Cum ne-am dat seama că atomii există?

Paul M. Sutter este astrofizician la The Ohio State University, gazda emisiunilor „Ask a Spaceman” și „Space Radio” și autorul cărții „Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter a contribuit cu acest articol la emisiunea Expert Voices de pe Space.com: Op-Ed & Insights.

În 1808, chimistul John Dalton a dezvoltat un argument foarte convingător care a dus la o realizare uimitoare: Poate că toată materia (adică lucrurile, lucrurile, obiectele) este alcătuită din mici, mici bucățele. Bucăți fundamentale. Biți indivizibili. Biți atomici. Atomi.

Conceptul plutea de câteva milenii. Culturile antice erau cu siguranță conștiente de ideea generală că materia era compusă din mai multe elemente fundamentale (deși nu erau de acord destul de mult cu privire la ce anume conta ca element) și știau că aceste elemente se combinau în moduri interesante și fructuoase pentru a face lucruri complexe, cum ar fi scaunele și berea. Dar, de-a lungul acestor milenii, întrebarea a persistat: dacă aș izola un singur element și l-aș tăia în două, apoi aș tăia acele jumătăți în două, și așa mai departe, aș găsi în cele din urmă cea mai mică bucățică posibilă de element pe care nu aș mai putea să o tai? Sau ar continua la infinit?

Relaționat: Ce este un atom?

După ani de examinare atentă, Dalton a descoperit o relație surprinzătoare între elemente. Uneori, două elemente se pot combina pentru a forma diverși compuși în mai multe moduri, cu proporții diferite, așa cum pot face staniul și oxigenul. Dar proporțiile fiecărui element în diferitele combinații se reduceau întotdeauna la numere foarte mici. Dacă materia era divizibilă la infinit, fără cel mai mic bit posibil, atunci orice proporție ar trebui să fie permisă.

În schimb, a constatat că o anumită cantitate dintr-un element se poate combina cu o cantitate egală dintr-un alt element. Sau cu de două sau trei ori mai mult decât celălalt element. Dalton a găsit doar proporții simple, peste tot, în toate cazurile. Dacă materia era în cele din urmă indivizibilă, dacă era formată din atomi, atunci numai proporțiile și raporturile simple ar fi fost permise atunci când se combină elementele.

Mase terestre

O sută de ani mai târziu, această teorie „atomică” a materiei nu părea complet absurdă. Cu toate acestea, unul dintre cele mai provocatoare lucruri legate de ea era faptul că, dacă atomii existau cu adevărat, aceștia erau mult, mult prea mici pentru a fi văzuți. Cum puteai dovedi existența a ceva ce nu puteai observa în mod direct?

Un indiciu al existenței atomilor a venit din studiile nou stabilite ale termodinamicii. Pentru a înțelege cum funcționau motoarele termice – împreună cu toate conceptele aferente, cum ar fi temperatura, presiunea și entropia – fizicienii și-au dat seama că puteau să privească gazele și fluidele ca și cum ar fi fost compuse dintr-o cantitate aproape nenumărată de particule mici, chiar microscopice. De exemplu, „temperatura” măsoară, de fapt, mișcarea medie a tuturor acelor particule de gaz care se lovesc de termometrul dumneavoastră, transferându-i energia lor.

Acest lucru a fost destul de convingător, iar Albert Einstein a fost un mare fan al acestor tipuri de fizică. La fel ca toate celelalte fizici de care a devenit un fan, Einstein le-a revoluționat.

A fost interesat, în special, de problema mișcării browniene, descrisă pentru prima dată în 1827 de Robert Brown (de unde și numele). Dacă aruncați un grăunte mare în interiorul unui fluid, obiectul tinde să se miște și să sară în jurul său complet de unul singur. Și după câteva experimente executate cu atenție, Brown și-a dat seama că acest lucru nu are nimic de-a face cu aerul sau curenții de fluid.

Mișcarea browniană era doar unul dintre acele fapte aleatorii și inexplicabile ale vieții, dar Einstein a văzut în asta un indiciu. Tratând fluidul ca pe ceva compus din atomi, el a fost capabil să obțină o formulă pentru cât de mult nenumăratele coliziuni de la particulele de fluid ar împinge acel grăunte în jur. Și prin așezarea acestei conexiuni pe un teren matematic solid, el a reușit să ofere o cale pentru a trece de la ceva ce se poate vedea (cât de mult se deplasează grăuntele într-o anumită perioadă de timp) la ceva ce nu se poate vedea (masa particulelor fluidului).

Cu alte cuvinte, Einstein ne-a oferit o modalitate de a cântări un atom.

Aceste „state unite”

Și tocmai când oamenii se simțeau confortabil cu dimensiunea acestor minuscule bucățele de materie, gândindu-se că acestea trebuie să fie cele mai mici lucruri posibile, cineva a venit să complice lucrurile.

Operând în paralel cu Einstein a fost un experimentalist minunat de talentat pe nume J.J. Thomson. La sfârșitul anilor 1800, el a devenit încântat de fasciculele fantomatice de lumină cunoscute sub numele de raze catodice. Dacă băgați câțiva electrozi în interiorul unui tub de sticlă, aspirați tot aerul din tub, apoi creșteți tensiunea pe electrozi, obțineți o strălucire efervescentă care pare să emane de la unul dintre electrozi, mai exact de la catod. De aici, razele catodice.

