Od kako računaju vreme, ljudska bića pokušavaju da shvate od čeka se sastoji kosmos i sve ono unutar njega. I dok su drevni žreci i filozofi zamišljali svet sastavljen od četiri ili pet elemenata – zemlje, vode, vazduha, vatre (i metala, odn. svesti) – u klasičnoj antici, filozofi su počeli da teoretišu da se sva materija sastoji zapravo od sićušnih, nevidljivih i nedeljivih atoma.
Građa helijumovog atoma – 2 elektrona, 2 neutrona i 2 protona.
Od tada, naučnici su se uključili u proces daljih otkrića u vezi atoma, nadajući se da će otkriti njihovu pravu prirodu i građu. Do XX veka, naše poznavanje je uznapredovalo do tačke da smo postali kadri da konstruišemo tačan model atoma. A poslednjih decenija, naša saznanja su uznapredovala još dalje, do mere da smo mogli da potvrdimo postojanje gotovo svih njegovih teoretski predskazanih delova.
Danas su atomska istraživanja usredsređena na proučavanje strukture i funkcije materije na subatomskom nivou. Ona nisu samo ograničena na identifikovanje svih subatomskih čestica za koje se misli da učestvuju u građi atoma, već istražuju i sile koje vladaju među njima. To uključuje jaku nuklearnu silu, slabu nuklearnu silu, elektromagnetizam i gravitaciju. Dok neko pametniji ili vredniji, ili jednostavno pozvaniji, na sajtu ne uradi to, hajde da ja predstavim presek svega što do sada znamo o atomu... [Priča je posvećena dr Jeleni M. sa IPB.]
STRUKTURA ATOMA
Prema našim važećim modelima, atom može da se razbije na tri sastavna dela – protone, elektronei neutrone. Svaki od njih ima pripadajući naboj, tj. proton nosi pozitivno naelektrisanje, elektron negativno a neutron je bez naelektrisanja. Prema Standardnom modelufizike čestica, protoni i neutroni čine jezgra atoma ('nukleuse'), dok elektroni kruže u 'oblaku'.
Nils Borov model atoma azota.
Elektrone u atomu privlače protoni u jezgru elektromagnetnom silom. Elektroni mogu da pobegnu sa svojih orbita, ali jedino kao odgovor na neki uticaj spoljnje energije. Što je orbita elektrona bliža jezgru, to je veća privlačna sila; dakle potrebna je jača spoljnja sila da bi se elektron izbio.
Elektroni kruže oko jezgra po višeslojnim orbitama, od kojih svaka odgovara određenom energetskom nivou elektrona. Elektron može da promeni svoje stanje i skoči na viši energetski nivo ako apsorbuje foton sa dovoljno energije koja će ga prevesti u novo kvantno stanje. Isto tako, elektron u višem energetskom stanju može pasti u niže energetsko stanje zračeći višak energije u formi fotona.
Atomi su električki neutralni ako imaju jednak broj protona i elektrona. Atomi koji imaju višak ili manjak elektrona zovu se joni. Elektroni koji su najdalji od jezgra mogu ili da budu razmenjivani između atoma ili ih dva ili više atoma dele među sobom. Koristeći taj mehanizam, atomi su sposobni da se vezuju u molekule i ostale tipove hemijskih jedinjenja.
Sve tri navedene subotomske čestice pripadaju Fermionima, klasi čestica povezanih sa materijom koje mogu biti ili elementarne(elektroni) ili sastavne(protoni i neutroni). To znači da elektroni ne poseduju nama poznatu unutrašnju strukturu, dok je protoni i neutroni imaju – sačinjeni su od drugih subatomskih čestica, kvarkova. U atomima postoje dva tipa kvarkova, koji poseduju delove elementarnog električnog naboja.
Standardni model fiizike čestica je teorija koja opisuje tri od četiri fundamentalne sile (sem gravitacije) u univerzumu i klasifikuje sve poznate elementarne čestice.
