Jak dowiedzieliśmy się, że atomy istnieją?

Paul M. Sutter jest astrofizykiem z The Ohio State University, gospodarzem programów „Ask a Spaceman” i „Space Radio” oraz autorem książki „Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter przyczynił się do powstania tego artykułu w serwisie Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.

W 1808 roku chemik John Dalton opracował bardzo przekonujący argument, który doprowadził do zdumiewającej realizacji: Być może cała materia (tj. rzeczy, rzeczy, przedmioty) jest zbudowana z maleńkich, małych bitów. Podstawowych bitów. Niepodzielnych bitów. Bity atomowe. Atomy.

Koncepcja ta krążyła w kółko przez kilka tysiącleci. Starożytne kultury z pewnością były świadome ogólnej idei, że materia składa się z bardziej fundamentalnych elementów (choć nie zgadzały się co do tego, co dokładnie liczy się jako element) i wiedziały, że elementy te łączą się w interesujący i owocny sposób, tworząc złożone rzeczy, takie jak krzesła i piwo. Ale przez te tysiąclecia nie opuszczało nas pytanie: czy jeśli wyizoluję pojedynczy pierwiastek i podzielę go na pół, a następnie te połówki na pół, i tak dalej, i tak dalej, to czy w końcu znajdę najmniejszy możliwy kawałek pierwiastka, którego nie będę mógł już posiekać? Czy też trwałoby to w nieskończoność?

Powiązane: What Is an Atom?

Po latach starannych badań Dalton znalazł zaskakującą zależność między pierwiastkami. Czasami dwa pierwiastki mogą się łączyć, tworząc różne związki na wiele sposobów i w różnych proporcjach, tak jak może to zrobić cyna i tlen. Ale proporcje każdego pierwiastka w różnych kombinacjach zawsze sprowadzały się do bardzo małych liczb. Gdyby materia była nieskończenie podzielna, bez najmniejszego możliwego kawałka, to każda proporcja powinna być dozwolona.

Odkrył natomiast, że pewna ilość jednego pierwiastka może się połączyć z równą ilością innego pierwiastka. Albo z dwa lub trzy razy większą ilością innego pierwiastka. Dalton znajdował tylko proste proporcje, wszędzie, we wszystkich przypadkach. Jeśli materia była ostatecznie niepodzielna, jeśli była zbudowana z atomów, to tylko proste proporcje i stosunki byłyby dozwolone przy łączeniu pierwiastków.

Wspaniałe masy

100 lat później ta „atomowa” teoria materii nie wydawała się całkowicie bezsensowna. Jedną z najtrudniejszych rzeczy było jednak to, że jeśli atomy naprawdę istniały, to były o wiele, wiele za małe, by je zobaczyć. Jak można było udowodnić istnienie czegoś, czego nie można było bezpośrednio zaobserwować?

Jedna wskazówka dotycząca istnienia atomów pochodziła z nowo powstałych badań termodynamiki. Aby zrozumieć, jak działają silniki cieplne – wraz ze wszystkimi towarzyszącymi im pojęciami, takimi jak temperatura, ciśnienie i entropia – fizycy zdali sobie sprawę, że mogą postrzegać gazy i płyny tak, jakby składały się z niemal niezliczonej ilości maleńkich, nawet mikroskopijnych cząsteczek. Na przykład „temperatura” tak naprawdę mierzy średni ruch tych wszystkich cząsteczek gazu uderzających w termometr i przekazujących mu swoją energię.

To było bardzo przekonujące, a Albert Einstein był wielkim fanem tego rodzaju fizyki. Podobnie jak wszystkie inne fizyki, których stał się fanem, Einstein je zrewolucjonizował.

Zainteresował go w szczególności problem ruchu Browna, opisany po raz pierwszy w 1827 roku przez Roberta Browna (stąd nazwa). Jeśli wrzuci się duże ziarno do płynu, obiekt ma tendencję do poruszania się i skakania dookoła zupełnie sam z siebie. Po kilku starannie przeprowadzonych eksperymentach Brown zdał sobie sprawę, że nie ma to nic wspólnego z prądami powietrza lub cieczy.

Ruch Browna był tylko jednym z tych przypadkowych, niewyjaśnionych faktów z życia, ale Einstein dostrzegł w tym wskazówkę. Traktując ciecz jako coś złożonego z atomów, był w stanie wyprowadzić wzór na to, jak bardzo niezliczone zderzenia cząsteczek cieczy będą poruszać ziarnem. A stawiając to połączenie na solidnym matematycznym gruncie, był w stanie zapewnić drogę do przejścia od czegoś, co można zobaczyć (jak bardzo ziarno porusza się w danym czasie) do czegoś, czego nie można (masa cząsteczek płynu).

Innymi słowy, Einstein dał nam sposób na zważenie atomu.

Te „stany zjednoczone”

I właśnie wtedy, gdy ludzie poczuli się komfortowo z rozmiarem tych maleńkich cząsteczek materii, myśląc, że muszą to być najmniejsze rzeczy, jakie są możliwe, pojawił się ktoś, kto to skomplikował.

