Πώς γνωρίζουμε τόσα πολλά για τα άτομα όταν δεν μπορούμε να τα δούμε;

Οι επιστήμονες πειραματίστηκαν και παρατήρησαν στοιχεία και τη συμπεριφορά τους, κάτι που τους βοήθησε να καταλάβουν την ύπαρξη ατόμων και να πλαισιώσουν την ατομική θεωρία.

Η ατομική θεωρία δημιουργήθηκε πολύ πριν από το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης, πράγμα που σημαίνει ότι γνωρίζαμε για τα άτομα πολύ πριν τα δούμε!

Ποιος είπε ποτέ ότι πρέπει να δείτε πράγματα για να μάθετε γι 'αυτούς! Δεν έχουμε δει βαρύτητα, ή ηλεκτρισμό, ή ακόμα και μαγνητισμό και όμως γνωρίζουμε πολλά για αυτά τα πράγματα. Η επιστήμη ήταν πάντα κάπως περίεργη με την έννοια ότι τα πράγματα που είναι γνωστά σε εμάς δεν είναι διαθέσιμα μόνο μέσω της οπτικής παρατήρησης. Η περιέργεια οδηγεί σε όλες τις επιστημονικές ανακαλύψεις, αλλά όταν οι άνθρωποι δεν είχαν αρκετές φυσικές και απτές αποδείξεις, αποδεικνύουν τις θεωρίες τους μέσω έμμεσων αποτελεσμάτων. Αυτή η μέθοδος προσδιορισμού των αποτελεσμάτων είναι το θεμέλιο της σύγχρονης ατομικής θεωρίας.

Γιατί δεν μπορούμε να δούμε άτομα;

Πολύ απλά, γιατί είναι τόσο απίστευτα μικρά! Ένα αντικείμενο είναι ορατό όταν εκτρέπει το φως που πέφτει πάνω του. Το μέγεθος των ατόμων πέφτει μεταξύ 30-300 μ.μ., που είναι περίπου της τάξης των 10-12 μέτρων. Για τα οπτικά μικροσκόπια, τα άτομα είναι αόρατα, δηλαδή τα άτομα δεν αλληλεπιδρούν με τα σωματίδια φωτός, επομένως δεν υπάρχει εκτροπή. Μόλις εμφανίστηκαν τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, είδαμε για πρώτη φορά το άτομο. Μια δέσμη ηλεκτρονίων, η οποία έχει μικρότερο μήκος κύματος από το ορατό φως, διασκορπίζεται όταν χτυπά τον στόχο. αυτή η διασπορά επιτρέπει τη δημιουργία μιας εικόνας. Υπάρχουν πολλά πιο προηγμένα μικροσκόπια που όχι μόνο μας επιτρέπουν να παρατηρούμε άτομα, αλλά βοηθούν και στην κίνηση των ατόμων σε ένα δείγμα για τη μελέτη τους!

Πώς σκεφτήκαμε την ύπαρξη ενός ατόμου;

Η διατύπωση της ατομικής θεωρίας εκτείνεται σε πολλά χρόνια. Ακολουθεί μια στοιχειώδης προσπάθεια να χρονομετρηθεί η διαδικασία διατύπωσης της ατομικής θεωρίας, η οποία ξεκίνησε στην προ-σωκρατική περίοδο.

Εικονογραφική πρόοδος του ατομικού μοντέλου (Photo Credit :Nasky/Shutterstock)

