Откъде знаем, че всичко се състои от атоми?
Планини, звезди, хора - всичко, което виждаме, се състои от малки атоми. Атомите са малки. Много, много. От детството знаем, че цялата материя се състои от купчини от тези малки дреболии. Ние също знаем, че те не могат да се видят с просто око. Принудени сме сляпо да вярваме на тези твърдения, без да можем да ги проверим. Атомите си взаимодействат и правят нашия свят в тухли. Как знаем това? Мнозина не обичат да приемат твърденията на учените за чиста стойност. Нека да вървим заедно с науката от разбирането на атомите за директно доказателство за тяхното съществуване..
Може да изглежда, че има лесен начин да се докаже съществуването на атомите: поставете ги под микроскоп. Но този подход няма да работи. Дори и най-мощните микроскопи, фокусиращи светлината, не могат да визуализират един атом. Обектът става видим, защото отразява светлинните вълни. Атомите са много по-малки от дължината на вълната на видимата светлина, която изобщо не взаимодейства. С други думи, атомите са невидими дори за светлината. Въпреки това, атомите все още имат видими ефекти върху някои неща, които можем да видим..
Преди стотици години, през 1785 г., холандският учен Ян Ингенхауз изучава странен феномен, който не може да разбере. Най-малките частици от въглищния прах подскачаха около повърхността на алкохол в лабораторията му..
50 години по-късно, през 1827 г., шотландският ботаник Робърт Браун описва нещо изненадващо подобно. Изследвайки гранули под цветовете под микроскоп, Браун открива, че някои гранули излъчват малки частици, които след това се отстраняват от полена в случаен нервен танц..
Първоначално Браун смяташе, че частиците са някакъв неизвестен организъм. Той повтори експеримента с други вещества, като каменния прах, който беше очевидно неодушевен, и отново видя странно движение..
Наука трябваше да намери обяснение почти сто години. Айнщайн дошъл и разработил математическа формула, която предричала много специалния вид на движението - тогава наричало Броуновското движение, в чест на Робърт Браун. Теорията на Айнщайн е, че частиците на поленовите гранули постоянно се движат, защото милиони малки водни молекули - молекули, състоящи се от атоми - се разбиват в тях..
"Той обясни, че това нервно движение, което наблюдавате, всъщност е причинено от въздействието на отделни водни молекули върху праховите частици или това, което имате там", обяснява Хари Клиф от университета в Кеймбридж, също куратор на Музея на науката в Лондон..
До 1908 г. наблюденията, подкрепени от изчисления, показаха, че атомите са реални. След десет години физиците напреднаха значително. Разтягайки отделни атоми, те започнаха да разбират вътрешната си структура..
Изненадващо е, че атомите могат да бъдат разделени - особено в светлината на факта, че самото име "атом" произлиза от гръцкия "атом", което означава "неделимо". Но физиците вече знаят, че атомите са далеч от основните тухли. Те се състоят от три основни части: протони, неутрони и електрони. Представете си, че протоните и неутроните заедно образуват „слънце“, или ядро, в центъра на системата. Електроните са в орбитата на това ядро, като планети.
Ако атомите са невъобразимо малки, тогава тези субатомни частици са напълно. Забавно, но първо откри най-малката частица от трите - един електрон. За да разберем разликата в размера, имайте предвид, че протоните в ядрото са 1,830 пъти по-големи от електрона. Представете си chupa chups в орбита на балон - несъответствието ще бъде нещо като.
Но как да знаем, че тези частици са там? Отговорът е, че те са малки, но имат голямо влияние. Британският физик Томсън, който откри електроните, използва отличен метод, за да докаже съществуването си през 1897 година.
Той имаше тръба „Крукс“ - парче стъкло със забавна форма, от което почти целият въздух се изсмукваше от машината. На единия край на тръбата се прилага отрицателен електрически заряд. Този заряд беше достатъчен, за да удари някои електрони от молекулите на газа, който остава в тръбата. Електроните са отрицателно заредени, така че те летяха до другия край на тръбата. Поради частичния вакуум, електроните преминават през тръбата, без да се натъкват на големи атоми по пътя си..
Електрическият заряд доведе до това, че електроните се движеха много бързо - около 59,500 километра в секунда - докато не се блъснаха в стъклото в далечния край, като избиха още повече електрони, които бяха скрити в неговите атоми. Изненадващо, сблъсъкът между тези поразително малки частици произвеждаше толкова много енергия, че създаваше фантастично зелено и жълто сияние..
