Człowiek od niepamiętnych czasów stara się zrozumieć budowę materii. Już w starożytności dominował pogląd, według którego wszystko, co nas otacza, składa się z maleńkich cząstek, których nie można podzielić. Jego autorem miał być Demokryt. Nie była to jednak teoria oparta na doświadczeniu, a jedynie koncepcja filozoficzna. Na naukowe potwierdzenie budowy atomu świat musiał zaczekać do XIX wieku.
Czym jest atom?
Słowo „atom” pochodzi z języka greckiego (átomos) i oznacza coś, czego nie da się podzielić. Choć nazewnictwo przetrwało od czasów starożytnych do współczesnych, dziś wiemy, że jego istota nie ma nic wspólnego z naukowymi faktami.
Co to jest atom? Mówiąc o tym, na myśli trzeba mieć najmniejszą cząstkę pierwiastka chemicznego, która wykazuje jego właściwości. Wszystkie pierwiastki są zbudowane z atomów jednego rodzaju. Węgiel składa się z atomów węgla, a ołów – z atomów ołowiu. Co istotne, bez względu na to, jaki pierwiastek tworzą, atomy składają się z tych samych cząstek. Różnią się tylko pod względem ich liczby. To wystarczy, by stworzyły pierwiastki chemiczne, które wykazują całkowicie odmienne właściwości.
Z czego zbudowany jest atom?
Jakie cząstki tworzą atom? Ponad 99,9 proc. masy atomu zawarte jest w jądrze atomowym. Pozostałą część stanowią elektrony. Samo jądro atomowe zbudowane jest z protonów o dodatnim ładunku elektrycznym, których liczba jest równa liczbie elektronów w atomie oraz – z wyjątkiem najprostszego jądra wodoru – z obojętnych elektrycznie neutronów. Te cząstki nazywane są nukleonami.
Model atomu uranu / fot. ullstein bild via Getty Images
Dosłownie każda wymieniona cząstka decyduje o istnieniu materii. Atomy są obojętne elektrycznie (w przeciwnym wypadku stają się jonami) właśnie dzięki dodatnim protonom, które równoważą ujemne elektrony. Z kolei neutrony działają jak izolatory ładunku dodatniego. Równoważą siłę odpychania protonów i w ten sposób zapobiegają destabilizacji jądra.
Czy atom jest podzielny?
Samo tłumaczenie słowa „atom” wskazuje na niepodzielność tej cząstki. Dziś już wiemy, że założenie, na którym oparła się początkowo teoria atomistyczna jest błędne. Skoro atomy nie mają jednolitej struktury, oznacza to, że są podzielne.
Jako pierwszy o podzielności atomu mówił w 1815 r. William Prout. Angielski lekarz założył, że wszystkie atomy są zbudowane z atomów wodoru. Jego hipoteza została odrzucona, jednak późniejsze doświadczenia udowodniły, że nie mylił się w kwestii samej podzielności.
Przełom w badaniach nad strukturą atomu nastąpił w 1897 roku, gdy Joseph John Thomson wyznaczył stosunek ładunku do masy ujemnie naładowanych cząstek w promieniowaniu katodowym. Kolejny moment zwrotny jest datowany na 1898 r. Mowa o odkryciu polonu i radu przez małżeństwo Curie. Badania zmierzające do wydzielenia dostrzegalnych ilości radu udowodniły, że emitowane promieniowanie składa się ze zjonizowanych atomów helu (tzw. cząstek alfa), elektronów i promieniowania rentgenowskiego. Atom rozpadł się na części i w rezultacie powstały nowe pierwiastki.
Jak zbudowany jest atom?
Na przestrzeni lat, na temat budowy atomu powstało wiele tez. Jedną z najwcześniejszych zaproponował William Thomson, odkrywca temperatury zera bezwzględnego i drugiej zasady termodynamiki. Później jego model doprecyzował wspomniany już Joseph John Thomson. W ich założeniu, atom miał mieć budowę naładowanej dodatnio kuli, w której poruszają się elektrony o ładunku ujemnym, ułożone symetrycznie względem jej środka.
Ernest Rutherford zaproponował inny model. Na podstawie doświadczenia rozpraszania cząsteczek alfa (czyli jąder helu) na złotej folii doszedł do wniosku, że ich strumień jest w znacznym stopniu rozpraszany przez atomy złota, co przeczyło założeniom Thomsona, który wskazywał na znikome oddziaływania elektryczne. Rutherford założył, że dodatnio naładowane jądro stanowi centrum atomu, a ujemne elektrony krążą wokół niego po orbitach.
