Siden tidens begyndelse har mennesker forsøgt at forstå, hvad universet og alt i det består af. Og mens antikke magi og filosoffer blev udtænkt af en verden sammensat af fire eller fem elementer - jord, luft, vand, ild (og metal eller bevidsthed) - af den klassiske antik, begyndte filosoffer at teoretisere, at al materie faktisk var sammensat af små, usynlige og udelelige atomer.
Siden den tid har videnskabsmænd deltaget i en proces med løbende opdagelse med atomet i håb om at opdage dets sande natur og makeup. I det 20. århundrede blev vores forståelse forbedret til det punkt, at vi var i stand til at konstruere en nøjagtig model af den. Og inden for det seneste årti er vores forståelse kommet videre, til det punkt, at vi er kommet til at bekræfte eksistensen af næsten alle dets teoretiserede dele.
I dag er atomforskningen fokuseret på at studere struktur og funktion af stof på det subatomære niveau. Dette består ikke kun i at identificere alle de subatomære partikler, der menes at udgøre et atom, men undersøge de kræfter, der styrer dem. Disse inkluderer stærke nukleare kræfter, svage nukleare kræfter, elektromagnetisme og tyngdekraft. Her er en oversigt over alt det, vi er kommet til at lære om atomet indtil videre ...
Atomets struktur:
Vores nuværende model af atomet kan opdeles i tre bestanddele - protoner, neutroner og elektroner. Hver af disse dele har en tilknyttet ladning, med protoner, der bærer en positiv ladning, elektroner med en negativ ladning, og neutroner, der ikke har nogen nettoladning. I overensstemmelse med standardmodellen for partikelfysik udgør protoner og neutroner atomens kerne, mens elektroner går i kredsløb i en "sky".
Elektronerne i et atom tiltrækkes af protonerne i kernen af den elektromagnetiske kraft. Elektroner kan flygte fra deres bane, men kun som svar på en ekstern energikilde, der anvendes. Jo nærmere elektronets bane til kernen, jo større er den attraktive kraft; jo stærkere den eksterne kraft kræves for at få et elektron til at flygte.
Elektroner kredser rundt om kernen i flere kredsløb, som hver svarer til et bestemt energiniveau i elektronet. Elektronen kan ændre sin tilstand til et højere energiniveau ved at absorbere en foton med tilstrækkelig energi til at øge den til den nye kvantetilstand. Ligeledes kan en elektron i en tilstand med højere energi falde til en lavere energitilstand, mens den overskydende energi udstråles som en foton.
Atomer er elektrisk neutrale, hvis de har et lige stort antal protoner og elektroner. Atomer, der enten har et underskud eller et overskud af elektroner kaldes ioner. Elektroner, der er længst væk fra kernen, kan overføres til andre atomer i nærheden eller deles mellem atomer. Ved denne mekanisme er atomer i stand til at binde sig til molekyler og andre typer kemiske forbindelser.
Alle tre af disse subatomære partikler er Fermions, en klasse af partikler, der er forbundet med stof, der enten er elementær (elektroner) eller komposit (protoner og neutroner) i naturen. Dette betyder, at elektronerne ikke har nogen kendt indre struktur, mens protoner og neutroner består af andre subatomære partikler. kaldte kvarker. Der er to typer kvarker i atomer, som har en brøkdel elektrisk ladning.
Protoner er sammensat af to “op” -kvarker (hver med en ladning på +2/3) og en “ned” -kvark (-1/3), mens neutroner består af en op-kvark og to ned-kvarker. Denne sondring tegner sig for forskellen i ladning mellem de to partikler, der 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 at danne byggestenene til stof. Der er seks leptoner i den nuværende atommodel: elektron-, muon- og tau-partiklerne og deres tilknyttede neutrinoer. De forskellige sorter af Lepton-partiklerne, ofte kaldet ”smagsstoffer”, er differentieret efter deres størrelse og ladninger, hvilket påvirker niveauet for deres elektromagnetiske interaktion.
Derefter er der Gauge Bosons, der er kendt som "styrkebærere", da de mægler fysiske kræfter. For eksempel er gluoner ansvarlige for den stærke atomkraft, der holder kvarker sammen, mens W og Z-bosoner (stadig hypotetisk) menes at være ansvarlige for den svage atomkraft bag elektromagnetismen. Fotoner er den elementære partikel, der udgør lys, mens Higgs Boson er ansvarlig for at give W- og Z-bosonerne deres masse.
