Како знамо да се све састоји од атома?

Планине, звезде, људи - све што видимо се састоји од ситних атома. Атоми су мали. Веома, веома. Од детињства знамо да се сва материја састоји од гроздова ових ситних ствари. Такође знамо да се не могу видети голим оком. Ми смо приморани да слепо верујемо у те изјаве, а да не можемо да их верификујемо. Атоми међусобно комуницирају и чине наш свијет циглом. Како то знамо? Многи не воле да прихвате тврдње научника по номиналној вредности. Хајдемо заједно са науком од разумевања атома до директног доказа њиховог постојања..

Може се чинити да постоји једноставан начин да се докаже постојање атома: ставите их под микроскоп. Али овај приступ неће функционисати. Чак и најснажнији микроскопи који фокусирају светлост не могу визуелизовати један атом. Објект постаје видљив јер рефлектује свјетлосне валове. Атоми су толико мањи од таласне дужине видљиве светлости да уопште нису у интеракцији. Другим речима, атоми су невидљиви чак и светлости. Међутим, атоми и даље имају видљиве ефекте на одређене ствари које можемо видјети..

Стотине година раније, 1785. године, холандски научник Јан Ингенхауз проучавао је необичан феномен који није могао да разуме. Најмање честице угљене прашине њушкале су око површине алкохола у његовој лабораторији..

50 година касније, 1827. године, шкотски ботаничар Роберт Браун описао је нешто изненађујуће слично. Проучавајући грануле полена под микроскопом, Бровн је открио да неке грануле емитују ситне честице - које су затим уклоњене са полена у повременим плесовима нерва..

У почетку, Бровне је мислио да су честице нека врста непознатог организма. Он је поновио експеримент са другим супстанцама, као што је камена прашина, која је била очигледно неживе, и поново је видео чудно кретање..

Требало је скоро сто година да наука пронађе објашњење. Ајнштајн је дошао и развио математичку формулу која је предвидела веома посебан тип кретања - тада назван Бровновски покрет, у част Роберта Брауна. Ајнштајнова теорија је тврдила да се честице гранулата полена стално крећу, јер су милиони ситних молекула воде - молекули који се састоје од атома - срушили у њих..

"Он је објаснио да је овај нервни покрет који приметите заправо узрокован утицајем појединих молекула воде на честице прашине или оно што имате тамо", објашњава Харри Цлифф са Универзитета у Кембриџу, такође кустос Музеја науке у Лондону..

До 1908. године, опсервације подржане прорачунима показале су да су атоми стварни. За десет година физичари су значајно напредовали. Растежући појединачне атоме, почели су да разумију своју унутрашњу структуру..

Изненађење је да се атоми могу поделити - нарочито у светлу чињенице да је само име "атом" изашло из грчког "атома", што значи "недељиво". Али физичари сада знају да су атоми далеко од основних цигли. Састоје се од три главна дела: протона, неутрона и електрона. Замислите да протони и неутрони заједно формирају "сунце", или језгро, у центру система. Електрони су у орбити овог језгра, као планете.

Ако су атоми незамисливо мали, онда су ове субатомске честице потпуно. Смешно, али прво је открио најмању честицу три - електрон. Да бисмо разумели разлику у величини, имајте на уму да су протони у језгру 1.830 пута већи од електрона. Замислите цхупа цхупс у орбити балона - несклад ће бити нешто слично.

Али како да знамо да су те честице ту? Одговор је да су мали, али имају велики утицај. Британски физичар Тхомсон, који је открио електроне, користио је одличан начин да докаже своје постојање 1897. године.

Имао је Цроокесову цев - комад стакла смешног облика, из којег је готово сав зрак исисао строј. Негативни електрични набој је примијењен на један крај цијеви. Овај набој је био довољан да избаци неке електроне из молекула гаса који је остао у цеви. Електрони су негативно набијени, па су полетјели на други крај цијеви. Због делимичног вакуума, електрони су летели кроз цев, не наилазећи на велике атоме на свом путу..

Електрични набој је довео до чињенице да су се електрони кретали врло брзо - око 59.500 километара у секунди - све док нису ударили у стакло на другом крају, избивши још више електрона који су били скривени у његовим атомима. Изненађујуће, колизија тих деликатних делова који су одузели дах произвели су толико енергије да је створио фантастичан зелени и жути сјај..

"То је у одређеном смислу био један од првих акцелератора честица", каже Цлифф. "Он убрзава електроне на једном крају цеви до другог, и они ударају у екран на другом крају, стварајући фосфоресцентни сјај.".

