Domača stran » Kako vemo, da je vse sestavljeno iz atomov? » Kako vemo, da je vse sestavljeno iz atomov?

    Kako vemo, da je vse sestavljeno iz atomov?


    Gore, zvezde, ljudje - vse, kar vidimo okoli, je sestavljeno iz drobnih atomov. Atomi so majhni. Zelo, zelo. Od otroštva vemo, da je vsa snov sestavljena iz grozdov teh drobnih stvari. Prav tako vemo, da jih ni mogoče videti s prostim očesom. Prisiljeni smo slepo verjeti tem izjavam, ne da bi jih lahko preverili. Atomi med seboj komunicirajo in naredijo naš svet v opekah. Kako to vemo? Mnogi ne želijo sprejeti trditev znanstvenikov po nominalni vrednosti. Gremo skupaj z znanostjo od razumevanja atomov do neposrednega dokaza njihovega obstoja..

    Morda se zdi, da obstaja enostaven način za dokazovanje obstoja atomov: postavite jih pod mikroskop. Vendar ta pristop ne bo uspešen. Tudi najmočnejši mikroskopi, ki usmerjajo svetlobo, ne morejo vizualizirati enega atoma. Objekt postane viden, ker odseva svetlobne valove. Atomi so toliko manjši od valovne dolžine vidne svetlobe, da sploh ne delujejo. Z drugimi besedami, atomi so nevidni celo do svetlobe. Vendar imajo atomi še vedno opazne učinke na nekatere stvari, ki jih lahko vidimo..

    Pred stotimi leti, leta 1785, je nizozemski znanstvenik Jan Ingenhauz preučil čuden pojav, ki ga ni mogel razumeti. Najmanjši delci premogovega prahu so v njegovem laboratoriju vohljali po površini alkohola..

    50 let kasneje, leta 1827, je škotski botanik Robert Brown opisal nekaj presenetljivo podobnega. Raziskovanje zrnc peloda pod mikroskopom je pokazalo, da nekatere granule oddajajo drobne delce - ki so bili nato odstranjeni s cvetnega prahu v občasnem živčnem plesu..

    Sprva je Browne mislil, da so delci nekakšen neznan organizem. Poskus je ponovil z drugimi snovmi, kot je kamniti prah, ki je bil očitno neživ, in spet videl čudno gibanje..

    Potrebno je bilo skoraj sto let, da je znanost našla razlago. Einstein je prišel in razvil matematično formulo, ki je napovedala zelo posebno vrsto gibanja - potem se je imenovala Brownovo gibanje v čast Robertu Brownu. Einsteinova teorija je bila, da se delci pelodnih zrn neprekinjeno premikajo, ker so milijoni majhnih vodnih molekul - molekul, ki jih sestavljajo atomi - strmoglavili v njih..

    "Pojasnil je, da je to živčno gibanje, ki ga opazite, dejansko posledica vpliva posameznih molekul vode na prašne delce ali kaj imate tam," pojasnjuje Harry Cliff z Univerze v Cambridgeu, tudi kustosinja Muzeja znanosti v Londonu..

    Do leta 1908 so opazovanja, podprta z izračuni, pokazala, da so atomi realni. V desetih letih so fiziki precej napredovali. Raztegnili so posamezne atome in začeli razumeti njihovo notranjo strukturo..

    Presenečenje je, da se atomi lahko delijo - še posebej v luči dejstva, da je samo ime "atom" izšlo iz grškega "atoma", kar pomeni "nedeljivo". Toda fiziki zdaj vedo, da so atomi daleč od osnovnih opek. Sestavljeni so iz treh glavnih delov: protonov, nevtronov in elektronov. Predstavljajte si, da protoni in nevtroni skupaj tvorijo "sonce" ali jedro v središču sistema. Elektroni so v orbiti tega jedra, kot planeti.

    Če so atomi nepredstavljivo majhni, so ti subatomski delci v celoti. Smešno, toda najprej je odkril najmanjši delček treh - elektron. Da bi razumeli razliko v velikosti, ne pozabite, da so protoni v jedru 1.830-krat večji od elektrona. Predstavljajte si chupa chups v orbiti balona - neskladje bo nekaj podobnega.

