С незапамятных времен люди стремились понять, из чего состоит вселенная и все в ней. И в то время как древние маги и философы представляли мир, состоящий из четырех или пяти элементов - земли, воздуха, воды, огня (и металла, или сознания) - еще в классической античности, философы начали теоретизировать, что вся материя на самом деле состоит из крошечных, невидимые и неделимые атомы.
С того времени ученые постоянно участвуют в процессе открытия атома, надеясь раскрыть его истинную природу и структуру. К 20 веку наше понимание стало более точным, и мы смогли построить точную модель этого. И за последнее десятилетие наше понимание продвинулось еще дальше, и мы пришли к подтверждению существования почти всех его теоретизированных частей.
Сегодня атомные исследования направлены на изучение структуры и функции вещества на субатомном уровне. Это не только идентификация всех субатомных частиц, которые, как считается, составляют атом, но и исследование сил, которые управляют ими. К ним относятся сильные ядерные силы, слабые ядерные силы, электромагнетизм и гравитация. Вот разбивка всего, что мы пришли, чтобы узнать об атоме до сих пор ...
Структура атома:
Наша текущая модель атома может быть разбита на три составные части - протоны, нейтроны и электроны. Каждая из этих частей имеет связанный заряд с протонами, несущими положительный заряд, электронами, имеющими отрицательный заряд, и нейтронами, не имеющими суммарного заряда. В соответствии со Стандартной моделью физики частиц протоны и нейтроны составляют ядро атома, а электроны вращаются вокруг него в «облаке».
Электроны в атоме притягиваются к протонам в ядре электромагнитной силой. Электроны могут сбежать со своей орбиты, но только в ответ на применение внешнего источника энергии. Чем ближе орбита электрона к ядру, тем больше сила притяжения; следовательно, чем сильнее внешняя сила, необходимая для побега электрона.
Электроны вращаются вокруг ядра по нескольким орбитам, каждая из которых соответствует определенному уровню энергии электрона. Электрон может изменить свое состояние на более высокий энергетический уровень, поглощая фотон с достаточной энергией, чтобы перевести его в новое квантовое состояние. Аналогично, электрон в состоянии с более высокой энергией может перейти в состояние с более низкой энергией при излучении избыточной энергии в виде фотона.
Атомы электрически нейтральны, если имеют одинаковое количество протонов и электронов. Атомы, которые имеют либо дефицит, либо избыток электронов, называются ионами. Электроны, которые находятся дальше всего от ядра, могут быть переданы другим соседним атомам или распределены между атомами. Благодаря этому механизму атомы могут связываться в молекулы и другие типы химических соединений.
Все три эти субатомные частицы представляют собой фермионы, класс частиц, связанных с веществом, которое является элементарным (электроны) или составным (протоны и нейтроны) по своей природе. Это означает, что электроны не имеют известной внутренней структуры, тогда как протоны и нейтроны состоят из других субатомных частиц. называется кварками. Есть два типа кварков в атомах, которые имеют дробный электрический заряд.
Протоны состоят из двух «восходящих» кварков (каждый с зарядом +2/3) и одного «нисходящего» кварка (-1/3), в то время как нейтроны состоят из одного восходящего кварка и двух нижних кварков. Это различие объясняет разницу в заряде между двумя частицами, которая достигает заряда +1 и 0 соответственно, в то время как электроны имеют заряд -1.
Другие субатомные частицы включают лептоны, которые в сочетании с фермионами образуют строительные блоки материи. В настоящей модели атома имеется шесть лептонов: электрон, мюон и тау-частицы и связанные с ними нейтрино. Различные разновидности лептонных частиц, обычно называемые «ароматизаторами», различаются по размеру и зарядам, что влияет на уровень их электромагнитных взаимодействий.