Protoni se sastoje od dva 'up' (u)kvarka (svaki sa nabojem od +2/3) i jednog 'down' (d)kvarka (-1/3), dok neutroni imaju jedan 'up' i dva 'down'. Ova distinkcija oblašnjava razliku u naelektrisanju dve čestice, koje iznosi +1 i 0, dok elektron ima naboj od -1.
Ostale subatomske čestice spadaju u grupu koja se zove Leptoni, koji zajedno sa Fermionima čine gradivne blokove materije. Postoje šest leptona u sadašnjem atomskom modelu: čestice elektron, muoni tau, i njima pridruženi neutrini. Različiti varijeteti leptonskih čestica, uobičajeno nazvani 'ukusi', razlikuju se po veličini i naelektrisanju, što utiče na nivo njihovih elektromagnetnih interakcija.
Potom, tu su i Gejdž Bozoni, koji su poznati i kao 'prenosioci sila', jer posreduju u prenošenju fizičkih sila. Naprimer, gluonisu odgovorni za jaku nuklearnu silu koja drži kvarkove zajedno, dok su Wi Z bozoni(još uvek hipotetički) odgovorni za slabu nuklearnu silu u elektromagnetizmu. Fotonisu elementarne čestice koje sačinjavaju svetlost, dok je Higgsov bozonodgovoran za stvaranje mase bozonima W i Z.
ATOMSKA MASA
Ogroman deo atomske mase otpada na protone i neutrone koji čine njegovo jezgro. Od svih atomskih konstituenata u atomu, elektroni imaju najmanju masu, koja iznosi 9,11×10-31kgi čije su dimenzije premale da bi se izmere sadašnjim tehnikama. Protoni imaju masu koja je 1836puta veća od elektrona, 1,6726×10-27kg, dok je neutron najmasivniji od sva tri, i ima 1,6929×10-27kg(1839puta veće od elektrona).
Poređenje masa kvarkova za svih šest ukusa, kao lopte proporcionalnih zapremina. Proton (siva lopta dole levo) i elektron (crvena) su prikazani u razmeri. Prema teoriji, kvarkovi su bez dimenzija...
Ukupan broj protona i neutrona, tzv. nukleona,u atomskom jezgru, zove se maseni broj. Naprimer, elemenat ugljenik-12 zove se tako jer mu je maseni broj 12 – zato što ima 12 nukleona (šest protona i šest neutrona). Međutim, elementi su takođe poređani i prema njihovim atomskim brojevima, što je isto što i broj protona u jezgru. U tom slučaju, ugljenik ima atomski broj 6. Redni broj elementa jednak je atomskom broju.
Vrlo je teško izmeriti stvarnu masu jednog atoma u mirovanju, jer su i najmasivniji atomi prelagani da bi se izrazili u konvencionalnim jedinicama. Zato naučnici često koriste unifikovanu jedinicu mase (u)– nazvanu Dalton (Da)– koja se definiše kao dvanaestina mase slobodnog neutralnog atoma ugljenik-12, i iznosi 1,66×10-27kg.
Hemičari takođe koriste molove, jedinicu definisanu tako da jedan mol svakog elementa uvek poseduje isti broj atoma (oko 6,022×1023). Taj broj je odabran tako da ako neki elemenat ima atomski masu 1 u, mol atoma tog elementa ima masu blisku 1 gramu. Pošto po definiciji unifikovane jedinice mase, svaki atom ugljenika-12 ima atomsku masu tačno 12 u, onda mol atoma ugljenika-12 teži tačno 0,012 kg.
RADIOAKTIVNI RASPAD
Ako dva atoma imaju isti broj protona onda pripadaju istom hemijskom elementu. Ali atomi sa jednakim brojem protona mogu da imaju različit broj neutrona, pa onda kažemo da se radi o različitim izotopimaistog elementa. Ti izotopi su često nestabilni, a svi oni sa atomskim brojem većim od 82 poznati su kao radioaktivni.