    Toda kako vemo, da so ti delci tam? Odgovor je, da so majhni, vendar imajo velik vpliv. Britanski fizik Thomson, ki je odkril elektrone, je uporabil odlično metodo, da je leta 1897 dokazal svoj obstoj.

    Imel je Crookesovo cev - košček stekla smešne oblike, iz katerega je stroj vsesal skoraj ves zrak. Negativni električni naboj je bil uporabljen na enem koncu cevi. Ta naboj je bil dovolj, da bi iz molekul plina, ki je ostal v cevi, iztaknil nekaj elektronov. Elektroni so negativno nabiti, tako da so odleteli na drugi konec cevi. Zaradi delnega vakuuma so elektroni preleteli cev, ne da bi pri tem naleteli na velike atome..

    Električni naboj je privedel do tega, da so se elektroni zelo hitro premaknili - približno 59.500 kilometrov na sekundo - dokler niso vdrli v steklo na daljšem koncu in izločili še več elektronov, ki so bili skriti v njegovih atomih. Presenetljivo je, da je trk med temi dihajočimi drobnimi delci povzročil toliko energije, da je ustvaril fantastičen zeleni in rumeni sijaj..

    "V nekem smislu je bil eden prvih pospeševalnikov delcev," pravi Cliff, "pospeši elektrone na enem koncu cevi do drugega in se na drugi strani zrušijo v zaslon, kar povzroči fosforescentni sijaj.".

    Ker je Thomson odkril, da lahko nadzira elektronske žarke z magneti in električnimi polji, je vedel, da to niso samo čudni žarki svetlobe - to so bili nabiti delci..

    In če vas zanima, kako lahko ti elektroni letijo neodvisno od svojih atomov, je to posledica procesa ionizacije, v katerem - v tem primeru - električni naboj spremeni strukturo atoma, udari elektrone v prostor v bližini..

    Zlasti zaradi dejstva, da so elektroni tako enostavni za upravljanje in premikanje, so postali možni električni tokokrogi. Elektroni v bakreni žici se gibljejo kot vlak iz enega bakrovega atoma v drugega - tako da se žica prenaša skozi žico. Atomi, kot smo rekli, niso trdni deli snovi, ampak sistemi, ki jih je mogoče spremeniti ali razčleniti na strukturne elemente..

    Odkritje elektrona je pokazalo, da morate izvedeti več o atomih. Thomsonovo delo je pokazalo, da so elektroni negativno nabiti - vendar je vedel, da sami atomi nimajo skupnega naboja. Predlagal je, da morajo vsebovati skrivnostne pozitivno nabite delce, da kompenzirajo negativno nabite elektrone..

    Poskusi začetka 20. stoletja so razkrili te pozitivno nabite delce in hkrati razkrili notranjo strukturo atoma - podobno sončnemu sistemu..

    Ernest Rutherford in njegovi kolegi so vzeli zelo tanko kovinsko folijo in jo dali pod žarek pozitivno nabitega sevanja - toka majhnih delcev. Večina močnega sevanja je šla skozi, kot je verjel Rutherford, glede na debelino folije. Ampak, na presenečenje znanstvenikov, je del tega odskočil.

    Rutherford je predlagal, da bi morali atomi v kovinski foliji vsebovati majhna gosta območja s pozitivnim nabojem - nič drugega ne bi imelo potenciala, da bi odsevalo tako močno sevanje. Odkril je pozitivne naboje v atomu - in hkrati dokazano, da so vsi povezani v gosto maso, za razliko od elektronov. Z drugimi besedami, dokazal je obstoj gostega jedra v atomu.

    Prišlo je do težave. Do takrat so lahko že izračunali maso atoma. Toda glede na podatke o tem, kako težki naj bi bili delci jedra, zamisel, da so bili vsi pozitivno nabiti, ni imela smisla..