Atomisk masse:
Størstedelen af en atoms masse kommer fra protoner og neutroner, der udgør dens kerne. Elektroner er det mindst massive af et atoms bestanddele, med en masse på 9,11 x 10-31 kg og en størrelse, der er for lille til at blive målt ved hjælp af nuværende teknikker. Protoner har en masse, der er 1.836 gange elektronens, ved 1.6726 × 10-27 kg, mens neutroner er de mest massive af de tre, på 1,6929 × 10-27 kg (1.839 gange elektronens masse).
Det samlede antal protoner og neutroner i et atoms kerne (kaldet "nukleoner") kaldes massetallet. For eksempel kaldes elementet Carbon-12, fordi det har et massetal på 12 - afledt af dets 12 nukleoner (seks protoner og seks neutroner). Imidlertid er elementer arrangeret baseret på deres atomnummer, hvilket er det samme som antallet af protoner, der findes i kernen. I dette tilfælde har carbon et atomnummer på 6.
Den faktiske masse af et atom i hvile er meget vanskeligt at måle, da selv de mest massive atomer er for lette til at udtrykke i konventionelle enheder. Som sådan bruger forskere ofte den samlede atommasseenhed (u) - også kaldet dalton (Da) - som er defineret som en tolvtedel af massen af et frit neutralt atom med carbon-12, som er ca. 1,66 × 10-27 kg.
Kemikere bruger også mol, en enhed defineret som en mol af ethvert element, der altid har det samme antal atomer (ca. 6.022 × 1023). Dette antal blev valgt således, at hvis et element har en atommasse på 1 u, har en mol atomer af dette element en masse tæt på et gram. På grund af definitionen af den samlede atommasseenhed har hvert carbon-12 atom en atommasse på nøjagtigt 12 u, og derfor vejer en mol carbon-12 atomer nøjagtigt 0,012 kg.
Radioaktivt henfald:
Alle to atomer, der har det samme antal protoner, hører til det samme kemiske element. Men atomer med et lige stort antal protoner kan have et andet antal neutroner, som defineres som forskellige isotoper af det samme element. Disse isotoper er ofte ustabile, og det er kendt, at alle dem med et atomnummer over 82 er radioaktive.
Når et element gennemgår forfald, mister dets kerne energi ved at udsende stråling - som kan bestå af alfa-partikler (heliumatomer), beta-partikler (positroner), gammastråler (højfrekvent elektromagnetisk energi) og konverteringselektroner. Den hastighed, hvormed et ustabilt element forfalder, er kendt som dets "halveringstid", hvilket er den tidsperiode, der kræves for at elementet falder til halvdelen af dets oprindelige værdi.
Stabiliteten af en isotop påvirkes af forholdet mellem protoner og neutroner. Af de 339 forskellige typer elementer, der forekommer naturligt på Jorden, er 254 (ca. 75%) blevet mærket som ”stabile isotoper” - dvs. ikke udsat for forfald. Yderligere 34 radioaktive elementer har halveringstider længere end 80 millioner år og har også eksisteret siden det tidlige solsystem (derfor hvorfor de kaldes ”primordiale elementer”).
Endelig vides yderligere 51 kortlivede elementer at forekomme naturligt som "datterelementer" (dvs. nukleare biprodukter) af forfaldet af andre elementer (såsom radium fra uran). Derudover kan kortvarige radioaktive elementer være resultatet af naturlige energiske processer på Jorden, såsom kosmisk strålebombardement (for eksempel carbon-14, der forekommer i vores atmosfære).
Studiens historie:
De tidligste kendte eksempler på atomteori kommer fra det gamle Grækenland og Indien, hvor filosofer som Democritus postulerede, at al materie var sammensat af små, udelelige og uforglemmelige enheder. Udtrykket "atom" blev myntet i det gamle Grækenland og gav anledning til tankegangen, kendt som "atomisme". Denne teori var dog mere et filosofisk begreb end en videnskabelig.