"В известен смисъл това е един от първите ускорители на частици", казва Клиф. "Той ускорява електроните в единия край на тръбата до другия и те се блъскат в екран в другия край, произвеждайки фосфоресциращ блясък.".
Тъй като Томсън открил, че може да контролира електронните лъчи с магнити и електрически полета, той знаеше, че това не са просто странни лъчи светлина - това са заредени частици..
И ако се интересувате от това как тези електрони могат да летят независимо от техните атоми, това се дължи на процеса на йонизация, в който - в този случай - електрическият заряд променя структурата на атома, като избива електрони в околното пространство..
По-специално, поради факта, че електроните са толкова лесни за манипулиране и движение, електрическите вериги са станали възможни. Електроните в медния проводник се движат като влак от един меден атом към друг - така че жицата се предава през проводника. Атомите, както казахме, не са твърди частици материя, а системи, които могат да бъдат модифицирани или разбити на структурни елементи..
Откритието на електрона показа, че трябва да научите повече за атомите. Работата на Томсън показа, че електроните са отрицателно заредени - но знаеше, че самите атоми нямат общ заряд. Той предположи, че те трябва да съдържат мистериозни положително заредени частици, за да компенсират отрицателно заредените електрони..
Експериментите от началото на 20-ти век разкриват тези положително заредени частици и в същото време разкриват вътрешната структура на атома - подобна на слънчевата система..
Ърнест Ръдърфорд и неговите колеги взеха много тънко метално фолио и го поставиха под лъча на положително заредена радиация - поток от малки частици. По-голямата част от мощната радиация минаваше, както вярваше Ръдърфорд, предвид дебелината на фолиото. Но, за изненада на учените, част от него отскочи.
Ръдърфорд предположи, че атомите в метално фолио трябва да съдържат малки плътни области с положителен заряд - нищо друго няма да има потенциал да отрази такова мощно излъчване. Той открива положителните заряди в атома - и едновременното доказателство, че всички те са свързани в плътна маса, за разлика от електроните. С други думи, той демонстрира съществуването на плътно ядро в един атом.
Имаше проблем. По това време вече можеха да изчислят масата на атома. Но като се имат предвид данните за това колко тежки трябва да бъдат частиците на ядрото, идеята, че всички те са положително заредени, няма смисъл..
"Въглеродът има шест електрона и шест протони в ядрото - шест положителни заряда и шест отрицателни заряда, - обяснява Клиф. - Но въглеродното ядро не тежи шест протона, тежи еквивалента на 12 протони".
Първоначално се предполагаше, че има шест други ядрени частици с маса от протон, но отрицателно заредени: неутрони. Но никой не можеше да го докаже. Всъщност неутроните не могат да бъдат открити до 1930-те години.
Физикът на Кеймбридж Джеймс Чадуик отчаяно се опита да отвори неутрони. Той работи по тази теория в продължение на много години. През 1932 г. той успява да направи пробив..
Преди няколко години други физици експериментираха с радиация. Те пуснаха положително заредена радиация - от типа, която Ръдърфорд използва за търсене на ядрото - в берилиеви атоми. Берилий излъчва собствена радиация: радиация, която не е заредена положително или отрицателно и може да проникне дълбоко в материала..
По това време други са разбрали, че гама-лъчението е неутрално и прониква дълбоко, така че физиците вярват, че емитират го берилиевите атоми. Но Чадуик не мислеше така.
Той самостоятелно произвежда нова радиация и я насочва към вещество, за което знае, че е богато на протони. Изведнъж се оказа, че протоните са изтръгнати от материала, сякаш от частици с еднаква маса - като топки за билярд с други топки.
Гама-лъчението не може да отразява протоните по този начин, така че Чадуик решава, че въпросните частици трябва да имат протонна маса, но различен електрически заряд: а това е неутрони..
Намерени са всички основни частици на атома, но историята не свършва дотук..
Въпреки че научихме много повече за атомите, отколкото сме знаели преди, беше трудно да ги визуализираме. През 30-те години никой не е снимал снимките си - и много хора искали да ги видят, за да приемат тяхното съществуване..
Важно е да се отбележи обаче, че методите, използвани от учени като Thomson, Rutherford и Chadwick, проправиха пътя за ново оборудване, което в крайна сметка ни помогна да произведем тези изображения. Електронните лъчи, които Томсън генерира в експеримента си с тръбата на Крукс, се оказа особено полезен..
