiņām, kas attiecīgi veido lādiņu +1 un 0, bet elektronu lādiņš ir -1.
Pie citām subatomiskajām daļiņām pieder Leptoni, kas apvienojumā ar Fermioniem veido matērijas celtniecības blokus. Pašreizējā atomu modelī ir seši leptoni: elektronu, muonu un tau daļiņas un ar tiem saistītie neitrīni. Dažādās Leptona daļiņu šķirnes, ko parasti sauc par “garšām”, tiek diferencētas pēc to lieluma un lādiņa, kas ietekmē to elektromagnētiskās mijiedarbības līmeni.
Pēc tam ir gabarītu bosoni, kurus sauc par “spēka nesējiem”, jo tie ir starpnieki fiziskos spēkos. Piemēram, gluoni ir atbildīgi par spēcīgo kodolenerģijas spēku, kas satur kvarkus, savukārt W un Z bozoni (joprojām hipotētiski), domājams, ir atbildīgi par vājo kodolspēku, kas izraisa elektromagnētismu. Fotoni ir elementārā daļiņa, kas veido gaismu, savukārt Higsa bosons ir atbildīgs par W un Z bozonu masas piešķiršanu.
Atomu masa:
Lielākā atomu masas daļa nāk no protoniem un neitroniem, kas veido tā kodolu. Elektroni ir vismazāk masīvas no atoma sastāvdaļām, kuru masa ir 9,11 x 10-31 kg un izmērs ir pārāk mazs, lai to izmērītu ar pašreizējām metodēm. Protonu masa ir 1,836 reizes lielāka par elektronu masu 1,6726 × 10-27 kg, savukārt neitroni ir vismasīvākie no trim - 1,6929 × 10-27 kg (1,839 reizes lielāka par elektronu masu).
Kopējo protonu un neitronu skaitu atomu kodolā (ko sauc par “nukleoniem”) sauc par masas numuru. Piemēram, elements Carbon-12 tiek dēvēts tāpēc, ka tam ir masu skaits 12 - atvasināts no tā 12 nukleoniem (seši protoni un seši neitroni). Tomēr elementi ir sakārtoti arī pēc to atomu skaita, kas ir tāds pats kā kodolā atrasto protonu skaitam. Šajā gadījumā oglekļa atomu skaits ir 6.
Patieso atoma masu miera stāvoklī ir ļoti grūti izmērīt, jo pat vismasīvākie atomi ir pārāk viegli, lai tos varētu izteikt parastās vienībās. Kā tādi zinātnieki bieži izmanto vienotu atomu masas vienību (u) - sauktu arī par daltonu (Da) -, kas tiek definēta kā divpadsmitā daļa no oglekļa -12 brīvā neitrāla atoma masas, kas ir aptuveni 1,66 × 10-27 Kilograms.
Ķīmiķi izmanto arī dzimumzīmes - vienību, kas definēta kā viena mola jebkura elementa, kam vienmēr ir vienāds atomu skaits (apmēram 6,022 × 1023). Šis skaitlis tika izvēlēts tā, ka, ja elementa atomu masa ir 1 u, šī elementa atomu molu masa ir tuvu vienam gramam. Sakarā ar vienotās atomu masas vienības definīciju, katra oglekļa-12 atoma atomu masa ir precīzi 12 u, un tādējādi ogles-12 atomu mols sver tieši 0,012 kg.
Radioaktīvā sabrukšana:
Visi divi atomi, kuriem ir vienāds protonu skaits, pieder vienam un tam pašam ķīmiskajam elementam. Bet atomiem ar vienādu protonu skaitu var būt atšķirīgs neitronu skaits, kas tiek definēti kā dažādi viena un tā paša elementa izotopi. Šie izotopi bieži ir nestabili, un visi tie, kuru atomu skaits pārsniedz 82, ir radioaktīvi.
