Siden begynnelsen av tiden har mennesker søkt å forstå hva universet og alt i det består av. Og mens eldgamle magier og filosofer unnfanget seg av en verden sammensatt av fire eller fem elementer - jord, luft, vann, ild (og metall, eller bevissthet) - av den klassiske antikken, begynte filosofer å teoretisere at all materie faktisk var satt sammen av bittesmå, usynlige og udelelige atomer.
Siden den tid har forskere engasjert seg i en prosess med pågående oppdagelse med atomet, i håp om å oppdage dets sanne natur og sminke. I det 20. århundre ble vår forståelse forbedret til det punktet at vi var i stand til å konstruere en nøyaktig modell av den. Og i løpet av det siste tiåret har vår forståelse kommet videre, til det punktet at vi har kommet til å bekrefte eksistensen av nesten alle dens teoretiserte deler.
I dag er atomforskningen fokusert på å studere strukturen og funksjonen til materie på det subatomære nivået. Dette består ikke bare i å identifisere alle de underatomiske partiklene som antas å utgjøre et atom, men å undersøke kreftene som styrer dem. Disse inkluderer sterke atomkrefter, svake atomkrefter, elektromagnetisme og tyngdekraft. Her er en oversikt over alt vi har kommet til å lære om atomet så langt ...
Atomets struktur:
Vår nåværende modell av atomet kan deles ned i tre bestanddeler - protoner, nøytroner og elektroner. Hver av disse delene har en tilknyttet ladning, med protoner som har en positiv ladning, elektroner som har en negativ ladning, og nøytroner som ikke har noen nettoladning. I samsvar med standardmodellen for partikkelfysikk utgjør protoner og nøytroner atomkjernen, mens elektroner går i bane i en "sky".
Elektronene i et atom tiltrekkes av protonene i kjernen av den elektromagnetiske kraften. Elektroner kan flykte fra sin bane, men bare som svar på en ekstern energikilde som blir brukt. Jo nærmere elektronets bane til kjernen, jo større er den attraktive kraften; jo sterkere den ytre kraften som trengs for å få et elektron til å rømme.
Elektroner går i bane rundt kjernen i flere baner, som hver tilsvarer et bestemt energinivå i elektronet. Elektronet kan endre tilstanden til et høyere energinivå ved å absorbere et foton med tilstrekkelig energi til å øke det inn i den nye kvantetilstanden. På samme måte kan et elektron i en høyere energitilstand slippe til en lavere energitilstand mens den utstråler overskytende energi som et foton.
Atomer er elektrisk nøytrale hvis de har et like stort antall protoner og elektroner. Atomer som har enten et underskudd eller et overskudd av elektroner kalles ioner. Elektroner som er lengst fra kjernen kan overføres til andre atomer i nærheten eller deles mellom atomer. Ved denne mekanismen kan atomer binde seg til molekyler og andre typer kjemiske forbindelser.
Alle disse tre underatomiske partiklene er Fermions, en klasse av partikler assosiert med materie som enten er elementære (elektroner) eller sammensatte (protoner og nøytroner) i naturen. Dette betyr at elektronene ikke har noen kjent indre struktur, mens protoner og nøytroner består av andre subatomære partikler. kalt kvarker. Det er to typer kvarker i atomer, som har en brøkdel elektrisk ladning.
Protoner er sammensatt av to “opp” -kvarker (hver med en ladning på +2/3) og en “ned” -kvark (-1/3), mens nøytroner består av en opp-kvark og to ned-kvarker. Denne skillet står for forskjellen i ladning mellom de to partiklene, som fungerer til en ladning på henholdsvis +1 og 0, mens elektroner har en ladning på -1.
Andre subatomære partikler inkluderer leptoner, som kombineres med Fermions for å danne byggesteinene til materie. Det er seks leptoner i den nåværende atommodellen: elektron-, muon- og tau-partiklene og tilhørende nøytrinoer. De forskjellige variantene av Lepton-partiklene, ofte kalt “smaker”, er differensiert av deres størrelse og ladninger, noe som påvirker nivået av deres elektromagnetiske interaksjoner.
