Aikojen alusta lähtien ihmiset ovat pyrkineet ymmärtämään, mistä maailmankaikkeus ja kaikki siinä oleva koostuu. Ja vaikka muinaiset magiit ja filosofit ajattelivat neljästä tai viidestä elementistä koostuvaa maailmaa - maata, ilmaa, vettä, tulta (ja metallia tai tietoisuutta) - klassisen antiikin ajan, filosofit alkoivat teorioida, että kaikki aine koostui tosiasiallisesti pienestä, näkymättömiä ja jakamattomia atomeja.
Siitä lähtien tutkijat ovat olleet käynnissä jatkuvan löytöprosessin kanssa atomin kanssa, toivoen löytävänsä sen todellisen luonteen ja meikin. 1900-luvulle mennessä ymmärryksemme oli hiottu siihen pisteeseen, että pystyimme rakentamaan siitä tarkan mallin. Ja viimeisen vuosikymmenen aikana ymmärryksemme on edennyt vielä pidemmälle, että olemme tulleet vahvistamaan melkein kaikkien sen teoreettisten osien olemassaolo.
Nykyään atomitutkimus keskittyy aineen rakenteen ja toiminnan tutkimiseen subatomisella tasolla. Tämä ei koostu vain kaikkien niiden alaatomien hiukkasten tunnistamisesta, joiden ajatellaan muodostavan atomin, vaan myös niitä hallitsevien voimien tutkimisesta. Näitä ovat vahvat ydinvoimat, heikot ydinvoimat, sähkömagneettisuus ja painovoima. Tässä on erittely kaikesta, mitä olemme oppineet atomista toistaiseksi ...
Atomin rakenne:
Nykyinen atomimallimme voidaan jakaa kolmeen komponenttiosaan - protoneihin, neutroniin ja elektroniin. Jokaisella näistä osista on liittyvä varaus protoneilla, joilla on positiivinen varaus, elektronilla, joilla on negatiivinen varaus, ja neutroneilla, joilla ei ole nettovarausta. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaisesti protonit ja neutronit muodostavat atomin ytimen, kun elektronit kiertävät sitä "pilvessä".
Atomin elektronit houkuttelevat ytimen protoneihin sähkömagneettisen voiman avulla. Elektronit voivat paeta kiertoradaltaan, mutta vain vastauksena ulkoiseen energialähteeseen, jota käytetään. Mitä lähemmäs elektronin kiertorata on ytimessä, sitä suurempi on houkutteleva voima; siten mitä voimakkaampi ulkoinen voima tarvitaan elektronin karkaamiseksi.
Elektronit kiertävät ydintä useilla kiertoradailla, joista kukin vastaa tietyn elektronin energiatasoa. Elektroni voi muuttaa tilansa korkeammalle energiatasolle absorboimalla fotonin, jolla on riittävästi energiaa lisätäkseen sen uuteen kvantitilaan. Samoin korkeamman energian tilassa oleva elektroni voi pudota alhaisempaan energiatilaan, kun säteilyttää ylimääräistä energiaa fotonina.
Atomit ovat sähköisesti neutraaleja, jos niissä on yhtä suuri määrä protoneja ja elektroneja. Atomeja, joissa on joko alijäämä tai ylijäämä elektroneja, kutsutaan ioneiksi. Ytimestä kauimpana olevat elektronit voivat siirtyä muihin läheisiin atomiin tai jakaa atomien välillä. Tällä mekanismilla atomit kykenevät sitoutumaan molekyyleihin ja muun tyyppisiin kemiallisiin yhdisteisiin.
Kaikki nämä kolme alaatomista hiukkasta ovat Fermioneja, aineosaan liittyvä hiukkasluokka, joka on luonteeltaan joko alkuaine (elektronit) tai komposiitti (protonit ja neutronit). Tämä tarkoittaa, että elektronilla ei ole tunnettua sisäistä rakennetta, kun taas protonit ja neutronit koostuvat muista subatomisista hiukkasista. kutsutaan kvarkeiksi. Atomeissa on kahden tyyppisiä kvarkeja, joilla on murto-osainen sähkövaraus.
