Hur kom vi på att atomer existerar?

Paul M. Sutter är astrofysiker vid Ohio State University, värd för ”Ask a Spaceman” och ”Space Radio” samt författare till ”Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter bidrog med den här artikeln till Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Under 1808 utvecklade kemisten John Dalton ett mycket övertygande argument som ledde till en fantastisk insikt: Kanske är all materia (dvs. saker, ting, föremål) gjord av små, små bitar. Grundläggande bitar. Odelbara bitar. Atomära bitar. Atomer.

Konceptet hade florerat av och till i några årtusenden. Forntida kulturer var säkert medvetna om den allmänna idén att materia bestod av mer grundläggande element (även om de var ganska oense om vad som exakt räknades som ett element) och visste att dessa element kombinerades på intressanta och fruktbara sätt för att skapa komplexa saker, som stolar och öl. Men under dessa årtusenden kvarstod frågan: Om jag isolerade ett enskilt grundämne och hackade det på mitten, och sedan hackade dessa halvor på mitten, och så vidare och så vidare, skulle jag då till slut hitta en minsta möjliga bit av ett grundämne som jag inte längre kunde hacka? Eller skulle det fortsätta i oändlighet?

Relaterat:

Efter flera års noggrann undersökning fann Dalton ett överraskande samband mellan grundämnena. Ibland kan två grundämnen kombinera sig och bilda olika föreningar på flera olika sätt med olika proportioner, som t.ex. tenn och syre kan göra. Men proportionerna av varje grundämne i de olika kombinationerna reducerades alltid till mycket små tal. Om materien var oändligt delbar, utan minsta möjliga bit, borde alla proportioner vara tillåtna.

Istället fann han att en viss mängd av ett grundämne kunde kombineras med en lika stor mängd av ett annat grundämne. Eller med dubbelt eller tre gånger det andra elementet. Dalton fann endast enkla proportioner, överallt och i alla fall. Om materien i slutändan var odelbar, om den bestod av atomer, så skulle endast enkla proportioner och förhållanden vara tillåtna när man kombinerar grundämnen.

Täta massor

Hundra år senare verkade denna ”atomära” teori om materia inte helt nonsens. En av de mest utmanande sakerna med den var dock att om atomer verkligen existerade var de alldeles, alldeles för små för att kunna ses. Hur skulle man kunna bevisa existensen av något som man inte direkt kunde observera?

En ledtråd till atomernas existens kom från de nyligen etablerade studierna av termodynamik. För att förstå hur värmemaskiner fungerade – tillsammans med alla tillhörande begrepp som temperatur, tryck och entropi – insåg fysikerna att de kunde betrakta gaser och vätskor som om de bestod av en nästan oräknelig mängd små, till och med mikroskopiska, partiklar. Till exempel mäter ”temperatur” egentligen den genomsnittliga rörelsen hos alla de gaspartiklar som träffar termometern och överför sin energi till den.

Detta var ganska övertygande, och Albert Einstein var en stor beundrare av denna typ av fysik. Precis som alla andra fysiker som han blev ett fan av revolutionerade Einstein dem.

Han var särskilt intresserad av problemet med Brownsk rörelse, som först beskrevs redan 1827 av Robert Brown (därav namnet). Om man släpper ett stort korn i en vätska tenderar föremålet att vingla och hoppa runt helt på egen hand. Och efter några noggrant utförda experiment insåg Brown att detta inte har något att göra med luft- eller vätskeströmmar.

Brownian motion var bara ett av dessa slumpmässiga oförklarliga fakta i livet, men Einstein såg i detta en ledtråd. Genom att behandla vätskan som något som består av atomer kunde han härleda en formel för hur mycket de otaliga kollisionerna från vätskepartiklarna skulle knuffa runt det där kornet. Och genom att sätta denna koppling på fast matematisk grund kunde han tillhandahålla en väg för att gå från något man kan se (hur mycket kornet flyttas runt under en viss tid) till något man inte kan se (massan av vätskepartiklarna).

Med andra ord gav Einstein oss ett sätt att väga en atom.

Dessa ”förenade stater”

Och just när folk började känna sig bekväma med storleken på dessa minibitar av materia och trodde att detta måste vara de minsta möjliga sakerna, kom någon och komplicerade det.

På samma gång som Einstein arbetade en underbart begåvad experimentalist vid namn J.J. Thomson. I slutet av 1800-talet blev han hänförd av spöklika ljusstrålar som kallas katodstrålar. Om man stoppar in ett par elektroder i ett glasrör, suger ut all luft ur röret och sedan höjer spänningen på elektroderna, får man ett sprudlande sken som tycks utgå från en av elektroderna, katoden, för att vara exakt. Därav katodstrålar.