Først i det 19. århundrede blev atomteorien artikuleret som en videnskabelig sag, hvor de første evidensbaserede eksperimenter blev udført. For eksempel brugte den engelske videnskabsmand John Dalton i begyndelsen af 1800-tallet begrebet atom til at forklare, hvorfor kemiske elementer reagerede på visse observerbare og forudsigelige måder.
Dalton begyndte med spørgsmålet om, hvorfor elementer reagerede i forhold mellem små heltal, og konkluderede, at disse reaktioner forekom i hele antallet af multipla diskrete enheder - med andre ord atomer. Gennem en række eksperimenter, der involverede gasser, fortsatte Dalton med at udvikle det, der er kendt som Daltons atomteori, som stadig er en af hjørnestenene i moderne fysik og kemi.
Teorien kommer til fem lokaler: elementer, i deres reneste tilstand, består af partikler kaldet atomer; atomer i et specifikt element er alle de samme, helt ned til det sidste atom; atomer fra forskellige elementer kan fortælles fra hinanden ved hjælp af deres atomvægte; atomer af elementer forenes for at danne kemiske forbindelser; atomer kan hverken oprettes eller ødelægges ved kemisk reaktion, kun grupperingen ændrer sig nogensinde.
I slutningen af det 19. århundrede begyndte forskere at teoretisere, at atomet var sammensat af mere end en grundlæggende enhed. De fleste forskere turdede sig dog, at denne enhed ville være størrelsen på det mindste kendte atom - brint. Og så i 1897, gennem en række eksperimenter ved hjælp af katodestråler, fysiker J.J. Thompson meddelte, at han havde opdaget en enhed, der var 1000 gange mindre og 1800 gange lettere end et brintatom.
Hans eksperimenter viste også, at de var identiske med partikler, der blev afgivet af den fotoelektriske virkning og af radioaktive materialer. Efterfølgende eksperimenter afslørede, at denne partikel førte elektrisk strøm gennem metaltråde og negative elektriske ladninger inden i atomer. Derfor blev partiklen - der oprindeligt blev navngivet et "corpuscle" - senere ændret til "elektron", efter partiklen George Johnstone Stoney's forudsagt i 1874.
Imidlertid postulerede Thomson også, at elektroner var fordelt over atomet, hvilket var et ensartet hav med positiv ladning. Dette blev kendt som ”blommepuddingmodellen”, som senere skulle bevises forkert. Dette fandt sted i 1909, da fysikerne Hans Gieger og Ernest Marsden (under ledelse af Ernest Rutherfod) gennemførte deres eksperiment ved hjælp af metalfolie og alfa-partikler.
I overensstemmelse med Daltons atommodel troede de, at alfapartiklerne ville passere lige gennem folien med lidt afbøjning. Imidlertid blev mange af partiklerne afbøjet i vinkler over 90 °. For at forklare dette foreslog Rutherford, at den positive ladning af atomet koncentreres i en lille kerne i midten.
I 1913 foreslog fysiker Niels Bohr en model, hvor elektroner kredsede om kernen, men kun kunne gøre det i et endeligt sæt baner. Han foreslog også, at elektroner kunne hoppe mellem kredsløb, men kun i diskrete energiforandringer svarende til optagelse eller stråling af en foton. Denne raffinerede ikke kun Rutherfords foreslåede model, men gav også anledning til begrebet et kvantiseret atom, hvor materien opførte sig i diskrete pakker.
Udviklingen af massespektrometeret - der bruger en magnet til at bøje banen til en ione-stråle - gjorde det muligt at måle atomenes masse med øget nøjagtighed. Kemiker Francis William Aston brugte dette instrument til at vise, at isotoper havde forskellige masser. Dette blev igen fulgt op af fysiker James Chadwick, som i 1932 foreslog neutronen som en måde at forklare eksistensen af isotoper.
Gennem det tidlige 20. århundrede blev atommernes kvante karakter yderligere udviklet. I 1922 gennemførte de tyske fysikere Otto Stern og Walther Gerlach et eksperiment, hvor en stråle af sølvatomer blev dirigeret gennem et magnetfelt, der var beregnet til at opdele strålen mellem retningen af atomernes vinkelmoment (eller spin).
Kendt som Stern – Gerlach-eksperimentet var resultaterne, at strålen delte sig i to dele, afhængigt af om atomernes omdrejning var orienteret op eller ned. I 1926 brugte fysikeren Erwin Schrodinger ideen om, at partikler opfører sig som bølger til at udvikle en matematisk model, der beskrev elektroner som tredimensionelle bølgeformer snarere end blot partikler.