Dijagram alfa i beta raspada u dva uranijumova izotopa.
Kad jedan elemenat počne sa raspadom, njegovi nukleusi gube energiju emitujući zračenje, ili kako neki ljudi koji koriste turcizme kažu, radijaciju– koja može da sadrži alfa čestice(atome helijuma), beta čestice(pozitrone) i gama zrake(visokofrekventnu elektromegnetnu energiju). Brzina kojom se nestabilan elemenat raspada zove se vreme poluraspada, jer predstavlja količinu vremena potrebnog da se količina prvobitne materije prepolovi.
Na stabilnost izotopa utiče odnos protona i neutrona. Od 339 različitih vrsta elemenata koji se prirodno pojavljuju na Zemlji, 254 (oko 75%) je označeno kao 'stabilni izotopi' – tj. ne raspadaju se. Dodatnih 34 radioaktivna elementa imaju vreme poluraspada duže od 80 miliona godina, i postoje još od vremena nastanka solarnog sistema (zato se i zovu 'primordijalni elementi').
I konačno, u prirodi se pojavljuje dodatni 51 kratkoživući elemenat, kao 'ćerke elementi' (tj. nuklearni nusprodukti) raspada drugih elemenata (kao što je, recimo, radijum nastao od uranijuma). Uz to, kratkoživući elementi mogu da nastanu kao rezultat prirodnih energetskih procesa na Zemlji, poput bombardovanja kosmičkim zracima (kao npr. ugljenik-14koji se pojavljuje u našoj atmosferi).
ISTORIJA PROUČAVANJA
Najraniji poznati primeri atomske teorije potiču iz vremena drevne Grčke i Indije, kada su filozofi poput Demokritai sl. postavili postulat da je celokupna materija sastavljena od tićušnih, nevidljivih i neuništivih čestica. Naziv 'atom'je skovan u staroj Grčkoj, gde se pojavila i škola mišljena poznata pod imenom 'atomizam'. Ali ta teorija je pre bila filosofski koncept nego naučni.
Različiti atomi i molekuli kako ih je 'objasnio' Džon Daltonu 'Hemijskoj foilosofiji'(1808). Obradio je 20 elemenata i 17 prostih molekula.
Trebalo je da sačekamo sve do XIX veka da teorija o atomima postane deo nauke, najviše zahvaljujući prvim eksperimentalno pribavljenim dokazima. Npr, početkom XIX veka engleski naučnik (hemičar, fizičar, meteorolog i daltonista) Džon Daltonje upotrebio koncept atoma da objasni zbog čega hemijski elementi reaguju na određene uočljive i predvidive načine.
Dalton je počeo sa pitanjem zbog čega elementi reaguju u odnosima malih celih brojeva, i zaključio da se to događa u umnošku diskretnih jedinica ('umnožak proporcija') – drugim rečima, atoma. Tokom serija eksperimenata, koji su uključivali i gasove, Dalton je razvio ono što je postalo poznato kao Daltonova atomska teorija, koja je ostala kao jedan od temelja moderne fizike i hemije.
Teorija se svodila na 5 premisa: elementi, u svom najčistijem stanju, sastoje se od čestica koje zovemo atomi; atomi svakog elementa su identični do poslednjeg; atomi različitih elemenata mogu da se razlikuju po svojim atomskim težinama; atomi elemenata se udružuju u hemijska jedinjenja; atomi ne mogi ni da se stvaraju, ni dele niti unište u hemijskoj reakciji, već samo da se grupišu...
Ali krajem XIX veka, naučnici su počeli da teoretišu da atomi možda sadrže i više od jedne fundamentalne jedinice. Međutim, većina naučnika je verovala da bi ta jedinica trebala da bude veličine najmanjeg poznatog atoma – vodonika. A onda je 1897, nakon serije eksperimenata sa katodnom cevi, fizičar. Dž.Dž. Tomsonobjavio da je otkrio jedinicu koja je 1000 puta manja i 1800 puta lakša od vodonikovog atoma.
