Od počátku věků se lidské bytosti snažily pochopit, z čeho se skládá vesmír a vše v něm. A zatímco starověcí mágové a filozofové chápali svět složený ze čtyř nebo pěti prvků – země, vzduchu, vody, ohně (a kovu nebo vědomí) – klasickým starověkem, filozofové začali teoretizovat, že veškerá hmota se ve skutečnosti skládá z nepatrných, neviditelné a nedělitelné atomy.
Od té doby se vědci zapojili do procesu neustálého objevování atomu v naději, že objeví jeho pravou povahu a složení. Ve 20. století se naše chápání zjemnilo do té míry, že jsme byli schopni sestavit jeho přesný model. A během poslední dekády naše chápání pokročilo ještě dále, až do té míry, že jsme potvrdili existenci téměř všech jeho teoretických částí.
Dnes se atomový výzkum zaměřuje na studium struktury a funkce hmoty na subatomární úrovni. To nespočívá pouze v identifikaci všech subatomárních částic, o kterých se předpokládá, že tvoří atom, ale také ve zkoumání sil, které je ovládají. Patří mezi ně silné jaderné síly, slabé jaderné síly, elektromagnetismus a gravitace. Zde je rozpis všeho, co jsme se dosud o atomu dozvěděli…
Struktura atomu:
Náš současný model atomu lze rozložit na tři základní části – protony, neutrony a elektrony. Každá z těchto částí má přidružený náboj, přičemž protony nesou kladný náboj, elektrony mají záporný náboj a neutrony nemají žádný čistý náboj. V souladu s Standardní model částicové fyziky , protony a neutrony tvoří jádro atomu, zatímco elektrony kolem něj obíhají v „oblaku“.
Neils Bohr modeluje atom dusíku. Kredit: britannica.com
Elektrony v atomu jsou přitahovány k protonu v jádře elektromagnetickou silou. Elektrony mohou uniknout ze své oběžné dráhy, ale pouze v reakci na vnější zdroj energie, který je aplikován. Čím blíže orbitě elektronu k jádru, tím větší je přitažlivá síla; proto, čím silnější je vnější síla potřebná k tomu, aby způsobila únik elektronu.
Elektrony obíhají kolem jádra po více drahách, z nichž každá odpovídá určité energetické hladině elektronu. Elektron může změnit svůj stav na vyšší energetickou hladinu tím, že pohltí foton s dostatečnou energií, aby jej posílil do nového kvantového stavu. Stejně tak elektron ve vyšším energetickém stavu může klesnout do nižšího energetického stavu, přičemž přebytečnou energii vyzařuje jako foton.
Atomy jsou elektricky neutrální, pokud mají stejný počet protonů a elektronů. Atomy, které mají buď nedostatek nebo přebytek elektronů, se nazývají ionty. Elektrony, které jsou nejdále od jádra, mohou být přeneseny do jiných blízkých atomů nebo sdíleny mezi atomy. Tímto mechanismem jsou atomy schopny se vázat do molekul a jiných typů chemických sloučenin.
Všechny tři tyto subatomární částice jsou fermiony, třída částic spojených s hmotou, která je buď elementární (elektrony) nebo složená (protony a neutrony) v přírodě. To znamená, že elektrony nemají žádnou známou vnitřní strukturu, zatímco protony a neutrony jsou tvořeny jinými subatomárními částicemi. nazývané kvarky. V atomech jsou dva typy kvarků, které mají zlomkový elektrický náboj.
Standardní model elementárních částic. Kredit: PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
Protony se skládají ze dvou „up“ kvarků (každý s nábojem +2/3) a jednoho „down“ kvarku (-1/3), zatímco neutrony se skládají z jednoho up kvarku a dvou down kvarků. Tento rozdíl odpovídá za rozdíl v náboji mezi dvěma částicemi, který vede k náboji +1 a 0, zatímco elektrony mají náboj -1.
Mezi další subatomární částice patří leptony, které se spojují s fermiony a vytvářejí stavební kameny hmoty. V současném atomovém modelu je šest leptonů: elektronové, mionové a tau částice as nimi spojená neutrina. Různé druhy leptonových částic, běžně nazývané „příchutě“, se liší velikostí a nábojem, což ovlivňuje úroveň jejich elektromagnetických interakcí.
Pak jsou tu Gauge bosony, které jsou známé jako „nosiče síly“, protože zprostředkovávají fyzické síly. Například gluony jsou zodpovědné za silnou jadernou sílu, která drží kvarky pohromadě, zatímco bosony W a Z (stále hypotetické) jsou považovány za zodpovědné za slabou jadernou sílu za elektromagnetismem. Fotony jsou elementární částice, které tvoří světlo, zatímco Higgsův boson je zodpovědný za udělování hmotnosti bosonům W a Z.