Откако је Тхомсон открио да може да контролише електронске зраке са магнетима и електричним пољима, знао је да то нису само чудне зраке светлости - то су набијене честице..

А ако вас занима како ови електрони могу летјети независно од својих атома, то је због процеса ионизације, у којем - у овом случају - електрични набој мијења структуру атома, избацујући електроне у простор у близини..

Посебно, због чињенице да су електрони тако лако манипулирати и кретати се, електрични кругови су постали могући. Електрони у бакарној жици се крећу попут влака из једног бакарног атома у други - тако да се жица преноси кроз жицу. Атоми, као што смо рекли, нису чврсти делови материје, већ системи који се могу модификовати или разложити на структурне елементе..

Откриће електрона показало је да морате научити више о атомима. Тхомсонов рад је показао да су електрони негативно набијени - али је знао да сами атоми немају заједничко наелектрисање. Он је сугерисао да они морају да садрже мистериозне позитивно набијене честице да компензирају негативно набијене електроне..

Експерименти с почетка 20. века открили су ове позитивно наелектрисане честице и истовремено открили унутрашњу структуру атома - слично Сунчевом систему..

Ернест Рутхерфорд и његове колеге узели су веома танку металну фолију и ставили је под сноп позитивно наелектрисане радијације - струје ситних честица. Већина моћног зрачења пролазила је, како је Рутерфорд вјеровао, с обзиром на дебљину фолије. Али, на изненађење научника, део је одскочио.

Рутхерфорд је сугерисао да атоми у металној фолији треба да садрже мале густе регионе са позитивним набојем - ништа друго не би имало потенцијал да рефлектује тако снажно зрачење. Открио је позитивне набоје у атому - и истовремено доказали да су сви повезани у густу масу, за разлику од електрона. Другим речима, он је демонстрирао постојање густог језгра у атому.

Постојао је проблем. До тада су већ могли израчунати масу атома. Али, с обзиром на податке о томе колико су тешке честице језгра биле, идеја да су сви били позитивно наелектрисани није имала смисла..

"Угљеник има шест електрона и шест протона у нуклеусу - шест позитивних набоја и шест негативних набоја, - објашњава Цлифф. - Али нуклеар угљеника не тежи шест протона, тежи еквивалент од 12 протона".

У почетку се претпостављало да постоји шест других нуклеарних честица са масом протона, али негативно набијених: неутрони. Али нико то није могао доказати. Заправо, неутрони се нису могли наћи до 1930-их.

Кембриџ физичар Јамес Цхадвицк очајнички је покушао отворити неутрон. Радио је на овој теорији много година. Године 1932. успео је да направи пробој..

Неколико година раније, други физичари су експериментисали са зрачењем. Покренули су позитивно наелектрисано зрачење - ону врсту коју је Рутерфорд користио за тражење нуклеуса - у атоме берилијума. Берилијум је емитовао сопствено зрачење: зрачење које није било позитивно или негативно наелектрисано и могло би да продре дубоко у материјал..

До тог времена, други су схватили да је гама зрачење неутрално и продрло дубоко, тако да физичари вјерују да га емитују атоми берилијума. Али Чадвик није мислио тако.

Он је самостално произвео ново зрачење и усмјерио га према супстанци за коју је знао да је богат протонима. Изненада се испоставило да су протони избачени из материјала као да су честице са истом масом - попут кугли за билијар са другим лоптама..

Гама зрачење не може рефлектовати протоне на овај начин, па је Чадвик одлучио да честице о којима је реч морају имати масу протона, али различит електрични набој: а то су неутрони.

Пронађене су све главне честице атома, али прича се не завршава..

Иако смо сазнали много више о атомима него што смо раније знали, било их је тешко визуализовати. Тридесетих година двадесетог века нико није снимао њихове слике - и многи људи су хтели да их виде да би прихватили њихово постојање..

Важно је, међутим, напоменути да су методе које су користили научници као што су Тхомсон, Рутхерфорд и Цхадвицк утирале пут за нову опрему, што нам је на крају помогло да направимо те слике. Електронски снопови које је Тхомсон генерисао у свом експерименту са Цроокесовом цевчицом показао се посебно корисним..

Данас, такве греде генеришу електронски микроскопи, а најмоћнији од таквих микроскопа могу заправо снимати појединачне атоме. То је зато што електронски сноп има таласну дужину хиљаде пута краћу од снопа светлости - тако кратак, у ствари, да се електронски таласи одбијају од ситних атома и производе слику која светлосне зраке не могу.

