Jak jsme přišli na to, že atomy existují?

Paul M. Sutter je astrofyzik na Ohio State University, moderátor pořadů „Ask a Spaceman“ a „Space Radio“ a autor knihy „Your Place in the Universe“ (Prometheus Books, 2018). Sutter přispěl tímto článkem do rubriky Space.com Expert Voices:

V roce 1808 vypracoval chemik John Dalton velmi přesvědčivý argument, který vedl k úžasnému zjištění: Možná, že veškerá hmota (tj. věci, předměty, objekty) je tvořena malými, drobnými kousky. Základních kousků. Nedělitelné kousky. Atomárních bitů. Atomy.

Tato myšlenka se s přestávkami objevovala po několik tisíciletí. Starověké kultury si jistě byly vědomy obecné myšlenky, že hmota se skládá z více základních prvků (i když se dost neshodly na tom, co přesně se za prvek považuje), a věděly, že tyto prvky se zajímavým a plodným způsobem kombinují a vytvářejí složité věci, jako jsou židle a pivo. Ale po celá ta tisíciletí přetrvávala otázka: Když izoluju jeden prvek a rozkrájím ho na polovinu, pak ty poloviny rozkrájím na polovinu a tak dále a tak dále, najdu nakonec nejmenší možný kousek prvku, který už nebudu moci rozkrájet? Nebo by to šlo do nekonečna?

Související:

Po letech pečlivého zkoumání zjistil Dalton překvapivý vztah mezi jednotlivými prvky. Někdy se dva prvky mohou kombinovat a vytvářet různé sloučeniny více způsoby s různými poměry, jako to může dělat cín a kyslík. Poměry jednotlivých prvků v různých kombinacích se však vždy redukovaly na velmi malá čísla. Pokud by hmota byla nekonečně dělitelná, bez nejmenšího možného kousku, pak by měl být přípustný jakýkoli poměr.

Místo toho zjistil, že určité množství jednoho prvku se může kombinovat se stejným množstvím jiného prvku. Nebo s dvojnásobkem či trojnásobkem jiného prvku. Dalton našel pouze jednoduché poměry, a to všude a ve všech případech. Pokud by hmota byla v konečném důsledku nedělitelná, pokud by se skládala z atomů, pak by při kombinování prvků byly přípustné pouze jednoduché poměry a poměry.

Množství

O sto let později se tato „atomová“ teorie hmoty nezdála být zcela nesmyslná. Jednou z nejnáročnějších věcí na ní však bylo, že pokud atomy skutečně existovaly, byly příliš, příliš malé na to, aby byly vidět. Jak byste mohli dokázat existenci něčeho, co nemůžete přímo pozorovat?

Jedno vodítko k existenci atomů přineslo nově zavedené studium termodynamiky. Aby pochopili, jak fungují tepelné motory – spolu se všemi doprovodnými pojmy, jako je teplota, tlak a entropie -, uvědomili si fyzikové, že na plyny a kapaliny mohou pohlížet, jako by se skládaly z téměř nespočetného množství malých, dokonce mikroskopických částic. Například „teplota“ ve skutečnosti měří průměrný pohyb všech těchto částic plynu, které narážejí na váš teploměr a předávají mu svou energii.

To bylo docela přesvědčivé a Albert Einstein byl velkým fanouškem těchto druhů fyziky. Stejně jako všechny ostatní fyzikální obory, jejichž fanouškem se stal, způsobil Einstein jejich revoluci.

Zajímal ho zejména problém Brownova pohybu, který poprvé popsal již v roce 1827 Robert Brown (odtud název). Vhodíte-li velké zrnko do kapaliny, má objekt tendenci kmitat a poskakovat zcela sám od sebe. A po několika pečlivě provedených pokusech Brown zjistil, že to nemá nic společného se vzduchem ani s prouděním tekutiny.

Brownův pohyb byl jen jedním z náhodných nevysvětlitelných faktů života, ale Einstein v něm viděl vodítko. Tím, že považoval kapalinu za něco, co se skládá z atomů, dokázal odvodit vzorec pro to, jak moc nesčetné srážky částic kapaliny toto zrnko pošťouchnou. A tím, že toto spojení postavil na pevnou matematickou půdu, byl schopen poskytnout cestu, jak přejít od něčeho, co lze vidět (jak moc se zrnko pohne za daný čas), k něčemu, co vidět nelze (hmotnost částic tekutiny).

Jinými slovy, Einstein nám dal způsob, jak zvážit atom.

Tyto „spojené státy“

A právě když se lidé začali smiřovat s velikostí těchto nepatrných kousků hmoty a mysleli si, že to musí být ty nejmenší možné věci, přišel někdo, kdo to zkomplikoval.