• Ο Δημόκριτος, ο Έλληνας φιλόσοφος, ήταν ο πρώτος που σκέφτηκε τα άτομα. Εάν ένα κομμάτι ύλης χωριστεί σε όλο και μικρότερα μέρη, τότε όλα τα σωματίδια εξακολουθούν να έχουν τις ίδιες ιδιότητες. Αν συνεχίσουμε να διαιρούμε την ύλη, έρχεται μια στιγμή που δεν μπορούμε να τη διαιρέσουμε περαιτέρω. Αυτό το αδιαίρετο σωματίδιο είναι «άτομος». Ένα αξιοσημείωτο πράγμα ήταν ότι οι ατόμοι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου πίστευαν ότι τα άτομα όλης της ύλης ήταν παρόμοια από όλες τις απόψεις.
• Οι διδασκαλίες των ατομιστών χάθηκαν για περίπου δύο χιλιετίες μέχρι το 1800, όταν ο John Dalton πρότεινε για πρώτη φορά μια ατομική θεωρία. Ενώ προσπαθούσε να καταλάβει γιατί τα στοιχεία συνδυάζονται μόνο σε συγκεκριμένες «αναλογίες ακέραιου αριθμού» (όπως 1:2 ή 3:4 κ.λπ.), ο Dalton αποφάσισε ότι πρέπει να υπάρχει ένα αδιαίρετο στερεό, που φέρει μάζα και αδιαίρετο σωματίδιο που είναι μοναδικό για κάθε στοιχείο. Πίστευε ότι επειδή αυτό το μικροσκοπικό σωματίδιο ήταν αδιαίρετο, οι ενώσεις δεν μπορούσαν να συνδυαστούν σε κλασματικές αναλογίες.
• Το «μοντέλο πουτίγκας δαμάσκηνου» του J J Thompson στα τέλη του 19ου αιώνα ήταν το πρώτο μοντέλο που έσπασε τον μύθο του ατόμου ως στερεού σωματιδίου. Το πείραμα του καθοδικού σωλήνα που ανακάλυψε για πρώτη φορά τα ηλεκτρόνια οδήγησε σε μια τροποποίηση του ατομικού μοντέλου. Το νέο μοντέλο δεν ήταν μια συμπαγής μπάλα, αλλά είχε αρνητικό φορτίο που επιπλέει σε μια θάλασσα θετικού φορτίου. (Ήταν μια θετικά φορτισμένη θάλασσα γιατί το άτομο στο σύνολό του ήταν γνωστό ότι ήταν ουδέτερο)
• Το πείραμα με φύλλο χρυσού του Έρνεστ Ράδερφορντ αναγνώρισε περαιτέρω το γεγονός ότι το θετικό φορτίο περιείχε μόνο ένα μικρό μέρος του ατόμου. Επειδή οι περισσότερες ακτίνες άλφα περνούσαν χωρίς εκτροπή, το άτομο έπρεπε να είναι σε μεγάλο βαθμό άδειο. οι λίγες ακτίνες που εκτρέπονταν πιθανότατα είχαν χτυπήσει τον πυρήνα. Το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου αντικαταστάθηκε από το «πυρηνικό μοντέλο» του Ράδερφορντ, αλλά η θέση των ηλεκτρονίων εξακολουθούσε να αμφισβητείται.
• Στις αρχές του 20ου αιώνα είδε την άνοδο της κβαντικής μηχανικής. Ο Μαξ Πλανκ και ο Αϊνστάιν, οι πρωτοπόροι της κβαντικής μηχανικής, εξήγησαν ότι οτιδήποτε κβαντοποιείται επιτρέπεται να λάβει μόνο συγκεκριμένες τιμές. Ο Niels Bohr, ένας Δανός επιστήμονας πίστευε ακράδαντα ότι η δομή ενός ατόμου ήταν παρόμοια με το πλανητικό μοντέλο. Ο Bohr χρησιμοποίησε τη θεωρία της κβαντοποίησης για να εξηγήσει πώς τα ηλεκτρόνια παραμένουν στις τροχιές τους, παρά το γεγονός ότι περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα και επομένως δεν πέφτουν στον πυρήνα.
• Η ανακάλυψη του Erwin Schrödinger για τη διττή συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σωματιδίων και κυμάτων έρχεται σε αντίθεση με την υπόθεση του Bohr ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε συγκεκριμένες τροχιές. Τώρα έχουμε ένα κβαντομηχανικό μοντέλο ατόμου που υπολογίζει την πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου σε μια περιοχή. Αντιφάσκει με την υπόθεση του Bohr ότι οι τροχιές ηλεκτρονίων έχουν συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας.

