Hogyan jöttünk rá, hogy atomok léteznek?

Paul M. Sutter a The Ohio State University asztrofizikusa, a “Ask a Spaceman” és a “Space Radio” műsorvezetője, valamint a “Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018) című könyv szerzője. Sutter ezzel a cikkel járult hozzá a Space.com szakértői hangok című műsorához: Op-Ed & Insights.

1808-ban John Dalton kémikus egy nagyon meggyőző érvet dolgozott ki, amely elképesztő felismeréshez vezetett: Talán minden anyag (azaz anyag, dolog, tárgy, tárgy) apró, kis darabkákból áll. Alapvető bitekből. Oszthatatlan bitekből. Atomi bitekből. Atomokból.

A koncepció néhány évezreden keresztül lebegett a levegőben. Az ősi kultúrák minden bizonnyal tisztában voltak azzal az általános elképzeléssel, hogy az anyag alapvetőbb elemekből áll (bár abban eléggé nem értettek egyet, hogy pontosan mi számít elemnek), és tudták, hogy ezek az elemek érdekes és gyümölcsöző módon kombinálódnak, hogy összetett dolgokat, például székeket és sört alkossanak. De az évezredek során a kérdés továbbra is fennállt: ha izolálok egy elemet, és kettévágom, majd ezeket a feleket is kettévágom, és így tovább, és így tovább, vajon megtalálom-e végül a lehető legkisebb elemdarabot, amelyet már nem tudok tovább aprítani? Vagy ez a végtelenségig folytatódna?

Related: Mi az atom?

Az évekig tartó gondos vizsgálat után Dalton meglepő összefüggést talált az elemek között. Néha két elem többféleképpen, különböző arányban egyesülve különböző vegyületeket alkothat, mint például az ón és az oxigén. De az egyes elemek aránya a különböző kombinációkban mindig nagyon kis számokra redukálódott. Ha az anyag végtelenül osztható lenne, és nem létezne a legkisebb lehetséges bit, akkor bármilyen aránynak megengedhetőnek kellene lennie.

Ehelyett azt találta, hogy az egyik elem bizonyos mennyisége kombinálódhat egy másik elem azonos mennyiségével. Vagy a másik elem kétszeresével vagy háromszorosával. Dalton csak egyszerű arányokat talált, mindenhol, minden esetben. Ha az anyag végső soron oszthatatlan, ha atomokból áll, akkor az elemek kombinálásakor csak egyszerű arányok és arányok lennének megengedettek.

Tetemes tömegek

Száz évvel később az anyagnak ez az “atomi” elmélete már nem tűnt teljesen képtelenségnek. Az egyik legnagyobb kihívást azonban az jelentette, hogy ha az atomok valóban léteztek, akkor túlságosan, túlságosan kicsik voltak ahhoz, hogy lássuk őket. Hogyan lehetett volna bizonyítani valaminek a létezését, amit nem lehetett közvetlenül megfigyelni?

Az atomok létezésének egyik nyomát az újonnan létrehozott termodinamikai tanulmányok adták. Annak érdekében, hogy megértsék, hogyan működnek a hőmotorok – az összes kapcsolódó fogalommal együtt, mint a hőmérséklet, a nyomás és az entrópia – a fizikusok rájöttek, hogy a gázokat és folyadékokat úgy tekinthetik, mintha szinte számtalan apró, akár mikroszkopikus méretű részecskéből állnának. Például a “hőmérséklet” valójában azoknak a gázrészecskéknek az átlagos mozgását méri, amelyek beleütköznek a hőmérőbe, és energiájukat átadják neki.

Ez elég meggyőző volt, és Albert Einstein nagy rajongója volt az ilyen típusú fizikának. Akárcsak az összes többi fizikát, amelynek rajongója lett, Einstein forradalmasította.

Őt különösen a Brown-mozgás problémája érdekelte, amelyet először még 1827-ben írt le Robert Brown (innen a neve). Ha egy nagy szemcsét egy folyadékba dobunk, a tárgy hajlamos arra, hogy teljesen magától imbolyogjon és ugráljon. És néhány gondosan elvégzett kísérlet után Brown rájött, hogy ennek semmi köze a levegőhöz vagy a folyadékáramlatokhoz.

A Brown-mozgás csak egyike volt az élet véletlenszerű, megmagyarázhatatlan tényeinek, de Einstein meglátta benne a nyomot. Azzal, hogy a folyadékot úgy kezelte, mint valami atomokból álló dolgot, képes volt levezetni egy képletet arra, hogy a folyadék részecskéinek számtalan ütközése mennyire löki meg ezt a szemcsét. És azzal, hogy ezt az összefüggést szilárd matematikai alapokra helyezte, képes volt egy utat biztosítani ahhoz, hogy valami olyasmitől, amit láthatunk (mennyit mozog a szemcse egy adott idő alatt), eljussunk valamihez, amit nem láthatunk (a folyadék részecskéinek tömege).

Más szóval, Einstein megadta nekünk a módját annak, hogyan mérjünk meg egy atomot.

Ezek az “egyesült államok”

És amikor az emberek már kezdtek megbarátkozni ezeknek a parányi anyagdarabkáknak a méretével, és azt gondolták, hogy ezeknek a lehető legkisebb dolgoknak kell lenniük, jött valaki, aki ezt bonyolította.

Az Einsteinnel párhuzamosan dolgozott egy csodálatosan tehetséges kísérletező, J. J. Thomson. Az 1800-as évek végén a katódsugaraknak nevezett kísérteties fénysugarakkal kezdett elkápráztatni. Ha néhány elektródát egy üvegcsőbe dugunk, kiszívjuk az összes levegőt a csőből, majd felpörgetjük az elektródák feszültségét, egy pezsgő fényt kapunk, amely látszólag az egyik elektródából, pontosabban a katódból indul ki. Innen a katódsugárzás.