    "Ogljik ima šest elektronov in šest protonov v jedru - šest pozitivnih nabojev in šest negativnih nabojev, - pojasnjuje Cliff. - Ampak ogljikovo jedro ne tehta šest protonov, tehta ekvivalent 12 protonov"..

    Sprva je bilo predpostavljeno, da je šest drugih jedrskih delcev z maso protonov, vendar negativno nabitih: nevtroni. Ampak nihče ni mogel dokazati. Pravzaprav nevtronov ni bilo mogoče najti do tridesetih let prejšnjega stoletja.

    Cambridge fizik James Chadwick je obupno poskušal odpreti nevtron. Več let je delal na tej teoriji. Leta 1932 je uspel narediti preboj..

    Nekaj ​​let prej so drugi fiziki eksperimentirali z sevanjem. Izpustili so pozitivno nabito sevanje - tipa, ki ga je Rutherford uporabil za iskanje jedra - v atome berilija. Berilij je oddal svoje sevanje: sevanje, ki ni bilo pozitivno ali negativno nabito in bi lahko prodrlo globoko v material..

    Do takrat so drugi ugotovili, da je gama sevanje nevtralno in prodrlo globoko, zato so fiziki verjeli, da so ga izpustili berilijev atomi. Ampak Chadwick ni mislil tako.

    Samostojno je izdelal novo sevanje in ga usmeril v snov, za katero je vedel, da je bogata s protoni. Nenadoma se je izkazalo, da so protoni iz materiala iztisnjeni kot z delci z enako maso, kot so jajca za biljard z drugimi kroglicami..

    Gama sevanje ne odseva protonov na ta način, zato se je Chadwick odločil, da morajo zadevni delci imeti protonsko maso, vendar drugačen električni naboj: in da so nevtroni..

    Najdeni so bili vsi glavni delci atoma, vendar se zgodba tu ne konča..

    Čeprav smo se o atomih naučili veliko več, kot smo vedeli prej, jih je bilo težko vizualizirati. V tridesetih letih prejšnjega stoletja nihče ni posnel svojih slik - in mnogi so jih želeli videti, da bi sprejeli njihov obstoj..

    Pomembno pa je omeniti, da so metode, ki so jih uporabili znanstveniki, kot sta Thomson, Rutherford in Chadwick, utrli pot za novo opremo, kar nam je na koncu pomagalo pri izdelavi teh slik. Elektronski žarki, ki jih je Thomson ustvaril v svojem eksperimentu s Crookesovo cevjo, se je izkazal za še posebej koristnega..

    Danes so takšni žarki generirani z elektronskimi mikroskopi, in najmočnejši taki mikroskopi lahko dejansko fotografirajo posamezne atome. To je zato, ker ima elektronski žarek valovno dolžino tisočkrat krajšo od žarka svetlobe - tako kratko, da lahko elektronski valovi odbijajo drobne atome in ustvarjajo sliko, ki svetlobni žarki ne morejo..

    Neil Skipper s University College London pravi, da so takšne slike uporabne za ljudi, ki želijo preučiti atomsko strukturo posebnih snovi - na primer tiste, ki se uporabljajo pri proizvodnji baterij za električna vozila. Bolj kot vemo o njihovi atomski strukturi, bolje lahko oblikujemo baterije, jih naredimo učinkovite in zanesljive..

    Razumete lahko tudi, kako atomi izgledajo samo tako, da jih potiskate. V bistvu deluje mikroskopija atomske sile.

    Ideja je, da se konica izredno majhne sonde pripelje na površino molekule ali snovi. Z dovolj veliko bližino bo sonda občutljiva na kemijsko strukturo tega, kar kaže, in sprememba odpornosti, ko se sonda premika, bo znanstvenikom omogočila fotografiranje, na primer, ene same molekule..

    Nedavno so znanstveniki objavili lepe slike molekule pred in po kemijski reakciji s to metodo..

    Skipper dodaja, da številni atomski znanstveniki raziskujejo, kako se struktura stvari spreminja, ko je izpostavljena visokemu tlaku ali temperaturi. Večina ljudi ve, da se pri segrevanju snovi pogosto razširi. Zdaj lahko zaznate atomske spremembe, do katerih pride med tem, kar je pogosto koristno..