Acest fenomen a ridicat întrebări pentru fizicieni. Ce a produs strălucirea? Cum erau legate sarcinile – despre care, la vremea respectivă, se știa că sunt legate de conceptul de electricitate, dar în rest erau misterioase – de acea strălucire? Thomson a descifrat codul a) realizând cel mai bun tub cu vid pe care cineva l-a avut vreodată și b) împingând întregul aparat în interiorul unor câmpuri electrice și magnetice foarte puternice. Dacă sarcinile erau cumva implicate în această afacere cu raze catodice, atunci ar fi bine să credeți că ar fi ascultat acele câmpuri.

Și au ascultat. Raza catodică s-ar îndoi sub influența atât a câmpurilor electrice, cât și a celor magnetice. Fascinant! Asta însemna că partea luminoasă era conectată la sarcinile în sine; dacă lumina era cumva separată de sarcini, atunci ar fi navigat direct prin ele, indiferent de interferența câmpului. Și a însemnat, de asemenea, că razele catodice erau făcute din același material ca și electricitatea.

Prin compararea cantității de deviere a razelor în câmpurile electrice față de câmpurile magnetice, Thomson a putut să deducă niște calcule matematice și să calculeze unele proprietăți ale acestor sarcini. Și iată unde J.J. și-a câștigat premiul Nobel: Aceste „corpusculi” (cuvântul său) erau de aproximativ 2.000 de ori mai mici decât hidrogenul, cel mai ușor element cunoscut și, prin urmare, cel mai mic atom. Acești „electroni” (cuvântul tuturor celorlalți) erau cu adevărat remarcabili.

Argint și aur

A fost sarcina următoarei generații de oameni de știință să rezolve enigmele ridicate de rezultatele lui Thomson. Cel mai important: Cum poate fi ceva mai mic decât un atom și ce înseamnă acest lucru pentru structura atomilor înșiși?

Fostul student al lui Thomson, Ernest Rutherford, împreună cu proprii săi studenți Hans Geiger și Ernest Marsden, au fost cei care au decis să tragă în aur pentru a vedea ce se va întâmpla. Oamenii de știință au ales aurul pentru că puteau face foi foarte subțiri din acest material, ceea ce însemna că gașca putea fi sigură că sondau fizica atomică. Și au tras gloanțe foarte mici: particule alfa, care sunt atomi încărcați de heliu. Aceste particule sunt mici, grele și rapide – gloanțele științifice perfecte.

În timp ce cercetătorii se antrenau la tragerea la țintă, majoritatea particulelor alfa au navigat prin aur ca și cum ar fi fost hârtie de țesut. Dar, din când în când, particulele se îndepărtau într-o direcție aleatorie. Și, din când în când (aproximativ 1 din 20.000 de focuri de armă, și da, cercetătorii au numărat manual), o particulă alfa a ricoșat în aur, trântindu-se înapoi pe unde a venit.

Relaționat: Cele mai ingenioase 5 experimente din astronomie și fizică

Uimitor! Ce ne spuneau aceste mici particule despre atomii de aur? Singura explicație care avea sens, au concluzionat cercetătorii, era că marea majoritate a masei atomului era concentrată într-un volum foarte mic. Iar acest „nucleu” trebuie să fie încărcat pozitiv. Din moment ce sarcina totală a atomului trebuia să fie neutră, atunci electronii trebuie să fie foarte foarte mici și să înoate, orbitând sau dansând în jurul acelui nucleu într-un nor liber.

Așa că, atunci când particulele alfa au explodat, aproape întotdeauna au întâlnit doar spațiu gol. Dar o particulă extrem de ghinionistă putea să alunece – sau, mai rău, să lovească frontal – nucleul, modificând dramatic traiectoria glonțului.

Astfel, la aproape o sută de ani după ce Dalton a susținut în mod concludent existența atomului indivizibil și în același timp în care Einstein oferea o modalitate de măsurare directă a acelor atomi, Thomson și Rutherford au descoperit că atomul nu era deloc indivizibil. În schimb, era alcătuit din bucăți și mai mici.

Așa că, în același timp în care am solidificat teoria atomică, am avut prima mostră a lumii subatomice. De acolo, totul a devenit mult mai încurcat.

• Atomii ultrafrigorifici oferă informații despre expansiunea dramatică a Universului timpuriu
• Acești atomi încurcați „înfricoșători” tocmai au adus calculul cuantic cu un pas mai aproape
• Cercetătorii creează „artă atomică” cu tematică „Star Trek”

Aflați mai multe ascultând episodul „How Did We Figure Out That Stuff Is Made Of Atoms?” de pe podcastul „Ask a Spaceman”, disponibil pe iTunes și pe web la http://www.askaspaceman.com. Îi mulțumim lui Bill S. pentru întrebările care au dus la acest articol! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmărindu-l pe Paul @PaulMattSutter și pe facebook.com/PaulMattSutter. Urmăriți-ne pe Twitter @Spacedotcom și pe Facebook.