Så er det Gauge Bosons, som er kjent som "styrkebærere" siden de formidler fysiske krefter. For eksempel er gluoner ansvarlige for den sterke atomkraften som holder kvarker sammen, mens W og Z-bosoner (fortsatt hypotetisk) antas å være ansvarlige for den svake atomkraften bak elektromagnetisme. Fotoner er den elementære partikkelen som utgjør lys, mens Higgs Boson er ansvarlig for å gi W- og Z-bosonene deres masse.
Atommasse:
Størstedelen av atomenes masse kommer fra protonene og nøytronene som utgjør kjernen. Elektroner er det minst massive av et atombestanddelspartikler, med en masse på 9,11 x 10-31 kg og en størrelse for liten til å måles ved hjelp av nåværende teknikker. Protoner har en masse som er 1 836 ganger elektronens, ved 1,6726 × 10-27 kg, mens nøytroner er de mest massive av de tre, på 1,6929 × 10-27 kg (1 839 ganger elektronens masse).
Det totale antallet protoner og nøytroner i et atomkjerne (kalt "nukleoner") kalles massetallet. For eksempel er elementet karbon-12 såkalt fordi det har et massetall på 12 - avledet fra dets 12 nukleoner (seks protoner og seks nøytroner). Imidlertid er elementer også arrangert basert på atomnummeret, som er det samme som antallet protoner som finnes i kjernen. I dette tilfellet har karbon et atomnummer på 6.
Den faktiske massen til et atom i ro er veldig vanskelig å måle, da selv de mest massive atomene er for lette til å uttrykke i konvensjonelle enheter. Som sådan bruker forskere ofte den enhetlige atomenmassenheten (u) - også kalt dalton (Da) - som er definert som en tolvdeled av massen til et fritt nøytralt atom med karbon-12, som er omtrent 1,66 × 10-27 kg.
Kjemikere bruker også føflekker, en enhet definert som en mol av ethvert element som alltid har samme antall atomer (ca. 6.022 × 1023). Dette tallet ble valgt slik at hvis et element har en atommasse på 1 u, har en mol atomer av dette elementet en masse nær ett gram. På grunn av definisjonen av den enhetlige atomenmassenheten har hvert karbon-12-atom en atommasse på nøyaktig 12 u, og derfor veier en mol karbon-12-atomer nøyaktig 0,012 kg.
Radioaktivt forfall:
Alle to atomer som har samme antall protoner tilhører det samme kjemiske elementet. Men atomer med et like stort antall protoner kan ha et annet antall nøytroner, som er definert som å være forskjellige isotoper av samme element. Disse isotopene er ofte ustabile, og alle som har et atomnummer større enn 82 er kjent for å være radioaktive.
Når et element gjennomgår forfall, mister kjernen sin energi ved å avgi stråling - som kan bestå av alfa-partikler (heliumatomer), beta-partikler (positroner), gammastråler (høyfrekvente elektromagnetiske energi) og konverteringselektroner. Den hastigheten som et ustabilt element forfaller kalles dens "halveringstid", som er tiden som kreves for at elementet skal falle til halve begynnelsesverdien.
Stabiliteten til en isotop påvirkes av forholdet mellom protoner og nøytroner. Av de 339 forskjellige typer elementer som forekommer naturlig på Jorden, har 254 (ca. 75%) blitt merket som "stabile isotoper" - dvs. ikke utsatt for forfall. Ytterligere 34 radioaktive elementer har halveringstider lengre enn 80 millioner år, og har også eksistert siden det tidlige solsystemet (derav grunnen til at de kalles ”primordiale elementer”).
Til slutt er det kjent at ytterligere 51 kortlivede elementer forekommer naturlig, som "datterelementer" (dvs. kjernefysiske biprodukter) av forfallet til andre elementer (for eksempel radium fra uran). I tillegg kan kortvarige radioaktive elementer være et resultat av naturlige energiske prosesser på jorden, for eksempel kosmisk strålebombardement (for eksempel karbon-14, som forekommer i atmosfæren vår).
Studiens historie:
De tidligste kjente eksemplene på atomteori kommer fra antikkens Hellas og India, der filosofer som Democritus postulerte at all materie var sammensatt av bittesmå, udelelige og uforgjengelige enheter. Begrepet “atom” ble myntet i antikkens Hellas og ga opphav til tankeskolen kjent som “atomisme”. Imidlertid var denne teorien mer et filosofisk begrep enn en vitenskapelig.