Днес такива греди се генерират от електронни микроскопи, а най-мощните от такива микроскопи могат действително да снимат отделни атоми. Това е така, защото един електронен лъч има дължина на вълната хиляди пъти по-къса от светлинния лъч - толкова кратък, всъщност, че електронните вълни могат да отскачат от малки атоми и да създадат картина, която светлинните лъчи не могат.
Нийл Скипър от Университетския колеж в Лондон казва, че такива изображения са полезни за хора, които искат да изучават атомната структура на специални вещества - например тези, използвани при производството на батерии за електрически превозни средства. Колкото повече знаем за тяхната атомна структура, толкова по-добре можем да проектираме батерии, да ги направим ефективни и надеждни..
Можете също така да разберете как атомите изглеждат само чрез тях. Така че всъщност работи микроскопия с атомна сила.
Идеята е да се върне върхът на изключително малка сонда към повърхността на молекула или вещество. С достатъчна близост, сондата ще бъде чувствителна към химичната структура на това, което показва, а промяната в съпротивлението, докато сондата се движи, ще позволи на учените да правят снимки, например, на една молекула..
Наскоро учените публикуваха красиви снимки на молекулата преди и след химическа реакция, използвайки този метод..
Скипър добавя, че много учени-атомници изследват как се променя структурата на нещата, когато са изложени на високо налягане или температура. Повечето хора знаят, че когато веществото се нагрява, често се разширява. Сега можете да откриете атомните промени, които се случват по време на това, което често е полезно..
"Когато се нагрява течност, можете да забележите как нейните атоми имат неподредена конфигурация", казва Скипър. "Можете да го видите директно от структурната карта.".
Скипер и други физици също могат да работят с атоми, използващи неутронни лъчи, открити от Чадуик през 1930 г..
"Ние пускаме много неутронни лъчи в проби от материали и от нововъзникващия модел на разсейване можете да разберете, че разсейвате неутроните в ядрата", казва той..
Но атомите не винаги са само там, в стабилно състояние, чакащи да бъдат проучени. Понякога те се разлагат - т.е. те са радиоактивни..
Има много естествени радиоактивни елементи. Този процес генерира енергията, която е в основата на ядрената енергия - и ядрените бомби. Ядрените физици, като правило, се опитват да разберат по-добре реакциите, при които ядрото преминава през фундаментални промени като тези.
Лора Харкнес-Бреннан от Университета на Ливърпул е специализирана в изучаването на гама лъчи - вида на лъчението, излъчвано от разлагащите се атоми. Определен вид радиоактивен атом излъчва определена форма на гама лъчи. Това означава, че можете да идентифицирате атомите само чрез регистриране на енергията на гама-лъчите - това всъщност е Харкнес-Бренън, което той прави в своята лаборатория..
"Видовете детектори, които трябва да използвате, са представени от детектори, които ви позволяват да измерите както присъствието на радиация, така и енергията на забавено лъчение," казва тя..
Тъй като всички типове атоми могат да присъстват в зоната, където се открива радиация, особено след голяма ядрена реакция, важно е да се знае точно кои радиоактивни изотопи присъстват. Такова откриване обикновено се извършва в атомни станции или в райони, където е възникнала ядрена катастрофа..
Harkness-Brennan и нейните колеги сега работят върху системи за откриване, които могат да бъдат поставени на места, за да се показват в три измерения, където радиацията може да присъства в определена стая. "Имате нужда от оборудване и инструменти, които ще ви позволят да създадете триизмерна карта на пространството и да ви кажа къде е радиацията в тази стая, в тази тръба", казва тя.
Можете също така да визуализирате радиацията в "камерата на Уилсън". В този специален експеримент алкохолната пара, охладена до -40 градуса по Целзий, се напръсква от облак над радиоактивен източник. Заредените частици на лъчение, летящи от източник на радиация, избиват електрони от молекулите на алкохола. Алкохолът се кондензира в течност близо до пътя на емитираните частици. Резултатите от този тип откриване са впечатляващи..
Направихме малко работа директно с атомите - освен ако не разберем, че това са прекрасни сложни структури, които могат да претърпят удивителни промени, много от които се срещат в природата. Изучавайки атомите по този начин, ние подобряваме нашите собствени технологии, извличаме енергия от ядрените реакции и по-добре разбираме естествения свят около нас. Имахме възможността да се защитим от радиация и да проучим как се променят веществата при екстремни условия..
- Като се има предвид колко малък е един атом, просто е невероятно колко физика можем да извлечем от нея - убедително отбелязва Харкснес-Бренън. Всичко, което виждаме около нас, се състои от тези най-малки частици. И е добре да знаете, че те са там, защото благодарение на тях всичко наоколо става възможно..