Atomová hmotnost:
Většina hmotnosti atomu pochází z protonů a neutronů, které tvoří jeho jádro. Elektrony jsou nejméně hmotné částice, které tvoří atom, s hmotností 9,11 x 10-31kg a velikost je příliš malá na to, aby byla změřena současnými technikami. Protony mají hmotnost, která je 1 836krát větší než hmotnost elektronu, při 1,6726 × 10-27kg, zatímco neutrony jsou nejhmotnější ze tří, 1,6929 × 10-27kg (1 839násobek hmotnosti elektronu).
Hmotnosti všech 6 příchutí kvarků, s protonem a elektronem (červená tečka) zobrazenými vlevo dole pro měřítko. Kredit: Wikipedia/Incnis Mrsi
Celkový počet protonů a neutronů v atomovém jádru (nazývané „nukleony“) se nazývá hmotnostní číslo. Například prvek Carbon-12 je tak pojmenován, protože má hmotnostní číslo 12 – odvozené od jeho 12 nukleonů (šest protonů a šest neutronů). Prvky jsou však také uspořádány na základě jejich atomových čísel, což je stejné jako počet protonů nalezených v jádře. V tomto případě má uhlík atomové číslo 6.
Skutečná hmotnost atomu v klidu je velmi obtížné změřit, protože i ty nejhmotnější atomy jsou příliš lehké na to, aby je bylo možné vyjádřit v konvenčních jednotkách. Vědci jako takovou často používají jednotnou jednotku atomové hmotnosti (u) – nazývanou také dalton (Da) – která je definována jako dvanáctina hmotnosti volného neutrálního atomu uhlíku-12, což je přibližně 1,66×10.-27kg.
Chemici také používají moly, jednotku definovanou jako jeden mol jakéhokoli prvku, který má vždy stejný počet atomů (asi 6,022×1023). Toto číslo bylo zvoleno tak, že pokud má prvek atomovou hmotnost 1 u, mol atomů tohoto prvku má hmotnost blízkou jednomu gramu. Kvůli definici jednotné atomové hmotnostní jednotky má každý atom uhlíku 12 atomovou hmotnost přesně 12 u, takže mol atomů uhlíku 12 váží přesně 0,012 kg.
Radioaktivní rozpad:
Jakékoli dva atomy, které mají stejný počet protonů, patří ke stejnému chemickému prvku. Ale atomy se stejným počtem protonů mohou mít různý počet neutronů, které jsou definovány jako různé izotopy stejného prvku. Tyto izotopy jsou často nestabilní a o všech izotopech s atomovým číslem větším než 82 je známo, že jsou radioaktivní.
Diagram rozpadu alfa a beta ve dvou izotopech uranu. Kredit: energy-without-carbon.org
Při rozpadu prvku ztrácí jeho jádro energii vyzařováním záření – které se může skládat z částic alfa (atomy helia), beta částic (pozitrony), gama záření (vysokofrekvenční elektromagnetická energie) a konverzních elektronů. Rychlost, s jakou se nestabilní prvek rozpadá, je známá jako jeho „poločas rozpadu“, což je doba potřebná k tomu, aby prvek klesl na polovinu své původní hodnoty.
Stabilita izotopu je ovlivněna poměrem protonů k neutronům. Z 339 různých typů prvků, které se přirozeně vyskytují na Zemi, bylo 254 (asi 75 %) označeno jako „stabilní izotopy“ – tedy nepodléhající rozkladu. Dalších 34 radioaktivních prvků má poločas rozpadu delší než 80 milionů let a také existují již od rané sluneční soustavy (proto se jim říká „praprvky“).
Konečně je známo, že dalších 51 prvků s krátkou životností se přirozeně vyskytuje jako „dceřiné prvky“ (tj. jaderné vedlejší produkty) rozpadu jiných prvků (jako je radium z uranu). Kromě toho mohou být radioaktivní prvky s krátkou životností výsledkem přirozených energetických procesů na Zemi, jako je bombardování kosmickým zářením (například uhlíkem-14, který se vyskytuje v naší atmosféře).
Historie studia:
Nejstarší známé příklady atomové teorie pocházejí ze starověkého Řecka a Indie, kde filozofové jako Democritus předpokládali, že veškerá hmota se skládá z malých, nedělitelných a nezničitelných jednotek. Termín „atom“ byl vytvořen ve starověkém Řecku a dal vzniknout myšlenkovému směru známému jako „atomismus“. Tato teorie však byla spíše filozofickým než vědeckým konceptem.