Кроме того, существуют калибровочные бозоны, которые известны как «носители силы», поскольку они опосредуют физические силы. Например, глюоны ответственны за сильную ядерную силу, которая удерживает кварки вместе, в то время как бозоны W и Z (все еще гипотетические), как полагают, ответственны за слабую ядерную силу, стоящую за электромагнетизмом. Фотоны - это элементарная частица, которая составляет свет, в то время как бозон Хиггса отвечает за то, чтобы дать бозонам W и Z их массу.
Атомная масса:
Большая часть массы атома происходит от протонов и нейтронов, составляющих его ядро. Электроны являются наименее массивной из составляющих частиц атома, с массой 9,11 х 10-31 кг и размер слишком мал, чтобы быть измеренным с помощью современных методов. Масса протонов в 1,836 раза больше массы электрона при 1,6726 × 10-27 кг, в то время как нейтроны являются самыми массивными из трех, при 1,6929 × 10-27 кг (1839 раз больше массы электрона).
Общее количество протонов и нейтронов в ядре атомов (называемых «нуклонами») называется массовым числом. Например, элемент Углерод-12 назван так, потому что он имеет массовое число 12 - получен из его 12 нуклонов (шесть протонов и шесть нейтронов). Тем не менее, элементы также расположены на основе их атомных номеров, который равен числу протонов, найденных в ядре. В этом случае углерод имеет атомный номер 6.
Реальную массу атома в состоянии покоя очень трудно измерить, поскольку даже самые массивные атомы слишком легки, чтобы выразить их в обычных единицах. Как таковые, ученые часто используют единую атомную единицу массы (u) - также называемую дальтон (Da) - которая определяется как двенадцатая часть массы свободного нейтрального атома углерода-12, которая составляет приблизительно 1,66 × 10.-27 кг.
Химики также используют родинки, единицу, определенную как один моль любого элемента, всегда имеющего одинаковое количество атомов (около 6,022 × 10).23). Это число было выбрано так, что если элемент имеет атомную массу 1 ед., Моль атомов этого элемента имеет массу, близкую к одному грамму. Из-за определения единой атомной единицы массы каждый атом углерода-12 имеет атомную массу ровно 12 ед., И поэтому моль атомов углерода-12 весит ровно 0,012 кг.
Радиоактивный распад:
Любые два атома с одинаковым количеством протонов принадлежат одному химическому элементу. Но атомы с одинаковым количеством протонов могут иметь разное количество нейтронов, которые определяются как разные изотопы одного и того же элемента. Эти изотопы часто нестабильны, и известно, что все изотопы с атомным номером более 82 радиоактивны.
Когда элемент подвергается распаду, его ядро теряет энергию, испуская излучение, которое может состоять из альфа-частиц (атомы гелия), бета-частиц (позитронов), гамма-лучей (высокочастотная электромагнитная энергия) и электронов преобразования. Скорость, с которой нестабильный элемент распадается, называется его «периодом полураспада», который представляет собой количество времени, необходимое для того, чтобы элемент упал до половины его первоначального значения.
На стабильность изотопа влияет отношение протонов к нейтронам. Из 339 различных типов элементов, которые встречаются в природе на Земле, 254 (около 75%) были помечены как «стабильные изотопы», т.е. не подвержены распаду. Еще 34 радиоактивных элемента имеют период полураспада более 80 миллионов лет, а также существуют с ранней Солнечной системы (поэтому они и называются «первичными элементами»).
Наконец, известно, что еще 51 короткоживущий элемент встречается в природе как «дочерние элементы» (то есть ядерные побочные продукты) распада других элементов (таких как радий из урана). Кроме того, короткоживущие радиоактивные элементы могут быть результатом естественных энергетических процессов на Земле, таких как бомбардировка космическими лучами (например, углерод-14, который происходит в нашей атмосфере).
История обучения:
Самые ранние известные примеры атомной теории пришли из древней Греции и Индии, где такие философы, как Демокрит, постулировали, что вся материя состоит из крошечных, неделимых и неразрушимых единиц. Термин «атом» был придуман в древней Греции и дал начало школе мысли, известной как «атомизм». Однако эта теория была скорее философской концепцией, чем научной.