Protonit koostuvat kahdesta “ylös” kvarkista (kummankin varaus on +2/3) ja yhdestä “alas” kvarkista (-1/3), kun taas neutronit koostuvat yhdestä ylös kvarkeista ja kahdesta alas kvarkeista. Tämä erottelu vastaa kahden hiukkasen varauseroa, joka toimii vastaavasti +1: n ja 0: n varauksena, kun taas elektronien varaus on -1.
Muita subatomisia hiukkasia ovat Leptonit, jotka yhdistyvät Fermionien kanssa muodostaen aineen rakennuspalikoita. Nykyisessä atomimallissa on kuusi leptonia: elektroni-, muoni- ja tau-hiukkaset ja niihin liittyvät neutriinot. Lepton-hiukkasten eri lajikkeet, joita yleisesti kutsutaan “makuiksi”, erotetaan niiden koon ja varausten perusteella, mikä vaikuttaa niiden sähkömagneettisen vuorovaikutuksen tasoon.
Sitten on mittaribosoneja, joita kutsutaan ”voimansiirtojiksi”, koska ne välittävät fyysisiä voimia. Esimerkiksi gluonit ovat vastuussa voimakkaasta ydinvoimasta, joka pitää kvarkeja yhdessä, kun taas W- ja Z-bosonien (silti hypoteettisten) uskotaan olevan vastuussa heikosta ydinvoimasta, joka aiheuttaa sähkömagneettisuutta. Fotonit ovat alkuainehiukkasia, jotka muodostavat valon, kun taas Higgs Boson vastaa siitä, että W- ja Z-bosoneille annetaan niiden massa.
Atomimassa:
Suurin osa atomien massasta tulee protoneista ja neutroneista, jotka muodostavat sen ytimen. Elektronit ovat atomin muodostavista hiukkasista vähiten massiivisia, niiden massa on 9,11 x 10-31 kg ja koko liian pieni, jotta voidaan mitata nykyisillä tekniikoilla. Protonien massa on 1,836-kertainen elektronin massan ollessa 1,6726 x 10-27 kg, kun taas neutronit ovat massiivisimpia kolmesta, 1,6929 × 10-27 kg (1839 kertaa elektronin massa).
Protonien ja neutronien kokonaismäärää atomien ytimessä (kutsutaan ”nukleoneiksi”) kutsutaan massaksi. Esimerkiksi elementti Carbon-12 on niin kutsuttu, koska sen massa on 12 - johdettu 12 nukleonistaan (kuusi protonia ja kuusi neutronia). Elementit on kuitenkin järjestetty myös niiden atomilukujen perusteella, mikä on sama kuin ytimessä olevien protonien lukumäärä. Tässä tapauksessa hiilen atominumero on 6.
Atomin todellista massaa levossa on erittäin vaikea mitata, koska jopa suurimmat atomit ovat liian kevyitä ilmaistakseen tavanomaisissa yksiköissä. Sellaisena tutkijat käyttävät usein yhtenäistä atomimassayksikköä (u) - jota kutsutaan myös daltoniksi (Da) - joka määritellään kahdestoistaosaksi vapaan neutraalin hiili-12-atomin massasta, joka on noin 1,66 × 10-27 kg.
Kemistit käyttävät myös moolia, yksikköä, joka määritellään yhdeksi mooliksi elementistä, jolla on aina sama määrä atomeja (noin 6,022 × 1023). Tämä luku valittiin siten, että jos elementin atomimassa on 1 u, kyseisen elementin atomien moolin massa on lähellä yhtä grammaa. Koska yhtenäinen atomimassayksikkö on määritelty, jokaisella hiili-12-atomilla on atomimassa täsmälleen 12 u, ja siten hiili-12-atomin mooli painaa tarkalleen 0,012 kg.
Radioaktiivinen hajoaminen:
Kaikki kaksi atomia, joilla on sama määrä protoneja, kuuluvat samaan kemialliseen alkuaineeseen. Mutta atomeilla, joilla on yhtä suuri määrä protoneja, voi olla erilainen määrä neutroneja, jotka määritellään olevan saman elementin eri isotoopit. Nämä isotoopit ovat usein epävakaita ja kaikkien niiden, joiden atomiluku on suurempi kuin 82, tiedetään olevan radioaktiivisia.