Kad elements izjūk, tā kodols zaudē enerģiju, izstarojot starojumu - kas var sastāvēt no alfa daļiņām (hēlija atomiem), beta daļiņām (pozitroniem), gamma stariem (augstfrekvences elektromagnētiskā enerģija) un konversijas elektroniem. Nestabila elementa sabrukšanas ātrumu sauc par tā “pussabrukšanas periodu”, kas ir laiks, kas vajadzīgs, lai elements nokristu uz pusi no tā sākotnējās vērtības.
Izotopu stabilitāti ietekmē protonu un neitronu attiecība. No 339 dažāda veida elementiem, kas dabiski sastopami uz Zemes, 254 (apmēram 75%) ir apzīmēti kā “stabili izotopi” - t.i., nav pakļauti sabrukšanai. Papildu 34 radioaktīvo elementu pussabrukšanas periods ir ilgāks par 80 miljoniem gadu, un tie pastāv arī kopš agrīnās Saules sistēmas (tāpēc tos sauc par “pirmatnējiem elementiem”).
Visbeidzot, ir zināms, ka vēl 51 īstermiņa elements notiek dabiski kā “meitas elementi” (t.i., kodolieroču blakusprodukti) citu elementu (piemēram, urāna rādija) sabrukšanas gadījumā. Turklāt īslaicīgi radioaktīvie elementi var būt dabisko enerģētisko procesu rezultāts uz Zemes, piemēram, kosmisko staru bombardēšana (piemēram, ogleklis-14, kas notiek mūsu atmosfērā).
Studiju vēsture:
Agrākie zināmie atomu teorijas piemēri nāk no senās Grieķijas un Indijas, kur tādi filozofi kā Democritus postulēja, ka visa matērija sastāv no niecīgām, nedalāmām un neiznīcināmām vienībām. Termins “atoms” tika radīts senajā Grieķijā un radīja domas skolu, kas pazīstama kā “atomisms”. Tomēr šī teorija drīzāk bija filozofiska, nevis zinātniska.
Tikai 19. gadsimtā atomu teorija kļuva par zinātnisku jautājumu, un tika veikti pirmie uz pierādījumiem balstīti eksperimenti. Piemēram, 1800. gadu sākumā angļu zinātnieks Džons Daltons izmantoja atoma jēdzienu, lai izskaidrotu, kāpēc ķīmiskie elementi reaģēja noteiktos novērojamos un paredzamos veidos.
Daltons sāka ar jautājumu par to, kāpēc elementi reaģēja mazu mazu skaitļu attiecībās, un secināja, ka šīs reakcijas notika ar veselu skaitu atsevišķu vienību daudzkārtņiem, citiem vārdiem sakot, atomiem. Veicot virkni eksperimentu ar gāzēm, Daltons turpināja attīstīt tā dēvēto Daltona atomu teoriju, kas joprojām ir viens no mūsdienu fizikas un ķīmijas stūrakmeņiem.
Teorija attiecas uz piecām telpām: elementi tīrākajā stāvoklī sastāv no daļiņām, kuras sauc par atomiem; noteikta elementa atomi ir vienādi, līdz pat pēdējam atomam; dažādu elementu atomus var atšķirt pēc to atomu svara; elementu atomi apvienojas, veidojot ķīmiskus savienojumus; atomus nevar ne radīt, ne iznīcināt ķīmiskajā reakcijā, tikai grupas vienmēr mainās.
Līdz 19. gadsimta beigām zinātnieki sāka teorēt, ka atoms sastāv no vairāk nekā vienas pamatvienības. Tomēr vairums zinātnieku uzdrošinājās, ka šī vienība būs mazākā zināmā atoma - ūdeņraža - izmērs. Un tad 1897. gadā, izmantojot virkni eksperimentu, izmantojot katoda starus, fiziķis Dž. Tompsons paziņoja, ka ir atklājis vienību, kas ir 1000 reizes mazāka un 1800 reizes vieglāka par ūdeņraža atomu.
Viņa eksperimenti arī parādīja, ka tie ir identiski daļiņām, ko izstaro fotoelektriskais efekts un radioaktīvie materiāli. Turpmākie eksperimenti atklāja, ka šī daļiņa veica elektrisko strāvu caur metāla stieplēm un negatīvu elektrisko lādiņu atomos. Tāpēc daļiņa - kuru sākotnēji sauca par “asinsķermeni” - vēlāk tika mainīta uz “elektronu” pēc daļiņas Džordža Džonstona Stoneja prognozētā 1874. gadā.
