Co je to atom? A jeho objevení. Objev Elektronu. Objev Protonu

Transkript

1 Co je to atom? A jeho objevení Pro ty, kdo nejsou seznámeni s tím, co je to proton mám zde odpoveď. Po celá tisíciletí se lidé zabývali, z čeho je látka složena, staří řekové si mysleli, že látku mužeme dělit, tzn. rozpolcovat. Jeden řek si ale řekl :), to je pravda, ale jde to pulení jákékoliv látky do nekonečna? On si myslel, že ne a tak stanovil, že látku mužeme delit až do určitého stavu, v tomto stavu je už další půlení nemožné látka je pak složena z miniaturních zrnek, která jsou základními stavebními kameny veškerých prvku. Nazval tyto zrnícka prachu atos či tak nejak. To by melo znamenat nedelitelný. Velmi později, až v cca. 18. století, jeden britský chemik a fyzik si položil stejnou otázku, dokonce měl v té době lepší vybavení nějaký mikroskop, a pár chemických aparatur. Jeho jméno je John Dalton, sledoval různé látky a sloučeniny a v tom momentu si uvědomil, že tyto sloučeniny by mohly být z nějakých částic atomu dle slovíčka atos. Uvědomil si, že molekuly sestávají z jednotlivých atomů, a že samy atomy by mohly tvořit prvky. V té době ješte nebyla periodická soustava prvků, takže se toho vlastně moc ješte nevedelo Bohužel jeho práce byla vzata v potaz až na konci 19.století a až v roce cca 1905, kdy Einstein napsal clánek o Brownove pohybu ( že atomy vody narážejí do zrnek prachu a tím zpusobují jejich trhavý, chaotický pohyb), až tehdy byla atomistická teorie prijata oficiálně. Mnoho lidí ale šlo ješte dál. OBR. 1 - JOHN DALTON - OBJEVITEL ATOMU Objev Elektronu Veřili totiž, že sám atom není nedělitelný, a že se v něm skrývá něco víc. Skutečne tomu bylo tak. Obrovský objev udelal J. J. Thomson, když použil rozžhavené vlákno a fosforem pokrytou plochu, rozžhavené vlákno mělo být zdrojem dalších neviditelných částic. Použil elektrické pole k jejich vychylování na fosforovou plochu. Pokud částice interagovaly s plochou tato plocha měla nachvilku zasvítit. A také se stalo. Částici nazval elektron měla záporný elektrický náboj. Elektrony jsou známy predevším tím, že nesou elementární elektrický náboj. tzn. nejmenší možnou velikost náboje v přírodě, tuto stejnou vlastnost mají i protony, navíc mají opačné znaménko. OBR 2. - J.J. Thomson, objevitel elektronu Objev Protonu Shrňme si, co se všechno stalo: objevili jsme atom, a dokázali jsme, že jsou v něm elektrony. V té dobe byla stále snaha