• Αν και το μοντέλο μπορεί να φαίνεται πλήρες, η μάζα του πυρήνα ήταν ακόμα ένα μυστήριο. Αν και γνωρίζαμε για πρωτόνια και ηλεκτρόνια, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο πυρήνας ζύγιζε περισσότερο από το συνολικό βάρος όλων των πρωτονίων—σχεδόν διπλάσιο! Η ανακάλυψη των νετρονίων (των οποίων η μάζα είναι πολύ παρόμοια με τα πρωτόνια) το 1932 από τον Τσάντγουικ βοήθησε στην ολοκλήρωση του σύγχρονου ατομικού μοντέλου. Η ατομική μάζα του πυρήνα δικαιολογείται πλέον από την παρουσία αυτών των νετρονίων που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα.

Όπως μπορείτε να δείτε, το σύγχρονο ατομικό μοντέλο είναι το αποτέλεσμα πολλών διαφορετικών παρατηρήσεων, ερωτήσεων και πειραμάτων. Εάν παρατηρήσετε τον τρόπο με τον οποίο το μοντέλο έχει εξελιχθεί με τα χρόνια, γίνεται σαφές ότι λόγω της έλλειψης οπτικών δεδομένων που είναι διαθέσιμα για ανάλυση από τους επιστήμονες, βασίστηκαν σε μεγάλο βαθμό σε πειραματικά στοιχεία. Θυμηθείτε, αυτό ήταν πολύ πριν εμφανιστεί το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης!

Υπάρχουν άλλα υποατομικά σωματίδια;

Τα σύγχρονα μικροσκόπια, όπως τα μικροσκόπια δέσμης ηλεκτρονίων και τα μικροσκόπια ανιχνευτών σάρωσης, μας έχουν βοηθήσει να παρατηρήσουμε τη δομή των ατόμων και των νανοσωματιδίων… αλλά υπάρχουν περισσότερα!

Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ κατασκεύασαν έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων που σχεδιάστηκε για την περαιτέρω πυρηνική έρευνα. Δέσμες ηλεκτρονίων επιταχύνθηκαν με ενέργειες 20 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ. Όταν μια τέτοια δέσμη υψηλής ενέργειας στόχευε σε υγρό υδρογόνο και δευτέριο, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια άρχισαν να διασκορπίζονται σε ευρύτερες γωνίες και πιο συχνά από ό,τι αναμενόταν. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, έγινε αντιληπτό ότι υπάρχουν τρία κέντρα σκέδασης στον πυρήνα που προκαλούν το μοτίβο σκέδασης. Αυτή η ανακάλυψη ήταν η πρώτη απόδειξη της ύπαρξης κουάρκ!

Υποατομικά σωματίδια (Photo Credit :Designua/Shutterstock)

Μέχρι πρόσφατα, πιστεύαμε ότι τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ήταν τα πιο θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια, που σημαίνει ότι ήταν αδιαίρετα. Ωστόσο, τα κουάρκ είναι τα πραγματικά στοιχειώδη αδιαίρετα σωματίδια που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια! Τα ηλεκτρόνια, προς το παρόν, πιστεύεται ότι είναι αδιαίρετα, αλλά δεν θα εκπλαγώ αν υπάρχουν περισσότερα!

Η ανακάλυψη του ατόμου και η επακόλουθη ανακάλυψη υποατομικών σωματιδίων αποδεικνύει τη σημασία της παρατήρησης και του πειραματισμού. Ο 20ός αιώνας δεν διέθετε ισχυρά μικροσκόπια για να παρέχει την τόσο αναγκαία οπτική αναφορά, και ωστόσο οι επιστήμονες ήταν σε θέση να μελετήσουν τα άτομα! Κοιτάζοντας την τρέχουσα τάση της τεχνολογίας, θα έχουμε πρόσβαση σε πολύ πιο εξελιγμένες συσκευές στο μέλλον που θα μας βοηθήσουν να προχωρήσουμε με άλματα και όρια—στην καρδιά του κβαντικού βασιλείου και στις μακρινές γωνιές του σύμπαντος!