Kun elementti rapistuu, sen ydin menettää energiaa säteilemällä säteilyä - joka voi koostua alfahiukkasista (heliumiatomeista), beetahiukkasista (positronit), gammasäteistä (korkeataajuinen sähkömagneettinen energia) ja konversioelektroneista. Epästabiilin elementin hajoamisnopeutta kutsutaan sen ”puoliintumisaikaksi”, joka on aika, joka tarvitaan elementin laskemiseen puoleen alkuperäisestä arvostaan.
Isotoopin stabiilisuuteen vaikuttaa protonien ja neutronien suhde. Niistä 339 erityyppisestä elementistä, joita esiintyy luonnossa maapallolla, 254 (noin 75%) on merkitty ”vakaiksi isotoopeiksi” - ts. Niiden ei ole altistunut hajoamiselle. Ylimääräisten 34 radioaktiivisen alkuaineen puoliintumisaika on yli 80 miljoonaa vuotta, ja niitä on ollut olemassa myös varhaisesta aurinkokunnasta lähtien (siksi niitä kutsutaan ”alkuaineiksi”).
Lopuksi, 51 uuden lyhytikäisen alkuaineen tiedetään esiintyvän luonnollisesti "tytärelementeinä" (ts. Ydinsivutuotteina) muiden alkuaineiden (kuten uraanista peräisin olevan radiumin) hajoamisessa. Lyhytaikaiset radioaktiiviset elementit voivat lisäksi olla seurausta luonnollisista energiaprosesseista maapallolla, kuten kosmisten säteilypommitusten avulla (esimerkiksi ilmakehässämme esiintyvä hiili-14).
Opintohistoria:
Varhaisimmat tunnetut esimerkit atomiteoriasta ovat peräisin muinaisesta Kreikasta ja Intiasta, joissa filosofit, kuten Democritus, postuloivat, että kaikki aine koostui pienistä, jakamattomista ja tuhoutumattomista yksiköistä. Termi ”atomi” kehitettiin antiikin Kreikassa, ja se johti ajatuskouluun, joka tunnetaan nimellä “atomismi”. Tämä teoria oli kuitenkin enemmän filosofinen käsite kuin tieteellinen.
Vasta atomien teoriaa artikuloitiin vasta 1800-luvulla tieteelliseksi asiaksi, kun ensimmäiset todisteisiin perustuvat kokeet tehtiin. Esimerkiksi 1800-luvun alkupuolella englantilainen tutkija John Dalton käytti atomin käsitettä selittääkseen miksi kemialliset elementit reagoivat tietyillä havaittavissa olevilla ja ennustettavilla tavoilla.
Dalton aloitti kysymyksestä, miksi elementit reagoivat pienten kokonaislukuosuuksien suhteen, ja päätteli, että nämä reaktiot tapahtuivat erillisten yksiköiden kokonaismäärien kerrannaisina eli toisin sanoen atomien kanssa. Kaasuihin liittyvien kokeilujen avulla Dalton kehitti edelleen niin kutsuttua Daltonin atomiteoriaa, joka on edelleen modernin fysiikan ja kemian kulmakivi.
Teoria lasketaan viiteen oletukseen: Elementit koostuvat puhtaimmassa tilassa hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi; tietyn alkuaineen atomit ovat kaikki samoja aina viimeiseen atomiin asti; Eri elementtien atomit voidaan erottaa toisistaan niiden atomipainojen perusteella; alkuaineiden atomit yhdistyvät kemiallisten yhdisteiden muodostamiseksi; atomeja ei voida luoda tai tuhota kemiallisessa reaktiossa, vain ryhmittely muuttuu koskaan.
1800-luvun lopulla tutkijat alkoivat teorioida, että atomi koostui useammasta kuin yhdestä perusyksiköstä. Useimmat tutkijat uskoivat kuitenkin, että tämä yksikkö olisi pienimmän tunnetun atomin - vedyn - kokoinen. Ja sitten vuonna 1897 katodisäteitä käyttävien kokeiden sarjan kautta fyysikko J.J. Thompson ilmoitti löytäneensä yksikön, joka oli 1000 kertaa pienempi ja 1800 kertaa kevyempi kuin vetyatomi.