Souběžně s Einsteinem působil úžasně nadaný experimentátor jménem J. J. Thomson. Na konci 19. století ho zaujaly přízračné paprsky světla známé jako katodové. Pokud do skleněné trubice vložíte několik elektrod, vysajete z trubice všechen vzduch a pak na elektrodách zvýšíte napětí, získáte šumivou záři, která jako by vycházela z jedné z elektrod, přesněji z katody. Proto katodové paprsky.

Tento jev vyvolal u fyziků otázky. Co způsobuje tuto záři? Jak s touto září souvisely náboje – o nichž se v té době vědělo, že souvisejí s pojmem elektřina, ale jinak byly záhadné? Thomson to rozluštil tím, že a) vyrobil tu nejlepší vakuovou trubici, jakou kdy kdo měl, a b) celý přístroj umístil do supersilného elektrického a magnetického pole. Pokud byly náboje nějak zapojeny do této záležitosti s katodovými paprsky, pak věřte, že by těmto polím naslouchaly.

A naslouchaly. Katodový paprsek by se pod vlivem elektrického i magnetického pole ohnul. Fascinující! To znamenalo, že ten svítící kousek byl spojen se samotnými náboji; kdyby bylo světlo nějak odděleno od nábojů, pak by proplouvalo přímo skrz, bez ohledu na rušení polem. A také to znamenalo, že katodové paprsky jsou ze stejného materiálu jako elektřina.

Při porovnání velikosti vychýlení paprsků v elektrických polích a v magnetických polích mohl Thomson odvodit některé matematické údaje a zjistit některé vlastnosti těchto nábojů. A tady si J. J. vysloužil Nobelovu cenu: Tyto „korpuskule“ (jeho slovo) byly asi 2000krát menší než vodík, nejlehčí známý prvek, a tedy nejmenší atom. Tyto „elektrony“ (slovo všech ostatních) byly skutečně pozoruhodné.

Stříbro a zlato

Bylo na další generaci vědců, aby vyřešili hádanky, které Thomsonovy výsledky vyvolaly. A co bylo nejdůležitější: Jak může být něco menšího než atom a co to znamená pro strukturu samotných atomů?

Byl to Thomsonův bývalý student Ernest Rutherford, který se spolu se svými studenty Hansem Geigerem a Ernestem Marsdenem rozhodl střílet do zlata, aby zjistil, co se stane. Vědci si vybrali zlato, protože z tohoto materiálu mohli vyrobit velmi tenké pláty, což znamenalo, že si parta mohla být jistá, že zkoumá atomovou fyziku. A stříleli velmi malé střely: částice alfa, což jsou nabité atomy helia. Tyto částice jsou malé, těžké a rychlé – ideální vědecké střely.

Když se vědci věnovali cvičnému míření, většina částic alfa proplouvala zlatem, jako by to byl hedvábný papír. Čas od času se však částice rozletěly náhodným směrem. A jednou za čas (asi 1 z každých 20 000 výstřelů, ano, vědci počítali ručně) se alfa částice odrazila od zlata a vrátila se zpět, odkud přišla.

Related: Pět nejgeniálnějších experimentů v astronomii a fyzice

Úžasné! Co nám tyto malé částice říkaly o atomech zlata? Vědci dospěli k závěru, že jediné vysvětlení, které dává smysl, je, že naprostá většina hmotnosti atomu je soustředěna ve velmi malém objemu. A toto „jádro“ musí být kladně nabité. Protože celkový náboj atomu musel být neutrální, pak elektrony musely být velmi velmi malé a plavat, obíhat nebo tančit kolem tohoto jádra ve volném oblaku.

Když tedy částice alfa proletěly skrz, téměř vždy narazily jen na obyčejný prázdný prostor. Ale částice, která měla velkou smůlu, se mohla odrazit od jádra – nebo ještě hůře, narazit do něj čelně – a dramaticky změnit trajektorii střely.

Téměř sto let poté, co Dalton přesvědčivě dokázal existenci nedělitelného atomu, a ve stejné době, kdy Einstein poskytoval způsob, jak tyto atomy přímo měřit, Thomson a Rutherford zjistili, že atom vůbec není nedělitelný. Místo toho se skládal z ještě drobnějších kousků.

Takže ve stejné době, kdy jsme upevnili atomovou teorii, jsme poprvé okusili subatomární svět.

• Ultracold Atoms Provide Insight into Early Universe’s Dramatic Expansion
• These ‚Spooky‘ Entangled Atoms Just Brought Quantum Computing One Step Closer
• Scientists Create ‚Star Trek‘ Themed ‚Atom Art‘

Learn more by listening to the episode „How Did We Figure Out That Stuff Is Made Of Atoms?“ v podcastu „Ask a Spaceman“, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Děkujeme Billu S. za otázky, které vedly k tomuto článku! Položte svou vlastní otázku na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paula @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás na Twitteru @Spacedotcom a na Facebooku.