    "Ko se tekočina segreje, lahko opazite, kako imajo atomi neurejeno konfiguracijo," pravi Skipper. "To lahko vidite neposredno iz strukturne karte.".

    Skiper in drugi fiziki lahko delajo tudi z atomi z nevtronskimi žarki, ki jih je Chadwick prvič odkril v tridesetih letih..

    "V vzorce materiala vodimo veliko nevtronskih žarkov in iz nastajajočega razpršitvenega vzorca lahko razumemo, da razpršite nevtrone v jedrih," pravi..

    Toda atomi niso vedno tam, v stabilnem stanju, čakajo, da jih preučijo. Včasih se razpadajo - to pomeni, da so radioaktivni..

    Obstaja veliko naravnih radioaktivnih elementov. Ta proces ustvarja energijo, ki je bila osnova jedrske energije - in jedrskih bomb. Jedrski fiziki praviloma poskušajo bolje razumeti reakcije, v katerih jedro gre skozi temeljne spremembe, kot so te.

    Laura Harkness-Brennan z Univerze v Liverpoolu je specializirana za proučevanje gama žarkov - vrste sevanja, ki ga oddajajo razpadajoči atomi. Določena vrsta radioaktivnega atoma oddaja posebno obliko gama žarkov. To pomeni, da lahko identificirate atome samo z registracijo energije gama žarkov - to je pravzaprav Harkness-Brennan, ki ga dela v svojem laboratoriju..

    "Vrste detektorjev, ki jih morate uporabiti, predstavljajo detektorji, ki vam omogočajo merjenje prisotnosti sevanja in energijo sevanja, ki je bila zakasnjena," pravi. "Vse zato, ker imajo vsa jedra poseben odtis.".

    Ker so na območju, kjer je bilo zaznano sevanje, lahko prisotne vse vrste atomov, zlasti po veliki jedrski reakciji, je pomembno natančno vedeti, kateri radioaktivni izotopi so prisotni. Takšno odkrivanje se običajno izvaja na jedrskih postajah ali na območjih, kjer je prišlo do jedrske katastrofe..

    Harkness-Brennan in njeni sodelavci zdaj delajo na sisteme za odkrivanje, ki jih je mogoče namestiti na kraje, da se pokažejo v treh dimenzijah, kjer je sevanje lahko prisotno v določenem prostoru. "Potrebujete opremo in orodja, ki vam bodo omogočila, da ustvarite tridimenzionalno karto prostora in vam pove, kje je sevanje v tej sobi, v tej cevi," pravi.

    Prav tako lahko vizualizirate sevanje v "komori Wilson". V tem posebnem poskusu se alkoholna para, ohlajena na -40 stopinj Celzija, poškropi z oblakom nad radioaktivnim izvorom. Napolnjeni delci sevanja, ki letijo iz vira sevanja, izločijo elektrone iz molekul alkohola. Alkohol se kondenzira v tekočino blizu poti izpuščenih delcev. Rezultati te vrste odkrivanja so impresivni..

    Naredili smo malo dela neposredno z atomi - razen če smo razumeli, da so to čudovite kompleksne strukture, ki lahko doživijo neverjetne spremembe, od katerih se mnoge pojavljajo v naravi. Na ta način proučujemo atome, izboljšujemo lastne tehnologije, pridobivamo energijo iz jedrskih reakcij in bolje razumemo naravni svet okoli nas. Imeli smo tudi priložnost, da se zaščitimo pred sevanjem in preučimo, kako se snovi spreminjajo v ekstremnih pogojih..

    "Glede na to, kako majhen je atom, je neverjetno, koliko fizike lahko iz njega izvlečemo," opazi Harkness-Brennan. Vse, kar vidimo okoli nas, je sestavljeno iz teh najmanjših delcev. In dobro je vedeti, da so tam, ker je zahvaljujoč jim, da je vse okrog mogoče..