Tomēr Thomsons arī postulēja, ka elektroni tika sadalīti visā atomā, kas bija vienveidīga pozitīvā lādiņa jūra. Tas kļuva pazīstams kā “plūmju pudiņa modelis”, kas vēlāk izrādīsies nepareizs. Tas notika 1909. gadā, kad fiziķi Hanss Gīgers un Ernests Marsdens (Ernesta Rutherfoda vadībā) veica savu eksperimentu, izmantojot metāla foliju un alfa daļiņas.
Saskaņā ar Daltona atomu modeli viņi uzskatīja, ka alfa daļiņas izies taisni caur foliju ar nelielu novirzi. Tomēr daudzas daļiņas tika novirzītas leņķī, kas lielāks par 90 °. Lai to izskaidrotu, Rutherfords ierosināja, ka pozitīvā atoma lādiņš ir koncentrēts nelielā kodolā, kas atrodas centrā.
1913. gadā fiziķis Nīls Bohrs ierosināja modeli, kurā elektroni riņķoja ap kodolu, bet to varēja izdarīt tikai ierobežotā orbītu komplektā. Viņš arī ierosināja, ka elektroni varētu lēkt starp orbītām, bet tikai atsevišķās enerģijas izmaiņās, kas atbilst fotona absorbcijai vai starojumam. Šis ne tikai izsmalcinātais Rutherforda piedāvātais modelis, bet arī radīja kvantēta atoma jēdzienu, kurā matērija izturējās diskrētās paketēs.
Masas spektrometra, kurš izmanto magnētu, lai saliektu jonu staru kūļa trajektoriju, attīstība ļāva izmērīt atomu masu ar lielāku precizitāti. Ķīmiķis Francis Viljams Astons izmantoja šo instrumentu, lai parādītu, ka izotopiem ir dažādas masas. Tam savukārt sekoja fiziķis Džeimss Čadviks, kurš 1932. gadā ierosināja neitronu kā veidu, kā izskaidrot izotopu esamību.
Visā 20. gadsimta sākumā atomu kvantu būtība tika attīstīta tālāk. 1922. gadā vācu fiziķi Otto Šterns un Valters Gerlahs veica eksperimentu, kurā sudraba atomu stars tika virzīts caur magnētisko lauku, kas bija paredzēts, lai sadalītu staru starp atomu leņķiskā impulsa (vai griešanās) virzieniem.
Pazīstams kā Stern-Gerlach eksperiments, rezultāti bija tādi, ka staru kūlis sadalījās divās daļās atkarībā no tā, vai atomu griešanās bija vērsta uz augšu vai uz leju. 1926. gadā fiziķis Ervins Šrodingers izmantoja ideju, ka daļiņas uzvedas kā viļņi, lai izstrādātu matemātisko modeli, kas elektronus raksturoja kā trīsdimensiju viļņu formas, nevis tikai par daļiņām.
Tā kā viļņu formas tiek izmantotas daļiņu aprakstīšanai, matemātiski nav iespējams iegūt precīzas vērtības gan daļiņas stāvoklim, gan momentam jebkurā brīdī. Tajā pašā gadā Verners Heizenbergs formulēja šo problēmu un sauca to par “nenoteiktības principu”. Pēc Heizenberga teiktā, precīzi noteiktam pozīcijas mērījumam var iegūt tikai iespējamā impulsa vērtību diapazonu un otrādi.
Pagājušā gadsimta 30. gados fiziķi atklāja kodola skaldīšanu, pateicoties Otto Hahna, Līzes Meitneres un Otto Frisha eksperimentiem. Hahna eksperimenti ietvēra neitronu virzīšanu uz urāna atomiem, cerot radīt transurāna elementu. Tā vietā process pagrieza viņa urāna-92 paraugu (Ur92) divos jaunos elementos - bārijā (B56) un kriptonu (Kr27).