Лишь в 19 веке теория атомов стала формулироваться как научный вопрос, когда проводились первые эксперименты, основанные на доказательствах. Например, в начале 1800-х годов английский ученый Джон Далтон использовал концепцию атома, чтобы объяснить, почему химические элементы реагировали определенными наблюдаемыми и предсказуемыми способами.
Дальтон начал с вопроса о том, почему элементы реагировали в соотношениях малых целых чисел, и пришел к выводу, что эти реакции происходили в целых числах, кратных дискретным единицам - другими словами, атомам. Через серию экспериментов с газами Далтон продолжил разработку так называемой атомной теории Далтона, которая остается одним из краеугольных камней современной физики и химии.
Теория сводится к пяти предпосылкам: элементы в чистом виде состоят из частиц, называемых атомами; атомы определенного элемента все одинаковы, вплоть до самого последнего атома; атомы разных элементов можно отличить по атомному весу; атомы элементов объединяются в химические соединения; атомы не могут быть ни созданы, ни разрушены в химической реакции, меняется только группировка.
К концу 19 века ученые начали теоретизировать, что атом состоит из более чем одной фундаментальной единицы. Однако большинство ученых решалось, что эта единица будет размером с самый маленький из известных атомов - водород. А затем в 1897 году, проведя серию экспериментов с использованием катодных лучей, физик Дж.Дж. Томпсон объявил, что он обнаружил устройство, которое было в 1000 раз меньше и в 1800 раз легче атома водорода.
Его эксперименты также показали, что они были идентичны частицам, испускаемым фотоэлектрическим эффектом и радиоактивными материалами. Последующие эксперименты показали, что эта частица несла электрический ток через металлические провода и отрицательные электрические заряды внутри атомов. Следовательно, почему частица, которая первоначально называлась «корпускулой», была позже изменена на «электронную», после того, как частица Джорджа Джонстона Стони была предсказана в 1874 году.
Тем не менее, Томсон также постулировал, что электроны распределены по всему атому, который представляет собой однородное море положительного заряда. Это стало известно как «модель сливового пудинга», которая позже окажется ошибочной. Это произошло в 1909 году, когда физики Ханс Гигер и Эрнест Марсден (под руководством Эрнеста Резерфода) провели эксперимент с использованием металлической фольги и альфа-частиц.
В соответствии с атомной моделью Далтона, они полагали, что альфа-частицы будут проходить прямо через фольгу с небольшим отклонением. Однако многие частицы были отклонены на углы, превышающие 90 °. Чтобы объяснить это, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в центре.
В 1913 году физик Нильс Бор предложил модель, в которой электроны вращались вокруг ядра, но могли делать это только на конечном наборе орбит. Он также предположил, что электроны могут прыгать между орбитами, но только при дискретных изменениях энергии, соответствующих поглощению или излучению фотона. Это не только доработало предложенную Резерфордом модель, но и дало начало концепции квантованного атома, где вещество ведет себя в дискретных пакетах.
Разработка масс-спектрометра, использующего магнит для изгибания траектории пучка ионов, позволила измерять массу атомов с повышенной точностью. Химик Фрэнсис Уильям Астон использовал этот инструмент, чтобы показать, что изотопы имеют разные массы. За этим в свою очередь последовал физик Джеймс Чедвик, который в 1932 году предложил нейтрон для объяснения существования изотопов.
В начале 20-го века квантовая природа атомов получила дальнейшее развитие. В 1922 году немецкие физики Отто Стерн и Вальтер Герлах провели эксперимент, в котором пучок атомов серебра был направлен через магнитное поле, которое предназначалось для расщепления пучка между направлением углового момента (или спина) атомов.
Результаты, известные как эксперимент Штерна-Герлаха, привели к тому, что луч раскололся на две части, в зависимости от того, было ли вращение атомов направлено вверх или вниз. В 1926 году физик Эрвин Шредингер использовал идею о частицах, ведущих себя как волны, чтобы разработать математическую модель, которая описывает электроны как трехмерные формы волны, а не просто частицы.
