Jak víme, že všechno sestává z atomů?

Hory, hvězdy, lidé - vše, co vidíme kolem, se skládá z malých atomů. Atomy jsou malé. Velmi, velmi. Od dětství víme, že veškerá hmota se skládá ze shluků těchto drobných drobností. Také víme, že nemohou být viděni pouhým okem. Jsme nuceni tyto výroky slepě uvěřit, aniž bychom je mohli ověřit. Atomy se vzájemně ovlivňují a vytvářejí náš svět v cihlách. Jak to víme? Mnozí neradi přijímají tvrzení vědců. Pojďme spolu s vědou, abychom pochopili atomy, abychom dokázali prokázat jejich existenci..

Může se zdát, že existuje snadný způsob, jak dokázat existenci atomů: dát je pod mikroskop. Tento přístup však nebude fungovat. Ani nejvýkonnější mikroskopy zaostřující světlo nemohou zobrazit jeden atom. Objekt je viditelný, protože odráží světelné vlny. Atomy jsou o tolik menší než vlnová délka viditelného světla, které vůbec neinteragují. Jinými slovy, atomy jsou neviditelné i na světlo. Atomy však mají stále pozorovatelné účinky na určité věci, které můžeme vidět..

Před sto lety, v roce 1785, studoval holandský vědec Jan Ingenhauz zvláštní jev, kterému nemohl porozumět. Nejmenší částice uhelného prachu v jeho laboratoři sáhly po povrchu nějakého alkoholu..

O 50 let později, v roce 1827, skotský botanik Robert Brown popsal něco překvapivě podobného. Studoval granule pylu pod mikroskopem a zjistil, že některé granule emitují drobné částečky, které se pak občas z nervového tance odstranily z pylu..

Zpočátku si Browne myslel, že částice jsou nějakým neznámým organismem. Opakoval experiment s jinými látkami, jako je kamenný prach, který byl jasně neživý, a znovu viděl podivný pohyb..

Vědě trvalo téměř sto let, než našla vysvětlení. Einstein přišel a vyvinul matematický vzorec, který předpovídal velmi zvláštní druh pohybu - pak volal Brownův pohyb, na počest Roberta Browna. Einsteinova teorie byla, že částice pylových granulí se neustále pohybují, protože do nich narazily miliony malých molekul vody - molekul tvořených atomy..

"Vysvětlil, že toto nervové hnutí, které pozorujete, je ve skutečnosti způsobeno dopadem jednotlivých molekul vody na prachové částice nebo tím, co tam máte," vysvětluje Harry Cliff z University of Cambridge, také kurátor muzea vědy v Londýně..

1908, pozorování podporovaná výpočty ukázala, že atomy jsou skutečné. Za deset let významně pokročili fyzici. Roztažením jednotlivých atomů začali chápat jejich vnitřní strukturu..

Překvapením je, že atomy mohou být rozděleny - zejména ve světle skutečnosti, že samotné jméno "atom" vyšlo z řeckého "atomu", což znamená "nedělitelný". Fyzici však nyní vědí, že atomy jsou daleko od základních cihel. Skládají se ze tří hlavních částí: protonů, neutronů a elektronů. Představte si, že protony a neutrony společně tvoří „slunce“ nebo jádro ve středu systému. Elektrony jsou na oběžné dráze tohoto jádra, podobně jako planety.

Jsou-li atomy nepředstavitelně malé, pak jsou tyto subatomární částice dohromady. Legrační, ale nejprve objevil nejmenší částici ze tří - elektron. Abychom pochopili rozdíl ve velikosti, mějte na paměti, že protony v jádru jsou 1 830krát větší než elektrony. Představte si chupa chups na oběžné dráze balónu - rozdíl bude něco jako.

Ale jak víme, že tyto částice jsou tam? Odpověď zní, že jsou malé, ale mají velký dopad. Britský fyzik Thomson, který objevil elektrony, použil vynikající metodu k prokázání své existence v roce 1897.

Měl Crookesovu trubku - kus sklenky vtipného tvaru, ze kterého byl téměř celý vzduch nasáván strojem. Na jeden konec trubky byl aplikován negativní elektrický náboj. Tento náboj stačil na klepání některých elektronů z molekul plynu, který zůstal v trubici. Elektrony jsou záporně nabité, takže letěly na druhý konec trubky. Kvůli částečnému podtlaku, elektrony letěly trubkou, bez setkání s velkými atomy na jejich cestě..

Elektrický náboj způsobil, že se elektrony pohybovaly velmi rychle - asi 59 500 kilometrů za sekundu - dokud neunikly do skla na druhém konci, čímž vyrazily ještě více elektronů, které byly skryty v jeho atomech. Překvapivě, kolize mezi těmito dech beroucími drobnými částicemi produkovala tolik energie, že vytvořila fantastickou zelenou a žlutou záři..

„Bylo to v určitém smyslu jedním z prvních urychlovačů částic,“ říká Cliff, „urychluje elektrony na jednom konci trubice na druhou stranu a na druhém konci dopadají na obrazovku, čímž vzniká fosforeskující záře.“ \ T.