Meitners un Frishs pārbaudīja eksperimentu un attiecināja to uz urāna atomu sadalīšanos, veidojot divus elementus ar vienādu kopējo atomu svaru - procesu, kas arī izdalīja ievērojamu enerģijas daudzumu, sadalot atomu saites. Turpmākajos gados tika sākti šī procesa iespējamās ieroču (t.i., kodolieroču) izpētes pētījumi, kuru rezultātā līdz 1945. gadam ASV tika uzbūvētas pirmās atombumbas.
Piecdesmitajos gados uzlaboto daļiņu paātrinātāju un daļiņu detektoru izstrāde ļāva zinātniekiem izpētīt atomu, kas pārvietojas ar lielu enerģiju, ietekmi. No tā tika izstrādāts daļiņu fizikas standarta modelis, kas līdz šim veiksmīgi izskaidroja kodola īpašības, teorētisko subatomisko daļiņu esamību un spēkus, kas nosaka to mijiedarbību.
Mūsdienu eksperimenti:
Kopš 20. gadsimta otrās puses ir veikti daudzi jauni un aizraujoši atklājumi saistībā ar atomu teoriju un kvantu mehāniku. Piemēram, 2012. gadā ilgie Higsa Bosona meklējumi noveda pie izrāviena, kurā pētnieki, kas strādā Eiropas Kodolpētījumu organizācijā (CERN) Šveicē, paziņoja par savu atklājumu.
Pēdējās desmitgadēs fiziķi daudz laika un enerģijas ir veltījuši vienotas lauka teorijas (aka. Grand Unifying Theory jeb Theory of Everything) izstrādei. Kopš standarta modeļa ierosināšanas zinātnieki būtībā ir centušies izprast, kā četri Visuma pamat spēki (gravitācijas spēks, spēcīgi un vāji kodolieroču spēki un elektromagnētisms) darbojas kopā.
Lai gan smagumu var saprast, izmantojot Einšteina relativitātes teorijas, un kodolieroču spēkus un elektromagnētismu var saprast, izmantojot kvantu teoriju, neviena teorija nevar izskaidrot visus četrus spēkus, kas darbojas kopā. Mēģinājumi to atrisināt gadu gaitā ir noveduši pie vairākām ierosinātām teorijām, sākot no stīgu teorijas līdz cilpas kvantu gravitācijai. Līdz šim neviena no šīm teorijām nav radījusi izrāvienu.
Mūsu izpratne par atomu ir nogājusi garu ceļu, sākot no klasiskajiem modeļiem, kas to uzskatīja par inertu cietu vielu, kas mehāniski mijiedarbojās ar citiem atomiem, līdz modernām teorijām, kur atomi sastāv no enerģētiskām daļiņām, kuras uzvedas neparedzami. Lai arī ir pagājuši vairāki tūkstoši gadu, mūsu zināšanas par visas matērijas pamatstruktūru ir ievērojami uzlabojušās.
Un tomēr joprojām ir daudz noslēpumu, kas vēl jāatrisina. Ar laiku un turpinot centienus, mēs beidzot varam atklāt pēdējos atoma noslēpumus. Un atkal, ļoti iespējams, ka visi jaunie atklājumi radīs tikai vairāk jautājumu - un tie varētu būt vēl neskaidrāki nekā iepriekšējie!
Mēs esam uzrakstījuši daudzus rakstus par žurnālu Space. Šis ir raksts par Džona Daltona atomu modeli, Neila Boha atomu modeli, kurš bija demokrāts? Un cik atomu ir Visumā?
Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par atomu, skatiet NASA rakstu par sīku paraugu analīzi, un šeit ir saite uz NASA rakstu par atomiem, elementiem un izotopiem.
Mēs esam ierakstījuši arī visu epizodi no astronomijas dalībniekiem, kas stāsta par atomu. Klausieties šeit, epizode 164: Inside the Atom, epizode 263: radioaktīvā sabrukšana un epizode 394: standarta modelis, Bosons.