Různé atomy a molekuly, jak jsou popsány v John Dalton's A New System of Chemical Philosophy (1808). Kredit: Public Domain
Teprve v 19. století se teorie atomů stala vědeckou záležitostí a byly prováděny první experimenty založené na důkazech. Například na počátku 19. století anglický vědec John Dalton použil koncept atomu, aby vysvětlil, proč chemické prvky reagují určitými pozorovatelnými a předvídatelnými způsoby.
Dalton začal otázkou, proč prvky reagují v poměrech malých celých čísel, a dospěl k závěru, že k těmto reakcím dochází v celočíselných násobcích diskrétních jednotek – jinými slovy atomů. Prostřednictvím série experimentů zahrnujících plyny, Dalton pokračoval ve vývoji toho, co je známé jako Daltonova atomová teorie , který zůstává jedním ze základních kamenů moderní fyziky a chemie.
Teorie vychází z pěti předpokladů: prvky se ve svém nejčistším stavu skládají z částic zvaných atomy; atomy konkrétního prvku jsou všechny stejné, až do posledního atomu; atomy různých prvků lze rozlišit podle jejich atomových hmotností; atomy prvků se spojují za vzniku chemických sloučenin; atomy nemohou být vytvořeny ani zničeny v chemické reakci, pouze seskupení se neustále mění.
Koncem 19. století začali vědci teoretizovat, že atom se skládá z více než jedné základní jednotky. Většina vědců se však odvážila, že tato jednotka bude mít velikost nejmenšího známého atomu – vodíku. A pak v roce 1897 prostřednictvím série experimentů využívajících katodové paprsky fyzik J.J. Thompson oznámil, že objevil jednotku, která byla 1000krát menší a 1800krát lehčí než atom vodíku.
Model Plum Pudding atomu navržený Johnem Daltonem. Kredit: britannica.com
Jeho experimenty také ukázaly, že jsou totožné s částicemi vydávanými fotoelektrickým jevem a radioaktivními materiály. Následné experimenty odhalily, že tato částice nesla elektrický proud kovovými dráty a záporné elektrické náboje uvnitř atomů. Proto byla částice – která se původně jmenovala „korpuskule“ – později změněna na „elektron“, po částici, kterou George Johnstone Stoney’s předpověděl v roce 1874.
Thomson však také předpokládal, že elektrony byly distribuovány v celém atomu, což bylo jednotné moře kladného náboje. Toto se stalo známým jako „model švestkového pudinku“, což se později ukázalo jako špatné. Stalo se tak v roce 1909, kdy fyzici Hans Gieger a Ernest Marsden (pod vedením Ernesta Rutherfoda) provedli svůj experiment s použitím kovové fólie a alfa částic.
V souladu s Daltonovým atomovým modelem věřili, že částice alfa projdou fólií přímo s malým vychýlením. Mnoho částic však bylo vychýleno pod úhlem větším než 90°. Aby to vysvětlil, Rutherford navrhl, že kladný náboj atomu je soustředěn v malém jádře ve středu.
V roce 1913 fyzik Niels Bohr navrhl model, kde elektrony obíhají kolem jádra, ale mohly tak činit pouze v konečné sadě drah. Navrhl také, že elektrony mohou přeskakovat mezi oběžnými drahami, ale pouze v diskrétních změnách energie odpovídajících absorpci nebo záření fotonu. To nejen zdokonalilo Rutherfordův navrhovaný model, ale také dalo vzniknout konceptu kvantovaného atomu, kde se hmota chovala v diskrétních paketech.
Experiment se zlatou fólií, který provedli Geiger, Marsden a Rutherford. Kredit: glogster.com
Vývoj hmotnostního spektrometru – který využívá magnet k ohýbání trajektorie paprsku iontů – umožnil měření hmotnosti atomů se zvýšenou přesností. Chemik Francis William Aston použil tento přístroj, aby ukázal, že izotopy mají různé hmotnosti. Na to zase navázal fyzik James Chadwick, který v roce 1932 navrhl neutron jako způsob vysvětlení existence izotopů.
Během počátku 20. století se kvantová povaha atomů dále rozvíjela. V roce 1922 provedli němečtí fyzici Otto Stern a Walther Gerlach experiment, při kterém byl paprsek atomů stříbra nasměrován magnetickým polem, které mělo rozdělit paprsek podle směru úhlové hybnosti (neboli rotace) atomů.