Следствием использования сигналов для описания частиц является то, что математически невозможно получить точные значения как положения, так и импульса частицы в любой момент времени. В том же году Вернер Гейзенберг сформулировал эту проблему и назвал ее «принципом неопределенности». Согласно Гейзенбергу, для данного точного измерения положения можно получить только диапазон вероятных значений для импульса, и наоборот.
В 1930-х годах физики обнаружили ядерное деление благодаря экспериментам Отто Хана, Лизы Мейтнер и Отто Фриша. Эксперименты Хана включали направление нейтронов на атомы урана в надежде создать трансурановый элемент. Вместо этого процесса получился его образец урана-92 (Ур92) на два новых элемента - барий (B56) и криптон (Кр27).
Мейтнер и Фриш проверили эксперимент и приписали его расщеплению атомов урана с образованием двух элементов с одинаковым общим атомным весом, процесс, который также высвобождает значительное количество энергии путем разрыва атомных связей. В последующие годы началось исследование возможного вооружения этого процесса (то есть ядерного оружия), которое привело к созданию первых атомных бомб в США к 1945 году.
В 1950-х годах разработка усовершенствованных ускорителей частиц и детекторов частиц позволила ученым изучить влияние атомов, движущихся при высоких энергиях. Исходя из этого, была разработана Стандартная модель физики элементарных частиц, которая до сих пор успешно объясняла свойства ядра, существование теоретических субатомных частиц и силы, которые управляют их взаимодействиями.
Современные эксперименты:
Со второй половины 20-го века, много новых и интересных открытий было сделано в отношении атомной теории и квантовой механики. Например, в 2012 году долгий поиск бозона Хиггса привел к прорыву, когда исследователи из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии объявили о своем открытии.
В последние десятилетия физики посвятили много времени и энергии разработке единой теории поля (ака. Великая объединяющая теория или теория всего). По сути, с тех пор, как Стандартная Модель была впервые предложена, ученые пытались понять, как четыре фундаментальные силы Вселенной (гравитация, сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм) работают вместе.
Принимая во внимание, что гравитация может быть понята, используя теории относительности Эйнштейна, и ядерные силы и электромагнетизм могут быть поняты, используя квантовую теорию, ни одна теория не может объяснить все четыре силы, работающие вместе. Попытки решить эту проблему привели к появлению ряда предлагаемых теорий на протяжении многих лет, начиная от теории струн и кончая квантовой гравитацией. На сегодняшний день ни одна из этих теорий не привела к прорыву.
Наше понимание атома прошло долгий путь: от классических моделей, которые рассматривали его как инертное твердое тело, механически взаимодействующее с другими атомами, до современных теорий, в которых атомы состоят из энергетических частиц, которые ведут себя непредсказуемо. Хотя на это ушло несколько тысяч лет, наши знания о фундаментальной структуре всей материи значительно расширились.
И все же остается много загадок, которые еще предстоит разгадать. Со временем и постоянными усилиями мы можем, наконец, раскрыть последние оставшиеся секреты атома. С другой стороны, вполне может быть, что любые новые открытия, которые мы сделаем, вызовут только больше вопросов - и они могут быть еще более запутанными, чем те, что были раньше!
Мы написали много статей об атоме для журнала Space. Вот статья об атомной модели Джона Далтона, атомной модели Нилса Бора «Кто был Демокрит?» И сколько атомов во Вселенной?
Если вам нужна дополнительная информация об атоме, ознакомьтесь со статьей НАСА об анализе крошечных образцов и вот ссылку на статью НАСА об атомах, элементах и изотопах.
Мы также записали целую серию Астрономических Законов об Атоме. Послушайте здесь, Эпизод 164: Внутри атома, Эпизод 263: радиоактивный распад и Эпизод 394: Стандартная модель, бозоны.