Protože Thomson zjistil, že dokáže ovládat elektronové paprsky magnety a elektrickými poli, věděl, že se nejedná jen o podivné paprsky světla - to byly nabité částice..

A pokud se zajímáte o to, jak tyto elektrony mohou létat nezávisle na svých atomech, je to způsobeno ionizačním procesem, v němž - v tomto případě - elektrický náboj mění strukturu atomu, přičemž elektrony v prostoru nabíhají..

Zejména díky tomu, že se elektrony snadno manipulují a pohybují, elektrické obvody jsou možné. Elektrony v měděném drátu se pohybují jako vlak z jednoho atomu mědi do druhého - takže drát je přenášen drátem. Atomy, jak jsme řekli, nejsou tuhé kusy hmoty, ale systémy, které mohou být upraveny nebo rozděleny na konstrukční prvky..

Objev elektronu ukázal, že se o atomech musíte dozvědět více. Thomsonova práce ukázala, že elektrony jsou záporně nabité - ale věděl, že samotné atomy nemají společný náboj. On navrhl, že oni musí obsahovat tajemné pozitivně nabité částečky kompenzovat záporně nabité elektrony..

Experimenty na počátku 20. století odhalily tyto kladně nabité částice a zároveň odhalily vnitřní strukturu atomu - podobnou sluneční soustavě..

Ernest Rutherford a jeho kolegové vzali velmi tenkou kovovou fólii a položili ji pod paprsek kladně nabitého záření - proud drobných částic. Většina silného záření prošla, jak věřil Rutherford, vzhledem k tloušťce fólie. Ale k překvapení vědců se část z toho odrazila.

Rutherford navrhl, že atomy v kovové fólii by měly obsahovat malé husté oblasti s kladným nábojem - nic jiného by nemělo potenciál odrážet takové silné záření. On objevil pozitivní náboje v atomu - a současně dokázal, že oni jsou všichni spojení v husté hmotě, na rozdíl od elektronů. Jinými slovy prokázal existenci hustého jádra v atomu.

Vyskytl se problém. V té době už mohli vypočítat hmotnost atomu. Ale vzhledem k údajům o tom, jak těžké mají být částice jádra, nedávalo představa, že jsou všechny kladně nabité, smysl..

"Uhlík má v jádru šest elektronů a šest protonů - šest kladných nábojů a šest záporných nábojů," vysvětluje Cliff, ale uhlíkové jádro neváží šest protonů, váží ekvivalent 12 protonů..

Zpočátku se předpokládalo, že existuje šest dalších jaderných částic s hmotností protonu, ale záporně nabitých: neutrony. Ale nikdo to nedokázal. Ve skutečnosti neutrony nemohly být nalezeny až do 30. let.

Fyzik Cambridge James Chadwick se zoufale snažil otevřít neutron. Na této teorii pracoval mnoho let. V roce 1932 se mu podařilo udělat průlom..

Před několika lety experimentovali s ozařováním další fyzici. Vypustili kladně nabité záření - typu, který Rutherford používal k hledání jádra - do atomů berylia. Beryllium emitovalo své vlastní záření: záření, které nebylo nabito pozitivně nebo negativně a mohlo proniknout hluboko do materiálu..

V té době jiní zjistili, že gama záření bylo neutrální a proniklo hluboko, takže fyzici věřili, že to jsou atomy berylia, které ho emitovaly. Chadwick si to ale nemyslel.

Nezávisle produkoval nové záření a nasměroval ho na látku, o které věděl, že je bohatý na protony. Náhle se ukázalo, že protony byly vyřazeny z materiálu, jako by byly částicemi s identickou hmotou - jako kuličky pro kulečník s jinými míčky.

Gama záření nemůže takto odrážet protony, takže Chadwick rozhodl, že tyto částice musí mít protonovou hmotnost, ale odlišný elektrický náboj: to je neutrony.

Všechny hlavní částice atomu byly nalezeny, ale příběh nekončí..

I když jsme se o atomech dozvěděli mnohem více, než jsme věděli dříve, bylo těžké je představit. Ve třicátých letech minulého století nikdo nepřijal jejich snímky - a mnoho lidí je chtělo vidět, aby přijali jejich existenci..

Je však důležité poznamenat, že metody používané vědci, jako je Thomson, Rutherford a Chadwick, vydláždily cestu pro nové vybavení, které nám nakonec pomohlo tyto obrazy vytvořit. Zvláště užitečné se ukázaly elektronové paprsky, které Thomson vytvořil v experimentu s Crookesovou trubicí..

Tyto paprsky jsou dnes generovány elektronovými mikroskopy a nejvýkonnější mikroskopy mohou skutečně pořizovat snímky jednotlivých atomů. Je to proto, že elektronový paprsek má vlnovou délku tisíckrát kratší než paprsek světla - tak krátký, ve skutečnosti, že elektronové vlny se mohou odrazit od malých atomů a vytvořit obraz, který světelné paprsky nemohou.