En konsekvens af at bruge bølgeformer til at beskrive partikler er, at det er matematisk umuligt at opnå nøjagtige værdier for både en partikles position og momentum på et givet tidspunkt. Samme år formulerede Werner Heisenberg dette problem og kaldte det ”usikkerhedsprincippet”. Ifølge Heisenberg kan man for en given nøjagtig måling af position kun opnå en række sandsynlige værdier for momentum, og vice versa.
I 1930'erne opdagede fysikere nuklear fission takket være eksperimenterne fra Otto Hahn, Lise Meitner og Otto Frisch. Hahn's eksperimenter involverede at dirigere neutroner mod uranatomer i håb om at skabe et transuraniumelement. I stedet vendte processen hans prøve af uranium-92 (Ur92) i to nye elementer - barium (B56) og krypton (Kr27).
Meitner og Frisch verificerede eksperimentet og tilskrev det uranatomer, der splittede for at danne to elementer med den samme samlede atomvægt, en proces, som også frigav en betydelig mængde energi ved at bryde atombindingerne. I de efterfølgende år begyndte forskning på den mulige våbenføring af denne proces (dvs. atomvåben) og førte til opførelsen af de første atombomber i USA i 1945.
I 1950'erne gav udviklingen af forbedrede partikelacceleratorer og partikeldetektorer forskere mulighed for at undersøge virkningen af atomer, der bevæger sig ved høje energier. Fra dette blev standardmodellen for partikelfysik udviklet, som hidtil med succes har forklaret egenskaberne ved kernen, eksistensen af teoretiske subatomiske partikler og de kræfter, der styrer deres interaktion.
Moderne eksperimenter:
Siden sidste halvdel af det 20. århundrede har der været mange nye og spændende opdagelser med hensyn til atomteori og kvantemekanik. I 2012 førte for eksempel den lange søgning efter Higgs Boson til et gennembrud, hvor forskere, der arbejdede ved Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning (CERN) i Schweiz, annoncerede sin opdagelse.
I de senere årtier er fysikere dedikeret meget tid og energi til udviklingen af en samlet feltteori (alias Grand Unifying Theory eller Theory of Everything). I det væsentlige har forskere, siden standardmodellen først blev foreslået, forsøgt at forstå, hvordan de fire grundlæggende kræfter i universet (tyngdekraft, stærke og svage kernekræfter og elektromagnetisme) fungerer sammen.
Mens tyngdekraften kan forstås ved hjælp af Einsteins relativitetsteorier, og nukleare kræfter og elektromagnetisme kan forstås ved hjælp af kvanteteori, kan ingen af teorierne redegøre for alle fire kræfter, der arbejder sammen. Forsøg på at løse dette har ført til en række foreslåede teorier i årenes løb, lige fra strengteori til sløjfemængde. Indtil videre har ingen af disse teorier ført til et gennembrud.
Vores forståelse af atomet er nået langt fra klassiske modeller, der så det som et inert fast stof, der interagerede med andre atomer mekanisk, til moderne teorier, hvor atomer er sammensat af energiske partikler, der opfører sig uforudsigeligt. Selvom det har taget flere tusinde år, er vores viden om den grundlæggende struktur i al materie fremskredet markant.
Og alligevel er der stadig mange mysterier, der endnu ikke skal løses. Med tid og fortsat indsats kan vi endelig låse atomets sidste resterende hemmeligheder op. Endnu en gang kan det meget vel være, at enhver ny opdagelse, vi gør, kun vil give anledning til flere spørgsmål - og de kan være endnu mere forvirrende end dem, der kom før!
Vi har skrevet mange artikler om atomet til Space Magazine. Her er en artikel om John Daltons atommodel, Neils Bohrs atommodel, Hvem var demokrat? Og hvor mange atomer er der i universet?
Hvis du vil have mere information om atomet, kan du tjekke NASAs artikel om analyse af små prøver, og her er et link til NASAs artikel om atomer, elementer og isotoper.
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast alt om Atom. Lyt her, Afsnit 164: Inside Atom, Afsnit 263: Radioaktivt forfald og Afsnit 394: Standardmodellen, Bosons.