Model atoma 'puding od šljiva', koji izgleda kao da su u veliko pozitivno naelektrisanje utisnuti elektroni.
Njegovi eksperimenti su takođe pokazali da su čestice dobijene fotoelektričnim efektom identične onima dobijenim iz radioaktivnim materijalima. Naknadni eksperimenti su otkrili da te čestice prenose električnu struju kroz metalne žice i negativni električni naboj u atomima. Stoga je čestica – koja je prvobitno dobila ime 'korpuskula'– kasnije preimenovana u 'elektron', nakon što ju je 1874. koncepcijski predvideo Irac Džordž Džonston Stoni.
Međutim, Tomson je takođe pretpostavio da su elektroni raspoređeni po čitavom atomu, koji je zamišljao kao jednoobrazno more pozitivnog naboja. To je postalo poznato kao 'Model pudinga od šljiva', što se kasnije ispostavilo kao pogrešno. To se dogodilo 1909, kada su fizičari Hans Gajgeri Ernst Marsden(pod vođstvom Ernesta Raderforda) sprovodili eksperiment koristeći foliju od zlata i alfa čestice.
U skladu sa Daltonovim atomskim modelom, verovalo se da će alfa čestice proći kroz foliju sa malim otklonom. Međutim, mnoge čestice su skretale pod uglovima većim i od 90 stepeni. Da bi to objasnio, Raderford je genijalno pretpostavio da je verovatno pozitivan naboj atoma koncentrisan u malom jezgru u sredini.
1913. fizičar Nils Borje predložio model u kome se elektroni okreću oko jezgra, ali to su mogli da rade samo po ograničenom broju orbita. Takođe je predložio da elektroni mogu da 'preskaču' sa orbite na orbitu, ali samo u diskretnim promenama energije koje odgovaraju apsorbovanju ili zračenju fotona. To ne samo da je poboljšalo Raderfordov predloženi model, već je potstaklo koncept kvantizovanog atoma, gde se materija ponašala u diskretnim paketima.
Eksperiment sa zlatnom folijom koji su izveli Gajger, Marsden i Raderford.
Razvoj masenog spektrometra– koji koristi magnet da savije putanje zraka jona – omogućio je da se izmeri masa atoma sa sve većom preciznošću. Hemičar Frensis Vilijam Astonje iskoristio taj instrument da bi pokazao da izotopi imaju različite mase. To je dovelo do toga da je 1932. fizičar Džejm Čedvikpredložio postojanje neutronakao načina da se objasni postojanje izotopa.
Početkom XX veka kvantna priroda atoma je nastavila svoj razvoj. Nemački fizičari Oto Šterni Valter Gerlahsu 1922. izveli eksperiment u kome su mlaz atoma srebra propustili kroz magnetno polje, sa idejom da razdvoje mlaz prema pravcu ugaonog momenta (ili spina).
Eksperiment Štern–Gerlahje pokazao da će se mlaz razdvojiti na dva dela, u zavisnosti od toga da li je spin atoma orijentisan gore ili dole. 1926, fizičar Ervin Šredingerje ideju da se čestice ponašaju kao talasi upotrebio da razvije matematički model koji je opisivao elektron više kao trodimenzionalni talas nego kao česticu.
Posledica korišćenja talasnih oblika za opisivanje čestica je bila ta da je matematički bilo nemoguće objasniti precizne vrednosti i za položaj i za brzinu čestica u bilo kojem trenutku. Iste godine, Verner Hajzenbergje formulisao taj problem i nazvao ga 'principom neodređenosti'. Prema Hajzenbergu, tačno merenje položaja čestice moguće je jedino u rasponu verovatnih vrednosti brzine, i obrnuto. To nije bila posledica nesavršenosti mernih instrumenata, nego kvantno svojstvo samog posmatranog sistema i bilo ga je nemoguće izbeći upotrebom nekih savršenijih mernih instrumenata. Što je preciznije meren položaj, manje precizno je merena brzina, i obrnuto.