Neil Skipper z University College v Londýně říká, že takové obrazy jsou užitečné pro lidi, kteří chtějí studovat atomovou strukturu speciálních látek - například těch, které se používají při výrobě baterií pro elektrická vozidla. Čím více víme o jejich atomové struktuře, tím lépe můžeme navrhovat baterie, učinit je účinnými a spolehlivými..

Můžete také pochopit, jak atomy vypadají jen tím, že je strkají. Ve skutečnosti funguje mikroskopie atomových sil.

Cílem je přivést špičku extrémně malé sondy na povrch molekuly nebo látky. S dostatečnou blízkostí bude sonda citlivá na chemickou strukturu toho, co indikuje, a změna odporu, jak se pohybuje sondou, umožní vědcům pořizovat snímky například jedné molekuly..

V poslední době vědci zveřejnili krásné snímky molekuly před a po chemické reakci pomocí této metody..

Kapitán dodává, že mnoho atomových vědců zkoumá, jak se struktura věcí mění, když jsou vystaveny vysokému tlaku nebo teplotě. Většina lidí ví, že když se látka zahřívá, často se rozšiřuje. Nyní můžete detekovat atomové změny, ke kterým dochází při tom, což je často užitečné..

"Když je tekutina zahřívána, můžete si všimnout, jak její atomy mají neuspořádanou konfiguraci," říká Skipper. "Můžete to vidět přímo ze strukturální mapy.".

Kapitán a jiní fyzici mohou také pracovat s atomy používat neutronové paprsky, nejprve objevený Chadwick ve třicátých létech.

„Ve vzorcích materiálů spouštíme mnoho neutronových paprsků a z vznikajícího rozptylového vzoru můžete pochopit, že rozptylujete neutrony v jádrech,“ říká..

Ale atomy nejsou vždy jen tam, ve stabilním stavu, čekají, až budou studovány. Někdy se rozpadají - to znamená, že jsou radioaktivní..

Existuje mnoho přirozeně se vyskytujících radioaktivních prvků. Tento proces vytváří energii, která byla základem jaderné energie - a jaderných bomb. Jaderní fyzici se zpravidla snaží lépe porozumět reakcím, v nichž jádro prochází zásadními změnami, jako jsou tyto.

Laura Harknessová-Brennanová z University of Liverpool se specializuje na studium záření gama - typu záření vyzařovaného rozpadajícími se atomy. Určitý typ radioaktivního atomu emituje určitou formu gama záření. To znamená, že atomy můžete identifikovat pouze registrací energie paprsků gama - to je vlastně Harkness-Brennanová, kterou dělá ve své laboratoři..

„Typy detektorů, které byste měli použít, jsou reprezentovány detektory, které umožňují měřit jak přítomnost záření, tak energii záření, které bylo zpožděno,“ říká. „Všechno proto, že všechna jádra mají zvláštní otisk.“.

Vzhledem k tomu, že všechny typy atomů mohou být přítomny v oblasti, kde bylo záření detekováno, zejména po velké jaderné reakci, je důležité přesně vědět, které radioaktivní izotopy jsou přítomny. Tato detekce se obvykle provádí na jaderných stanicích nebo v oblastech, kde došlo k jaderné katastrofě..

Harkness-Brennanová a její kolegové nyní pracují na detekčních systémech, které mohou být umístěny na místech, kde se budou zobrazovat ve třech dimenzích, kde může být v určité místnosti přítomno záření. "Potřebujete vybavení a nástroje, které vám umožní vytvořit trojrozměrnou mapu prostoru a říct, kde je v této místnosti v této trubici záření," říká..

Můžete také vizualizovat záření v "Wilsonově komoře". V tomto speciálním experimentu se vodní pára ochlazená na teplotu -40 ° C rozprašuje oblakem nad radioaktivním zdrojem. Nabité částice záření, vycházející ze zdroje záření, vyrazí elektrony z molekul alkoholu. Alkohol kondenzuje do kapaliny v blízkosti dráhy emitovaných částic. Výsledky tohoto typu detekce jsou působivé..

Dělali jsme malou práci přímo s atomy - pokud jsme nepochopili, že se jedná o nádherné komplexní struktury, které mohou projít úžasnými změnami, z nichž mnohé se vyskytují v přírodě. Studiem atomů tímto způsobem zlepšujeme naše vlastní technologie, získáváme energii z jaderných reakcí a lépe chápeme přírodní svět kolem nás. Měli jsme také možnost chránit se před zářením a studovat, jak se látky mění v extrémních podmínkách..

"Vzhledem k tomu, jak malý je atom, je to prostě neuvěřitelné, kolik fyziky z něj můžeme extrahovat," poznamenává Harkness-Brennanová. Všechno, co kolem nás vidíme, se skládá z těchto nejmenších částic. A je dobré vědět, že jsou tam, protože je to díky nim, že je všechno možné..