Неил Скиппер са универзитетског колеџа у Лондону каже да су такве слике корисне за људе који желе да проучавају атомску структуру специјалних супстанци - попут оних које се користе у производњи батерија за електрична возила. Што више знамо о њиховој атомској структури, боље можемо дизајнирати батерије, учинити их ефикасним и поузданим..

Такође можете да разумете како атоми изгледају само тако што ћете их гурати. Заправо, ради се о микроскопији атомске силе.

Идеја је да се врх екстремно мале сонде доведе на површину молекула или супстанце. Са довољном близином, сонда ће бити осетљива на хемијску структуру онога што указује, а промена отпора док се сонда помера ће омогућити научницима да сликају, на пример, једну молекулу..

Недавно су научници објавили прелепе слике молекула пре и после хемијске реакције користећи овај метод..

Капетан додаје да многи научници из атомске науке истражују како се структура ствари мења када је изложена високом притиску или температури. Већина људи зна да када се супстанца загрева, она се често шири. Сада можете да откријете атомске промене које се дешавају док то радите, што је често од помоћи..

"Када се течност загреје, можете приметити како њени атоми заузимају неуређену конфигурацију," каже Скиппер. "То можете видети директно са структурне мапе.".

Скипер и други физичари такође могу да раде са атомима користећи неутронске зраке, које је Цхадвицк први пут открио 1930-их.

"Водимо много неутронских зрака у узорке материјала, а из растућег узорка расипања можете схватити да расипате неутроне у језграма", каже он..

Али атоми нису увек ту, у стабилном стању, чекајући да се проуче. Понекад пропадну - то јест, они су радиоактивни..

Постоји много природних радиоактивних елемената. Овај процес генерише енергију која је чинила основу нуклеарне енергије - и нуклеарне бомбе. Нуклеарни физичари, по правилу, покушавају боље разумјети реакције у којима језгро пролази кроз темељне промјене попут ових.

Лаура Харкнесс-Бреннан са Универзитета у Ливерпулу специјализирала се за проучавање гама зрачења - тип зрачења емитованог распадањем атома. Одређени тип радиоактивног атома емитује посебан облик гама зрака. То значи да можете идентифицирати атоме само тако што ћете регистрирати енергију гама зрака - то је заправо Харкнесс-Бреннан који он ради у својој лабораторији..

"Типови детектора које треба да користите представљају детектори који вам омогућавају да измерите и присуство зрачења и енергију зрачења која је одложена", каже она. "Све зато што све језгре имају посебан отисак.".

Пошто сви типови атома могу бити присутни у подручју где је детектовано зрачење, нарочито након велике нуклеарне реакције, важно је тачно знати који су радиоактивни изотопи присутни. Такво откривање се обично врши на нуклеарним станицама или у подручјима у којима је дошло до нуклеарне катастрофе..

Харкнесс-Бреннан и њене колеге сада раде на детекционим системима који се могу смјестити на мјестима како би се приказали у три димензије гдје зрачење може бити присутно у одређеној просторији. "Потребна вам је опрема и алати који ће вам омогућити да направите тродимензионалну мапу простора и кажете где је зрачење у овој просторији, у овој цеви", каже она..

Такођер можете визуализирати зрачење у "Вилсон комори". У овом специјалном експерименту, алкохолна пара хлађена до -40 степени Целзијуса прска се преко облака преко радиоактивног извора. Напуњене честице зрачења, које лете из извора зрачења, избацују електроне из молекула алкохола. Алкохол се кондензује у течност близу пута емитованих честица. Резултати ове врсте детекције су импресивни..

Мало смо радили директно са атомима - уколико нисмо схватили да су то дивне комплексне структуре које могу проћи кроз чудесне промене, од којих се многе јављају у природи. Проучавајући атоме на овај начин, побољшавамо властите технологије, извлачимо енергију из нуклеарних реакција и боље разумијемо природни свијет око нас. Такође смо имали прилику да се заштитимо од зрачења и да проучимо како се супстанце мењају у екстремним условима..

"Имајући у виду колико је атом мали, невероватно је колико физике можемо из њега извући", с правом примјећује Харкнесс-Бреннан. Све што видимо око нас састоји се од ових најмањих честица. И добро је знати да су они тамо, јер је захваљујући њима све могуће око..