Równolegle z Einsteinem działał cudownie utalentowany eksperymentator o nazwisku J.J. Thomson. Pod koniec XIX wieku zachwycił się on upiornymi wiązkami światła, znanymi jako promienie katodowe. Jeśli umieścisz kilka elektrod w szklanej rurce, wyssiesz z niej całe powietrze, a następnie zwiększysz napięcie na elektrodach, otrzymasz musujący blask, który wydaje się emanować z jednej z elektrod, a dokładnie z katody. Stąd promienie katodowe.

Zjawisko to zrodziło pytania dla fizyków. Co powodowało świecenie? W jaki sposób ładunki – o których wówczas wiedziano, że są związane z pojęciem elektryczności, ale poza tym były tajemnicze – były związane z tym blaskiem? Thomson złamał kod, a) tworząc najlepszą lampę próżniową, jaką kiedykolwiek stworzono i b) umieszczając całą aparaturę w bardzo silnym polu elektrycznym i magnetycznym. Jeśli ładunki były w jakiś sposób zaangażowane w ten katodowy interes, to lepiej uwierz, że słuchałyby tych pól.

I słuchały. Promień katodowy wyginał się pod wpływem zarówno pola elektrycznego, jak i magnetycznego. Fascynujące! Oznaczało to, że świecący kawałek był związany z ładunkami; gdyby światło było w jakiś sposób oddzielone od ładunków, przepłynęłoby prosto przez nie, bez względu na zakłócenia pola. Oznaczało to również, że promienie katodowe są zrobione z tego samego materiału co elektryczność.

Poprzez porównanie ilości ugięć promieni w polach elektrycznych i magnetycznych, Thomson mógł wyprowadzić pewną matematykę i opracować pewne właściwości tych ładunków. I tu właśnie J.J. zdobył swoją Nagrodę Nobla: Te „korpuskuły” (jego słowo) były około 2000 razy mniejsze od wodoru, najlżejszego znanego pierwiastka, a zatem najmniejszego atomu. Te „elektrony” (słowo wszystkich innych) były naprawdę niezwykłe.

Srebro i złoto

Do następnej generacji naukowców należało rozwiązanie zagadek, jakie przyniosły wyniki Thomsona. Przede wszystkim: Jak coś może być mniejsze od atomu i co to oznacza dla struktury samych atomów?

To właśnie były student Thomsona, Ernest Rutherford, wraz z własnymi studentami Hansem Geigerem i Ernestem Marsdenem, postanowili strzelać do złota, aby zobaczyć, co się stanie. Naukowcy wybrali złoto, ponieważ mogli wytwarzać bardzo cienkie arkusze tego materiału, co oznaczało, że mogli być pewni, iż badają fizykę atomową. I wystrzelili bardzo małe pociski: cząstki alfa, które są naładowanymi atomami helu. Cząstki te są małe, ciężkie i szybkie – idealne pociski naukowe.

Jak badacze ćwiczyli celowanie, większość cząstek alfa przelatywała przez złoto jak przez bibułę. Ale raz na jakiś czas cząstki odlatywały w przypadkowym kierunku. I raz na jakiś czas (około 1 na 20 000 strzałów, i tak, naukowcy liczyli ręcznie), cząstka alfa odbiła się rykoszetem od złota, roztrzaskując się z powrotem na drodze, którą przyszła.

Powiązane: 5 najbardziej pomysłowych eksperymentów z dziedziny astronomii i fizyki

Niesamowite! Co te małe cząsteczki mówiły nam o atomach złota? Jedyne wytłumaczenie, które miało sens, naukowcy doszli do wniosku, że ogromna większość masy atomu była skoncentrowana w bardzo małej objętości. A to „jądro” musi być naładowane dodatnio. Skoro całkowity ładunek atomu musi być neutralny, to elektrony musz± być bardzo malutkie i pływać, orbituj±c lub tańcz±c wokół j±dra w luĽnej chmurze.

Więc, kiedy cząstki alfa przebijały się przez jądro, prawie zawsze napotykały na zwykłą pustą przestrzeń. Ale jakaś wyjątkowo pechowa cząstka mogła odbić się od jądra – lub, co gorsza, uderzyć w nie głową, drastycznie zmieniając trajektorię pocisku.

W ten sposób, prawie sto lat po tym, jak Dalton przedstawił ostateczne argumenty za istnieniem niepodzielnego atomu, i w tym samym czasie, gdy Einstein dostarczył sposobu na bezpośredni pomiar tych atomów, Thomson i Rutherford odkryli, że atom wcale nie jest niepodzielny. Zamiast tego składa się z jeszcze bardziej maleńkich kawałków.

Więc w tym samym czasie, gdy ugruntowaliśmy teorię atomu, po raz pierwszy poznaliśmy świat subatomowy. Od tego momentu zrobiło się dużo bardziej bałaganiarsko.

• 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’

Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „How Did We Figure Out That Stuff Is Made Of Atoms?” w podcaście „Ask a Spaceman”, dostępnym w iTunes i w sieci pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Billa S. za pytania, które doprowadziły do powstania tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze używając #AskASpaceman lub śledząc Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Śledź nas na Twitterze @Spacedotcom i na Facebooku.