Detta fenomen väckte frågor hos fysikerna. Vad var det som gav upphov till glöden? Hur var laddningar – som man på den tiden visste att de var kopplade till begreppet elektricitet men som i övrigt var mystiska – kopplade till glöden? Thomson knäckte koden genom att a) tillverka det bästa jäkla vakuumröret som någon någonsin haft och b) placera hela apparaten i superstarka elektriska och magnetiska fält. Om laddningar på något sätt var inblandade i denna katodstråleaffär, så kan du tro att de skulle lyssna på dessa fält.

Och det gjorde de. Katodstrålen skulle böja sig under påverkan av både elektriska och magnetiska fält. Fascinerande! Det betydde att den glödande biten var kopplad till själva laddningarna; om ljuset på något sätt var skilt från laddningarna skulle det segla rakt igenom, oavsett fältinterferenserna. Det betydde också att katodstrålar var gjorda av samma material som elektricitet.

Om Thomson jämförde hur mycket strålen avböjdes i de elektriska fälten jämfört med de magnetiska fälten kunde han härleda en del matematiska beräkningar och räkna ut vissa egenskaper hos dessa laddningar. Och det är här som J.J. fick sitt Nobelpris: Dessa ”corpuscles” (hans ord) var ungefär 2 000 gånger mindre än väte, det lättaste kända grundämnet och därmed den minsta atomen. Dessa ”elektroner” (alla andras ord) var verkligen anmärkningsvärda.

Silver och guld

Det var upp till nästa generation forskare att lösa de gåtor som Thomsons resultat gav upphov till. Viktigast av allt: Det var Thomsons egen före detta elev Ernest Rutherford som tillsammans med sina egna elever Hans Geiger och Ernest Marsden bestämde sig för att skjuta saker mot guld för att se vad som skulle hända. Forskarna valde guld eftersom de kunde göra mycket tunna skivor av materialet, vilket innebar att gänget kunde vara säkra på att de undersökte atomfysik. Och de sköt mycket små kulor: alfapartiklar, som är laddade heliumatomer. Dessa partiklar är små, tunga och snabba – de perfekta vetenskapliga kulorna.

När forskarna övade på målskytte seglade de flesta alfapartiklarna vidare genom guldet som om det vore silkespapper. Men då och då skenade partiklarna iväg i en slumpmässig riktning. Och en gång i tiden (ungefär ett av 20 000 skott, och ja, forskarna räknade manuellt), studsade en alfapartikel mot guldet och slog tillbaka åt samma håll som den hade kommit.

Relaterat: De 5 mest geniala experimenten inom astronomi och fysik

Otroligt! Vad berättade dessa små partiklar om guldatomer? Den enda förklaring som var vettig, konstaterade forskarna, var att den stora majoriteten av atomens massa var koncentrerad i en mycket liten volym. Och denna ”kärna” måste vara positivt laddad. Eftersom atomens totala laddning måste vara neutral måste elektronerna vara mycket mycket små och simma, kretsa eller dansa runt kärnan i ett löst moln.

När alfapartiklarna sprängde igenom stötte de nästan alltid på tomt utrymme. Men en mycket oturlig partikel kunde glida av – eller ännu värre, träffa kärnan rakt på huvudet – och dramatiskt förändra kulans bana.

Därmed upptäckte Thomson och Rutherford, nästan hundra år efter det att Dalton slutgiltigt argumenterade för existensen av den odelbara atomen, och samtidigt som Einstein tillhandahöll ett sätt att direkt mäta dessa atomer, att atomen inte alls var odelbar. I stället bestod den av ännu mindre bitar.

Så, samtidigt som vi befäste atomteorin fick vi vår första smak av den subatomära världen. Därefter blev det mycket rörigare.

• Ultrakalla atomer ger en inblick i det tidiga universums dramatiska expansion
• Dessa ”kusliga” sammankopplade atomer har just fört kvantberäkningen ett steg närmare
• Vetenskapsmännen skapar ”atomkonst” med Star Trek-tema

Lär dig mer genom att lyssna på avsnittet ”Hur kom vi fram till att saker och ting är gjorda av atomer?” i podcasten ”Ask a Spaceman”, som finns på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Bill S. för frågorna som ledde till det här avsnittet! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss på Twitter @Spacedotcom och på Facebook.