Det var først på 1800-tallet atomensteorien ble artikulert som en vitenskapelig sak, med de første evidensbaserte eksperimentene som ble utført. På begynnelsen av 1800-tallet brukte for eksempel den engelske forskeren John Dalton atombegrepet for å forklare hvorfor kjemiske elementer reagerte på visse observerbare og forutsigbare måter.
Dalton begynte med spørsmålet om hvorfor elementer reagerte i forhold til små hele tall, og konkluderte med at disse reaksjonene skjedde i hele tallmultipler av diskrete enheter - med andre ord atomer. Gjennom en serie eksperimenter som involverte gasser, fortsatte Dalton med å utvikle det som er kjent som Daltons Atomic Theory, som fortsatt er en av hjørnesteinene i moderne fysikk og kjemi.
Teorien kommer til fem premisser: elementer, i deres reneste tilstand, består av partikler kalt atomer; atomene til et spesifikt element er alle de samme, helt til det siste atomet; atomer av forskjellige elementer kan fortelles fra hverandre med atomvektene; atomer av elementer forenes for å danne kjemiske forbindelser; atomer kan verken opprettes eller ødelegges i kjemisk reaksjon, bare grupperinga endres noensinne.
På slutten av 1800-tallet begynte forskere å teoretisere at atomet var sammensatt av mer enn en grunnleggende enhet. Imidlertid våget de fleste forskere at denne enheten ville være på størrelse med det minste kjente atomet - hydrogen. Og så i 1897, gjennom en serie eksperimenter ved bruk av katodestråler, fysiker J.J. Thompson kunngjorde at han hadde oppdaget en enhet som var 1000 ganger mindre og 1800 ganger lettere enn et hydrogenatom.
Eksperimentene hans viste også at de var identiske med partikler gitt av den fotoelektriske effekten og av radioaktive materialer. Etterfølgende eksperimenter avslørte at denne partikkelen førte elektrisk strøm gjennom metalltråder og negative elektriske ladninger i atomer. Derfor ble partikkelen - som opprinnelig ble kalt et "corpuscle" - senere endret til "elektron", etter at partikelen George Johnstone Stoney forutså i 1874.
Imidlertid postulerte Thomson også at elektronene var distribuert gjennom atomet, som var et ensartet hav med positiv ladning. Dette ble kjent som "plommepuddingmodellen", som senere skulle bli bevist feil. Dette fant sted i 1909, da fysikerne Hans Gieger og Ernest Marsden (under ledelse av Ernest Rutherfod) gjennomførte eksperimentet sitt ved bruk av metallfolie og alfapartikler.
I samsvar med Daltons atommodell, trodde de at alfapartiklene ville passere rett gjennom folien med liten avbøyning. Imidlertid ble mange av partiklene avbøyd i vinkler større enn 90 °. For å forklare dette, foreslo Rutherford at den positive ladningen til atomet ble konsentrert i en liten kjerne i sentrum.
I 1913 foreslo fysiker Niels Bohr en modell der elektroner gikk i bane rundt kjernen, men bare kunne gjøre det i et begrenset sett med baner. Han foreslo også at elektronene kunne hoppe mellom baner, men bare i diskrete energiforandringer som tilsvarer absorpsjonen eller strålingen av et foton. Denne foredlet ikke bare Rutherfords foreslåtte modell, men ga også opphav til begrepet et kvantisert atom, der materien oppførte seg i diskre pakker.
Utviklingen av massespektrometeret - som bruker en magnet for å bøye banen til en ionestråle - tillot at massen av atomer ble målt med økt nøyaktighet. Kjemikeren Francis William Aston brukte dette instrumentet for å vise at isotoper hadde forskjellige masser. Dette ble igjen fulgt opp av fysiker James Chadwick, som i 1932 foreslo nøytronet som en måte å forklare eksistensen av isotoper.
Gjennom begynnelsen av det 20. århundre ble atomenes kvante natur videreutviklet. I 1922 gjennomførte de tyske fysikerne Otto Stern og Walther Gerlach et eksperiment der en bjelke med sølvatomer ble ledet gjennom et magnetfelt, som var ment å dele strålen mellom retningen til atomenes vinkelmoment (eller spinn).
Resultatene ble kjent som Stern – Gerlach-eksperimentet, og bjelken delte seg i to deler, avhengig av om atomene var orientert opp eller ned. I 1926 brukte fysikeren Erwin Schrodinger ideen om at partikler oppfører seg som bølger for å utvikle en matematisk modell som beskrev elektroner som tredimensjonale bølgeformer i stedet for bare partikler.