2 objevovat další ješte menší částice, než je atom či elektron, i když u elektronu presně nevím jaká je jeho velikost. Je ale víc jak 1000x lehcí než atom a to práve přimělo fyziky k úvaze, že tam ješte musí neco být. Brit nebo novozélandan Ernest Rutherford ( nevím jestli byl Brit nebo Novozélanďan ) uskutečnil nečekaný pokus. Jeho pokus spočíval v tom, že měl nejaký objem látky, nejspíš vody, nejakého ušlechtilého kovu např. zlato, do tohoto objemu nasměrovával částice alfa ( to jsou atomy hélia, které jsou bez elektronu, ale to se ješte v té době moc nevědelo) tyto alfa částice směřovali do objemu té látky a sledoval jejich trajektorie před vniknutím a po vyniknutí, vetšina měla stejnou trajektorii, ale pár z nich měla trajektorii úplně jinou, jako kdyby proletěli atomem, ale nabourali tam do nečeho hustého, co je v atomu. Rutherford tak objevil jádro atomu, které se skládá z protonu o kladném náboji. OBR 3. - ERNST RUTHERFORD - Objevitel Protonu - jaderné struktury atomu, pocátek jaderné éry. Shrnutí poznatku + neutron Teď známe základ atomu, je složen z: obalu, ve kterém jsou elektrony jádra, ve kterém jsou protony V ideálním atomu je stejný počet elektronů jako protonů, tudíž jeho elektrický celkový náboj je nulový, resp. neutrání, někdy se stane, že při chemických reakcích se z atomu vytrhne elektron, nemusí to být jen jeden.. tento atom má pak vetší počet protonů, prevažuje u něj kladný náboj a tak se stává KLADNÝM IONTEM nebo zkráceně KATIONTEM, opačně atom muže získat pár elektronů navíc, je to ZÁPORNÝ IONT čili ANIONT nebo ANION ( v některé literature jsem toto viděl, teď nevím, jestli to byla tisková chyba nebo jestli se to tak ve skutecnosti píše ) Počet protonů určuje vlastnosti atomu, tnz. protonové císlo podle tohoto poznáme jaký je to prvek. Vodík má jeden proton, hélium zase dva, kyslík 8, železo 26 atd až třeba po uran, který má magické číslo 92. Logické je, že čím více atomu v daném prvku tím je jeho jádro težší. Ještě jsem se nezmínil o jedné částici, která hraje v jádru také duležitou roli. Neutron je neutrální cástice, o trošku hmotnejší než proton presně a krásne sedí tento výpočet hmotnost elektronu + hmotsnos protonu = vcelku presne hmotnost neutronu. Tak tedy náš neutron je o elektron težší jak proton :-). Neutron hraje důležitou roli v jaderné fyzice a hlavne při štěpení atomu, tj. mám neutronové dělo, vystřelím neutron, který letí do jádra atomu a jádro destabilizuje, prostě ho rozštepí na koušícky menších jader napr. rozštepím Atom chrómu na 12 jader hélia ( chróm má 24 protonu, 24:2 = 12 )

3 Planetární model atomu OBR 4. - Planetární model atomu, má ješte pár háčků, které vyrešil Niels Bohr.. Na tomto modelu je z obrázku jasné, že elektrony obíhají na svých drahách, kterým se později začalo říkat "orbity" nebo "orbitaly" kolem velmi hustého jádra z protonů a neutronů, protony jsou kladně nabité a pokud je pocet protonů = poctu elektronů, pak výsledný náboj Q = 0. Problém je v rovnicích elektromagnetického pole, které na konci 19.stol. publikoval James Clerk Maxwell. Pokud jste mu nepoděkovali udělejte to ihned, protože díky němu máme GPRS, Mobilní sítě, přenos rádiových vln na dálku atd... aplikací je milión.. Tak k problému, ten je právě v orbitě elektronu, podle modelu planetárního mají elektrony svou pritažlivou sílu rovnou odstředivé síle, která vzniká jejich rychlou rotací, ale právě problém vzniká zde, zdá se to triviální, všechno je rovno a tak elektron proste obíhá, ale právě maxwellovy rovnice ukazují, že pokud se náboj pohybuje okolo jiného náboje zde elektron kolem protonu - elektron musí zákonitě ztrácet energii a nakonec musí spadnout do jádra mezi protony a neutrony, ale takové atomy by byly nestabilní a toto v prírodě NEPOZORUJEME. OBR 6. - J. C. Maxwell - sjednocení elektřiny a magnetismu