Hänen kokeilunsa osoittivat myös, että ne olivat identtisiä hiukkasten kanssa, jotka fotoelektrinen vaikutus ja radioaktiiviset materiaalit vapauttivat. Myöhemmät kokeet paljastivat, että tämä hiukkanen kuljetti sähkövirtaa metallilankojen läpi ja negatiivisia sähkövarauksia atomien sisällä. Siksi partikkeli - joka alun perin oli nimeltään “corpuscle” - muutettiin myöhemmin “elektroniksi”, kun hiukkas George Georgestone Stoney ennustaa vuonna 1874.
Thomson kuitenkin myös postuloi, että elektronit jakautuivat koko atomiin, joka oli tasainen positiivisen varauksen meri. Tätä kutsuttiin nimellä "luumu vanukas malli", joka myöhemmin osoittautui väärin. Tämä tapahtui vuonna 1909, kun fyysikot Hans Gieger ja Ernest Marsden (Ernest Rutherfodin johdolla) tekivät kokeilunsa metallifoliolla ja alfahiukkasilla.
Yhdessä Daltonin atomimallin kanssa he uskoivat, että alfahiukkaset kulkevat suoraan folion läpi pienellä taipumalla. Monet hiukkasista taipuivat kuitenkin yli 90 ° kulmiin. Tämän selittämiseksi Rutherford ehdotti, että atomin positiivinen varaus keskittyisi pieneen ytimeen keskellä.
Fyysikko Niels Bohr ehdotti vuonna 1913 mallia, jossa elektronit kiertivät ytimen, mutta pystyivät tekemään sen vain rajallisessa kiertoradalla. Hän ehdotti myös, että elektronit voisivat hypätä kiertoratojen välillä, mutta vain erillisissä energian muutoksissa, jotka vastaavat fotonin absorptiota tai säteilyä. Tämä ei pelkästään hienostanut Rutherfordin ehdottamaa mallia, vaan myös johti kvantisoidun atomin käsitteeseen, jossa aine käyttäytyi hienovaraisissa paketeissa.
Massaspektrometrin, joka käyttää magneettia ionisuihkun suuntauksen taivuttamiseen, kehittäminen mahdollisti atomien massan mittaamisen tarkemmin. Kemisti Francis William Aston käytti tätä instrumenttia osoittaakseen, että isotoopeilla oli erilaisia massoja. Tätä puolestaan seurasi fyysikko James Chadwick, joka ehdotti vuonna 1932 neutronia tapana selittää isotooppien olemassaolo.
1900-luvun alkupuolella atomien kvanttiluonnetta kehitettiin edelleen. Vuonna 1922 saksalaiset fyysikot Otto Stern ja Walther Gerlach suorittivat kokeilun, jossa hopeaatomien säde johdettiin magneettikentän läpi, jonka tarkoituksena oli jakaa palkki atomien kulmavirran (tai spinin) suunnan välillä.
Stern-Gerlach-kokeiluna tunnetaan, että säde jaettiin kahteen osaan riippuen siitä, suuntautuivatko atomien spin ylös vai alas. Fyysikko Erwin Schrodinger käytti vuonna 1926 ajatusta hiukkasista, jotka käyttäytyvät kuin aallot, kehittääkseen matemaattisen mallin, joka kuvaa elektroneja kolmiulotteisiksi aaltomuodoiksi eikä pelkiksi hiukkasiksi.
Seuraus aaltomuotojen käyttämisestä hiukkasten kuvaamiseen on, että matemaattisesti on mahdotonta saada tarkkoja arvoja partikkelin sijainnille ja momentille milloin tahansa. Samana vuonna Werner Heisenberg muotoili tämän ongelman ja kutsui sitä ”epävarmuusperiaatteeksi”. Heisenbergin mukaan tietylle tarkalle sijainnin mittaamiselle voidaan saada vain vaihteluvälin todennäköisiä arvoja ja päinvastoin.
Fyysikot löysivät 1930-luvulla ydinfission Otto Hahnin, Lise Meitnerin ja Otto Frischin kokeiden ansiosta. Hahnin kokeiluihin liittyi neutronien suuntaaminen uraaniatomiin toiveena luoda transuranium-elementti. Sen sijaan prosessi muutti hänen näytteensä uraani-92: sta (Ur92) kahteen uuteen alkuaineeseen - bariumiin (B56) ja kryptoni (Kr27).