Ten tzw. model planetarny miał jednak istotną słabość. Zgodnie z założeniami elektrodynamiki Maxwella, cząstki naładowane elektrycznie, które w sposób ciągły poruszają się wokół cząstki naładowanej przeciwstawnym ładunkiem, oddają energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Model planetarny nie mógł więc być słuszny, bo zgodnie z jego założeniami, po pewnym czasie elektrony spadłyby na jądro, doprowadzając do destabilizacji materii.
Niels Bohr doszedł do wniosku, że model Rutherforda jest prawidłowy, ale błędem jest stosowanie założeń klasycznej fizyki. W swojej pracy wysnuł wniosek, że elektrony nie wydzielają energii w sposób ciągły, a zajmują orbity o ściśle określonych odległościach od jądra. Bohr założył, że elektron może przyjąć lub oddać tylko określone ilości energii, czyli kwanty. To ma prowadzić do zmiany jego orbity.
Potem pojawiły się kolejne prace:
- teoria Louisa de Broglie'a o korpuskularno-falowej naturze cząstek elementarnych,
- wprowadzenie funkcji falowych do cząstek elementarnych przez Erwina Schrödingera,
- wprowadzenie pojęcia gęstości prawdopodobieństwa przez Maksa Borna,
- wprowadzenie zasady nieoznaczoności przez Wernera Heisenberga.
Pozwoliły one stworzyć obraz atomu, którym nauka posługuje się do dziś.
Jak powstaje atom?
Żeby móc wyjaśnić proces, w którym powstają atomy, musimy cofnąć się do początków Wszechświata. Tuż po Wielkim Wybuchu, cały Wszechświat wypełniły obłoki materii kwarkowo-gluonowej. Gdy ich gęstość zaczęła maleć, Wszechświat zaczął ulegać rozszerzeniu i ochłodzeniu. W następstwie tego zaczęła maleć energia cząsteczek. Te zaczęły łączyć się ze sobą. Kwarki utworzyły protony i neutrony, a te utworzyły jądra atomowe. Te cząstki zaczęły wychwytywać elektrony, co doprowadziło do powstania pierwszych atomów.
Początkowo we Wszechświecie istniały tylko najlżejsze pierwiastki, jak wodór, hel i lit. Nieco cięższe, jak choćby tlen, węgiel czy żelazo, powstały dopiero, gdy uformowały się gwiazdy, w których wnętrzu występuje energia umożliwiająca zaistnienie tego procesu. Zresztą w ten sposób nadal powstają pierwiastki w przestrzeni kosmicznej.
A co z pierwiastkami cięższymi od żelaza, jak złoto? Te powstały w następstwie wybuchu supernowych. Wielka energia masywnych gwiazd pozwoliła materii rozprzestrzenić się po całym Wszechświecie. Jej część utworzyła nowe ciała niebieskie, w tym Ziemię.
Czy jest coś mniejszego od atomu?
Atom często kojarzony jest z najmniejszą cząstką pierwiastka. To spore niedopowiedzenie bo atom rzeczywiście jest najmniejszą cząstką, ale zachowującą właściwości danego pierwiastka. W przyrodzie istnieją mniejsze obiekty. Już sam fakt, że atom nie jest cząstką nieposiadającą wewnętrznej struktury, wyraźnie wskazuje, że musi istnieć coś mniejszego i tak jest w istocie.
Mniejsze od atomu są cząstki elementarne, czyli takie, z których zbudowane są atomy. Sam atom składa się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Na jądro atomowe składają się neutrony i protony. Jednak i te cząstki elementarne są podzielne. W ich skład wchodzą kwarki „d” i „u”.
Istnieją także inne rodzaje kwarków, możliwe do wytworzenia w warunkach laboratoryjnych. Właściwości zbliżone do elektronów wykazują taony, miony i neutrina. Istnieją również bozony, fotony i gluony, które są odpowiedzialne za oddziaływanie między wszystkimi cząstkami. Nie można nie wspomnieć o bozonie Higgsa – cząstce odpowiedzialnej za niezerową masę innych cząstek.
Kto odkrył atom?
Na koniec wypada wyjaśnić, kto właściwie odkrył atom. W 1808 John Dalton stworzył nowożytną teorię atomistyczną. Angielski naukowiec przyjął, że materia jest zbudowana z niepodzielnych atomów – sprężystych kulek o mikroskopijnych rozmiarach.
Aż do XIX wieku wielu naukowców wątpiło w słuszność założeń Daltona. Dopiero kinetyczno-molekularna teoria gazów, opracowana przez Maxwella i Boltzmana, pozwoliła przyjąć słuszność założeń atomowej budowy materii. Kolejne dowody pojawiły się w 1827 roku, gdy Robert Brown zaobserwował nieustanny ruch drobin pyłu kwiatowego zawieszonego w cieczy (ruchy Browna). Nie bez znaczenia była też praca Łukasza Bodaszewskiego. W 1882 r. polski fizyk zaobserwował podobny ruch zawiesin w gazach.