Známý jako Stern – Gerlachův experiment Výsledkem bylo, že paprsek se rozdělil na dvě části v závislosti na tom, zda rotace atomů byla nebo nebyla orientována nahoru nebo dolů. Fyzik Erwin Schrodinger v roce 1926 použil myšlenku částic, které se chovají jako vlny, k vyvinutí matematického modelu, který popisoval elektrony jako trojrozměrné průběhy spíše než pouhé částice.
Důsledkem použití tvarů vln k popisu částic je, že je matematicky nemožné získat přesné hodnoty pro polohu i hybnost částice v jakémkoli daném čase. Téhož roku Werner Heisenberg formuloval tento problém a nazval jej „princip nejistoty“. Podle Heisenberga lze pro dané přesné měření polohy získat pouze rozsah pravděpodobných hodnot hybnosti a naopak.
Jaderné štěpení, kde je atom uranu 92 štěpen volným neutronem za vzniku barya a kryptonu. Kredit:physics.stackexchange.com
Ve 30. letech 20. století objevili fyzici štěpení jádra díky experimentům Otto Hahna, Lise Meitnerové a Otto Frische. Hahnovy experimenty zahrnovaly nasměrování neutronů na atomy uranu v naději na vytvoření transuranového prvku. Místo toho proces obrátil jeho vzorek uranu-92 (Ur92) na dva nové prvky – baryum (B56) a krypton (Kr27).
Meitner a Frisch experiment ověřili a připsali to štěpení atomů uranu na dva prvky se stejnou celkovou atomovou hmotností, což je proces, který také uvolnil značné množství energie přerušením atomových vazeb. V následujících letech začal výzkum možného zbrojení tohoto procesu (tj. jaderných zbraní) a vedl ke konstrukci prvních atomových bomb v USA do roku 1945.
V 50. letech 20. století vývoj vylepšených částicových urychlovačů a detektorů částic umožnil vědcům studovat dopady atomů pohybujících se při vysokých energiích. Z toho byl vyvinut Standardní model částicové fyziky, který dosud úspěšně vysvětlil vlastnosti jádra, existenci teoretizovaných subatomárních částic a síly, které řídí jejich interakce.
Moderní experimenty:
Od druhé poloviny 20. století došlo k mnoha novým a vzrušujícím objevům s ohledem na atomovou teorii a kvantovou mechaniku. Například v roce 2012 dlouhé hledání Higgsův boson vedl k průlomu, kdy výzkumníci pracující na Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) ve Švýcarsku oznámila svůj objev.
Velký hadronový urychlovač (LHC) v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN). Kredit: home.cern
V posledních desetiletích věnovali fyzici mnoho času a energie vývoji jednotné teorie pole (aka. Grand Unifying Theory nebo Teorie všeho ). V podstatě od prvního navržení Standardního modelu se vědci snažili pochopit, jak čtyři základní síly vesmíru (gravitace, silné a slabé jaderné síly a elektromagnetismus) spolupracují.
Zatímco gravitaci lze pochopit pomocí Einsteinovy teorie relativity a jaderné síly a elektromagnetismus lze pochopit pomocí kvantová teorie ani jedna teorie nemůže vysvětlit, že všechny čtyři síly spolupracují. Pokusy vyřešit toto vedly v průběhu let k řadě navrhovaných teorií, od Teorie strun na Smyčka kvantové gravitace . Dodnes žádná z těchto teorií nevedla k průlomu.
Naše chápání atomu ušlo dlouhou cestu, od klasických modelů, které jej považovaly za inertní pevnou látku, která mechanicky interaguje s jinými atomy, k moderním teoriím, kde se atomy skládají z energetických částic, které se chovají nepředvídatelně. I když to trvalo několik tisíc let, naše znalosti o základní struktuře veškeré hmoty značně pokročily.
A přesto zůstává mnoho záhad, které je třeba ještě vyřešit. Časem a neustálým úsilím můžeme konečně odhalit poslední zbývající tajemství atomu. Pak se opět může velmi dobře stát, že jakékoli nové objevy, které učiníme, vyvolají jen další otázky – a mohou být ještě matoucí než ty, které se objevily dříve!
Pro Universe Today jsme napsali mnoho článků o atomu. Zde je článek o Atomový model Johna Daltona , Atomový model Neilse Bohra , Kdo byl Democritus?, a Kolik atomů je ve vesmíru?
Pokud chcete více informací o atomu, podívejte se Článek NASA o analýze malých vzorků a zde je odkaz na Článek NASA o atomech, prvcích a izotopech .
Nahráli jsme také celou epizodu Astronomy Cast o Atomu. Poslouchej tady, Epizoda 164: Uvnitř atomu , Episode 263: Radioactive Decay , a Epizoda 394: Standardní model, bosony .