Meitner ja Frisch vahvistivat kokeen ja määrittivät sen uraaniatomien jakautumiseen muodostaen kaksi elementtiä, joilla oli sama kokonaisatomipaino, prosessi, joka myös vapautti huomattavan määrän energiaa hajottamalla atomisidokset. Seuraavina vuosina aloitettiin tämän prosessin mahdollisen aseistamisen (ts. Ydinaseiden) tutkiminen, ja se johti ensimmäisten atomipommien rakentamiseen Yhdysvalloissa vuoteen 1945 mennessä.
1950-luvulla parannettujen hiukkaskiihdyttimien ja hiukkasdetektorien kehittäminen antoi tutkijoille mahdollisuuden tutkia suurilla energialähteillä liikkuvien atomien vaikutuksia. Tästä kehitettiin hiukkasfysiikan standardimalli, joka on toistaiseksi onnistuneesti selittänyt ytimen ominaisuudet, teorioitujen subatomisten hiukkasten olemassaolon ja niiden vuorovaikutusta hallitsevat voimat.
Nykyaikaiset kokeilut:
1900-luvun jälkipuolelta lähtien on tehty monia uusia ja mielenkiintoisia löytöjä atomiteorian ja kvantimekaniikan suhteen. Esimerkiksi vuonna 2012 Higgs Bosonin pitkä etsintä johti läpimurtoon, jossa Sveitsin Euroopan ydintutkimusjärjestössä (CERN) työskentelevät tutkijat ilmoittivat löytöstään.
Viime vuosikymmeninä fyysikot ovat käyttäneet paljon aikaa ja energiaa yhtenäisen kenttäteorian (aka. Grand Unifying Theory tai Theory of Everything) kehittämiseen. Pohjimmiltaan siitä lähtien, kun standardimallia esitettiin ensimmäistä kertaa, tutkijat ovat pyrkineet ymmärtämään kuinka maailmankaikkeuden neljä perusvoimaa (painovoima, vahvat ja heikot ydinvoimat ja sähkömagneetismi) toimivat yhdessä.
Kun painovoima voidaan ymmärtää käyttämällä Einsteinin suhteellisuusteorioita, ja ydinvoimat ja sähkömagneettisuus voidaan ymmärtää kvanttiteorian avulla, kumpikaan teoria ei voi ottaa huomioon kaikkia neljää yhdessä työskentelevää voimaa. Yritykset ratkaista tämä ovat johtaneet vuosien varrella useisiin ehdotettuihin teorioihin, jotka vaihtelevat jousteteoriasta silmukkantanssipainoon. Toistaiseksi mikään näistä teorioista ei ole johtanut läpimurtoon.
Ymmärryksemme atomista on edennyt pitkälle, klassisista malleista, jotka näkivät sen inerttinä kiinteänä aineena, joka oli vuorovaikutuksessa muiden atomien kanssa mekaanisesti, moderneihin teorioihin, joissa atomit koostuvat energeettisistä hiukkasista, jotka käyttäytyvät arvaamattomasti. Vaikka on kulunut useita tuhansia vuosia, tietomme kaiken aineen perusrakenteesta on edennyt huomattavasti.
Ja vielä, monia mysteerejä, jotka ovat vielä ratkaisematta. Ajan myötä ja jatkuvien ponnistelujen avulla voimme lopulta avata atomin viimeiset jäljellä olevat salaisuudet. Toisaalta, voi todellakin olla niin, että tekemämme uudet löydökset herättävät vain lisää kysymyksiä - ja ne voivat olla vielä hämmentävämpiä kuin ennenkin!
Olemme kirjoittaneet useita artikkeleita Space-lehden atomista. Tässä on artikkeli John Daltonin atomimallista, Neils Bohrin atomimallista, Who Was Democritus? Ja kuinka monta atomia on maailmankaikkeudessa?
Jos haluat lisätietoja atomista, tutustu NASA: n artikkeliin pienten näytteiden analysoinnista. Tässä on linkki NASAn artiklaan atomien, elementtien ja isotooppien suhteen.
Olemme myös nauhoittaneet koko jakson tähtitiede-näyttelijöistä, jotka koskevat Atomia. Kuuntele tästä, Jakso 164: Atomin sisällä, Jakso 263: Radioaktiivinen hajoaminen ja Jakso 394: Vakiomalli, Bosonit.