Orbite elektrona u vodonikovom atomu pri različitim energetskim nivoima. Verovatnoća da se tu nalazi elektron data je u boji, a ključ je gore desno.
Baš pred početak II svetskog rata fizičari su otkrili nuklearnu fisiju, zahvaljujući eksperimentima Nobelovca Ota Hana, Lize Majtner i Ota Friša. Hanovi eksperimenti su obuhvatali gađanje uranovih atoma neutronima u nadi da će stvoriti transuranske elemente. Umesto toga, proces je njegov uzorak urana-92 (Ur92) pretvorio u dva nova elementa – barijum (B56) i kripton (Kr27).
Bečlije Majtnerova i Friš su potvrdili eksperiment i pripisali ga uranijumovim atomima koji su se delili na dva elementa sa istom ukupnom atomskom težinom, u procesu koji je usput oslobađao znatnu količinu energije razbijanjem atomskih veza. U godinama koje su usledile, započelo je istraživanje na polju militarizacije ovog procesa (tj. atomske bombe) i dovelo do izgradnje prvih atomskih bombi u SAD 1945. godine.
Nuklearna fisija, gde je atom urana-92 pogođen jednim neutronom i podeljen na atom berilijuma i atom kriptona, kao i tri neutrona. Većina naučnika koji su se bavili ovim temama dobio je Nobelovu nagradu ili je 'bio u šesnaestercu'...
Tokom pedesetih, razvoj unapređenih akceleratora čestica i detektora čestica omogućio je naučnicima da proučavaju sudare atoma koji se kreću pri velikim enegrijama. Odatle je nastao Standardni Modelfizike čestica, koji je uspešno objašnjavao svojstva jezgara, postojanje teorijskih subatomskih čestica, i sila koje upravljaju njihovim interakcijama.
SAVREMENI EKSPERIMENTI
Od druge polovine XX veka, pojavilo se mnogo novih i uzbudljivih otkrića u atomskoj teoriji i kvantnoj mehanici. Npr, duga potraga za Higsovim bozonomdovela je 2012. godine do napretka, jer su naučnici i inženjeri zaposleni u Evropskoj organizaciji za nuklearna istraživanja(CERN) u Švajcarskoj objavili svoje otkriće.
Veliki hadronski kolajder (LHC) u CERN-u od 13 TeV. To je ne samo najveći kolajder, već i najveća mašina na svetu! Nalazi se u tunelu prečnika 27 km na dubini od 175 m. Petabajte podataka koje sakupi, obrađuje mreža od 170 računarskih centara u 42 zemlje sveta.
Poslednjih decenija fizičari su proveli mnogo vremena i energije razvoju jedinstvene teorije polja (tzv. Velika objedinjavajuća teorija, ili Teorija svega). U suštini, odkako je Standardni Model prvi put predložen, naučnici nastoje da razumeju na koji način četiri temeljne sile poznatog kosmosa (gravitacija, jaka i slaba nuklearna sila i elektromagnetizam) deluju zajedno.
Dok se gravitacija da objasniti Ajnštajnovom teorijom relativiteta, dotle se nuklearne sile i elektromagnetizam mogu razumeti uz pomoć kvantne teorije, ali nijedna teorija ne ume da objasni sve četiri sile zajedno. Pokušaj da se to reši doveo je poslednjih godina do brojnih novih teorija, počevši od Teorije strunadoLoop Quantum Gravity(ko zna kako se ovo prevodi). Do danas nijedna od tih teorija nije ostvarila napredak...
Naše razumevanje atoma je prošlo dugačak put, od klasičnih modela koji su ga videli kao inertno telo koje mehanički deluje na druge atome, do modernih teorija u kojima su atomi sastavljeni od energetskih čestica koje se ponašaju nepredvidljivo. Iako nam je trebalo nekoliko hiljada godina, naše poznavanje temeljne strukture celokupne materije je značajno napredovalo.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