Ez a jelenség kérdéseket vetett fel a fizikusokban. Mi okozta a ragyogást? Hogyan kapcsolódtak a töltések – amelyekről akkoriban tudták, hogy az elektromosság fogalmához kapcsolódnak, de egyébként rejtélyesek voltak – ehhez az izzáshoz? Thomson úgy fejtette meg a kódot, hogy a) elkészítette a valaha létezett legjobb vákuumcsövet, és b) az egész készüléket szupererős elektromos és mágneses mezőbe helyezte. Ha a töltések valahogyan részt vettek ebben a katódsugár-ügyben, akkor jobb, ha elhiszed, hogy figyeltek ezekre a mezőkre.

És figyeltek is. A katódsugár elhajlott mind az elektromos, mind a mágneses mezők hatására. Lenyűgöző! Ez azt jelentette, hogy az izzó rész kapcsolatban állt magukkal a töltésekkel; ha a fény valahogyan elkülönülne a töltésektől, akkor egyenesen átvitorlázna, függetlenül a mező interferenciájától. És ez azt is jelentette, hogy a katódsugarak ugyanabból az anyagból készültek, mint az elektromosság.

Az elektromos és a mágneses mezőkben történő sugárelhajlás mértékének összehasonlításával Thomson le tudott vezetni néhány matematikai számítást, és ki tudta számítani e töltések néhány tulajdonságát. És itt J.J. kiérdemelte a Nobel-díját: Ezek a “korpuszkulák” (az ő szava) körülbelül 2000-szer kisebbek voltak, mint a hidrogén, a legkönnyebb ismert elem és ezért a legkisebb atom. Ezek az “elektronok” (mindenki más szava) valóban figyelemre méltóak voltak.

Az ezüst és az arany

A tudósok következő generációján múlott, hogy megoldják a Thomson eredményei által felvetett rejtélyeket. Ami a legfontosabb: Hogyan lehet valami kisebb, mint egy atom, és mit jelent ez maguknak az atomoknak a szerkezetére nézve?

Thomson saját korábbi tanítványa, Ernest Rutherford volt az, aki saját tanítványaival, Hans Geigerrel és Ernest Marsdennel együtt úgy döntött, hogy aranyra lőnek dolgokat, hogy megnézzék, mi történik. A tudósok azért választották az aranyat, mert nagyon vékony lapokat tudtak készíteni az anyagból, vagyis a banda biztos lehetett abban, hogy az atomfizikát vizsgálják. És nagyon apró lövedékeket lőttek: alfa-részecskéket, amelyek a hélium töltött atomjai. Ezek a részecskék kicsik, nehezek és gyorsak – tökéletes tudományos lövedékek.

Amíg a kutatók lőgyakorlatot végeztek, az alfa-részecskék többsége úgy szelte át az aranyat, mintha az selyempapír lenne. Néha-néha azonban a részecskék véletlenszerű irányba száguldottak el. És egyszer-egyszer (körülbelül minden 20 000 lövésből 1, és igen, a tudósok kézzel számolták) egy alfa-részecske visszapattant az aranyról, és visszapattant oda, ahonnan jött.

Hoz kapcsolódóan: Az 5 legzseniálisabb kísérlet a csillagászatban és a fizikában

Elképesztő! Mit árultak el ezek a kis részecskék az aranyatomokról? A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy az egyetlen értelmes magyarázat az volt, hogy az atom tömegének túlnyomó többsége egy nagyon kis térfogatban összpontosul. Ennek a “magnak” pedig pozitív töltésűnek kell lennie. Mivel az atom teljes töltésének semlegesnek kellett lennie, akkor az elektronoknak nagyon-nagyon aprónak kellett lenniük, és úszkálniuk, keringeniük vagy táncolniuk kellett az atommag körül egy laza felhőben.

Az alfa-részecskék tehát, amikor átrobogtak, szinte mindig csak sima üres térrel találkoztak. De egy nagyon szerencsétlen részecske lecsapódhatott – vagy ami még rosszabb, frontálisan eltalálhatta – az atommagot, drámaian megváltoztatva a lövedék röppályáját.

Így, majdnem száz évvel azután, hogy Dalton meggyőzően érvelt az oszthatatlan atom létezése mellett, és ugyanakkor, amikor Einstein módot adott az atomok közvetlen mérésére, Thomson és Rutherford felfedezte, hogy az atom egyáltalán nem oszthatatlan. Ehelyett még apróbb darabokból áll.

Az atomelmélet megszilárdításával egy időben kaptunk először ízelítőt a szubatomi világból. Onnantól kezdve minden sokkal kuszább lett.

• A hideg atomok betekintést nyújtanak az Univerzum korai drámai tágulásába
• Ezek a “kísértetiesen” összefonódott atomok egy lépéssel közelebb hozták a kvantumszámítást
• Tudósok “Star Trek” témájú “Atom Art”-ot hoztak létre

Tudj meg többet a “Hogyan jöttünk rá, hogy a dolgok atomokból állnak?” című epizód meghallgatásával.” a “Ask a Spaceman” podcaston, amely elérhető az iTunes-on és az interneten a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Bill S.-nek a kérdésekért, amelyek ehhez a cikkhez vezettek! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman használatával, vagy kövesse Pault @PaulMattSutter és a facebook.com/PaulMattSutter oldalon. Kövess minket a Twitteren @Spacedotcom és a Facebookon.