En konsekvens av å bruke bølgeformer for å beskrive partikler er at det matematisk er umulig å oppnå presise verdier for både posisjonen og momentumet til en partikkel til enhver tid. Samme år formulerte Werner Heisenberg dette problemet og kalte det "usikkerhetsprinsippet". I følge Heisenberg kan man for en gitt nøyaktig måling av posisjon bare skaffe et område med sannsynlige verdier for fremdrift, og omvendt.
På 1930-tallet oppdaget fysikere kjernefysisk fisjon, takket være eksperimentene til Otto Hahn, Lise Meitner og Otto Frisch. Hahns eksperimenter involverte å dirigere nøytroner mot uranatomer i håp om å skape et transuraniumelement. I stedet snudde prosessen prøven av uran-92 (Ur92) i to nye elementer - barium (B56) og krypton (Kr27).
Meitner og Frisch verifiserte eksperimentet og tilskrev det at uranatomene delte seg for å danne to elementer med samme totale atomvekt, en prosess som også frigjorde en betydelig mengde energi ved å bryte atombindingen. I årene som fulgte begynte forskning på mulig våpenvåking av denne prosessen (dvs. atomvåpen) og førte til bygging av de første atombomber i USA innen 1945.
På 1950-tallet tillot utviklingen av forbedrede partikkelakseleratorer og partikkeldetektorer forskere å studere virkningene av atomer som beveger seg med høye energier. Fra dette ble standardmodellen for partikkelfysikk utviklet, som hittil med hell har forklart egenskapene til kjernen, eksistensen av teoretiserte subatomiske partikler og kreftene som styrer deres interaksjoner.
Moderne eksperimenter:
Siden siste halvdel av 1900-tallet har mange nye og spennende oppdagelser vært med hensyn til atomteori og kvantemekanikk. I 2012 førte for eksempel det lange søket etter Higgs Boson til et gjennombrudd der forskere som jobber ved European Organization for Nuclear Research (CERN) i Sveits kunngjorde oppdagelsen.
De siste tiårene har fysikere viet mye tid og energi til utviklingen av en enhetlig feltteori (alias Grand Unifying Theory eller Theory of Everything). Siden standardmodellen først ble foreslått, har forskere forsøkt å forstå hvordan de fire grunnleggende kreftene i universet (tyngdekraft, sterke og svake kjernekrefter og elektromagnetisme) fungerer sammen.
Mens tyngdekraften kan forstås ved å bruke Einsteins relativitetsteorier, og kjernekrefter og elektromagnetisme kan forstås ved bruk av kvanteteori, kan ingen av teoriene gjøre rede for alle fire kreftene som samarbeider. Forsøk på å løse dette har ført til en rekke foreslåtte teorier i løpet av årene, alt fra strengteori til Loop Quantum Gravity. Til dags dato har ingen av disse teoriene ført til et gjennombrudd.
Vår forståelse av atomet har kommet langt, fra klassiske modeller som så det som et inert fast stoff som samhandlet med andre atomer mekanisk, til moderne teorier der atomer er sammensatt av energiske partikler som oppfører seg uforutsigbart. Selv om det har tatt flere tusen år, har kunnskapen vår om den grunnleggende strukturen i all materie kommet langt.
Og ennå er det mange mysterier som ennå ikke skal løses. Med tid og kontinuerlig innsats kan vi endelig låse opp atomets siste gjenværende hemmeligheter. Så igjen, det kan godt være at nye funn vi gjør bare vil føre til flere spørsmål - og de kan være enda mer forvirrende enn de som kom før!
Vi har skrevet mange artikler om atomet for Space Magazine. Her er en artikkel om John Daltons atommodell, Neils Bohrs atommodell, Who Was Democritus ?, og hvor mange atomer er det i universet?
Hvis du vil ha mer informasjon om atomet, kan du sjekke NASAs artikkel om analyse av små prøver, og her er en lenke til NASAs artikkel om atomer, elementer og isotoper.
Vi har også spilt inn en hel episode av Astronomy Cast om Atom. Hør her, Episode 164: Inside The Atom, Episode 263: Radioactive Decay, og Episode 394: The Standard Model, Bosons.