4 OBR 7. - Slvané Maxwellovy rovnice, skoro stejně slavné jako E=mc^2 Rešení nabídla až kvantová teorie, jejiž základy položil v r Max Planck a pomohl jí i Albert Einstein, který ji potom neměl přímo v lásce. V kvantové teorii byla hlavní myšlenka to, že světlo jako vlnění není vyzařováno kontinuálně, tedy spojitě, nýbrž v balíčcích, tedy v kvantech, Einstein nazval tato kvanta FOTONY a vyslovyl elegantní myšlenku, že se chovají jako částice, v té době se brala teorie, že světlo jsou VLNY, protože všechny experimenty jeho částicovou povahu prostě nepotvrdily, ale dnes se ví, že světlo se někdy chová jako vlna a jindy jako částice - vlnově-částicový dualismus. Niels Bohra napadlo, že nejenom fotony (částice světla a vůbec,celého EM spektra) mohou mít podvojnou vlnovou i částicovou povahu, ale že i elektrony se takto chovají a ruzné experimenty se šterbinamy a elektronovými děly toto potvrdily. Napadlo ho, že elektrony se v atomu nechovají jako částice, které obíhají dokola v eliptických draháh jako planety ( od toho planetární model ), ale že elektrony jsou v atomu jako vlnění, ale musel upravit model, protože dle následujícího obrázku žjistíme, že na ruzné obvody mohou být vázány specifické frekvence ( tedy kmity ) a to znamená, že elektron si v atomu nemůže vlnit jak chce, ale musí tam vlnit v danných (kvantovaných) stavech. Tento nápad formuloval i pán De-Brooglie, který sepsal rovnice a tak pomohl mladému Bohrovi sestavit "Bohrův" atomární model. OBR 8. - Elektron jako vlna v atomu, má pouze danné hladiny (vzdálenost od jádra) ( De-Brooglieho vlna ) Proc tedy ten elektron v nejnovejším modelu atomu, který byl upraven po Bohrovy, který se jmenuje Kvantove mechanický model, proc tedy v nem ten elektron nespadne? To co jsme si vysvetlovali predtím je sice hezké ale jak to s tím souvisí? Pokud má elektron kvantované (stanovené) stavy tak je stav nejnižší energie, kde je elektron nejblíže jádru, ale bliže se nedostane, protože: 1. Další menší energie proste nemuže ztratit, aby spadl níže, protože tyto energie nejsou presnými kvanty - tj. dávky elektron se muže v atomu na energetických hladinách pohzbovat po skocích po kvantech a proste další seskok dolu už nemuže ucinit, protože tento skok není pro neho definován. 2. Je zde princip neurcitosti, který bych si nechal na pozdej.. když ted mluvím o interakcích tak se o nem pozdeji zmíním... Takže problém atomu jsme vyrešili, teď nám zbývá se podívat na 4 síly, které hýbou s přírodou.

5 4 hlavní interakce V pradávných dobách, ještě v antickém řecku si povídali, že svet ovládají 4 síly, VODA, VZDUCH, OHEŇ a ZEMĚ. V moderních dobách se akorát změnil název těchto sil: Elektromagnetická (EM), Silná (S), Slabá (W) a Gravitační (G). Tyto síly zprostředkovávají interakce mezi částicemi látky.. Například: gravitační interakce pusobí na nás a projevuje se silou, která nás přitahuje k Zemi. Nebo právě ta EM interakce pusobí na elektron, který v planetárním modelu obíha kolem jádra a nutí ho ztrácet energii a padat do jádra... - elektromagnetická interakce - touto se řídí všechny nabité částice, neutrální ji ignorují - slabá interakce - je zodpovedná za rozpad nekterých prvku, a obecne pod ni podléhjí cástice, ze skupiny LEPTONU tj. napr. náš Elektron... ten samozdrejme podléhá i interakci EM - silná interakce - pusobí v jádru atomu, a odolává odpudivým silám protonu, má omezenou vzdálenost 10e-15 metru. A platí pro ni jako pro jedinou tzv. asymptotická volnost tj. pri rostoucích teplotách její intenzita klesá! U ostatních interakcí je to opacne!!! - gravitační - o té se ví nejméně, zatím není konzistentní teorie, která by ji dokázala popsat, ambiciózní teorie, která popisuje gravitaci je Obecná teorie relativity, ale ta nevysvetluje radu vecí, další teorií jsou Superstruny, a M-teorie, která sjednocuje několik superstrunových teorií do kupy a snaží se porozumet jádru problému v gravitaci. Tj. proc je tak slabá, proc má takový velký dosah a proc je jenom prítažlivá a ne odpudívá a proc má tak velké pole pusobnosti... Pokus o sjednocení Pod pojmem sjednocení rozumíme hodně vecí, ale v tomto konkrétním prípade si uvedeme príklad Dříve se myslelo, že elektrostatické jevy a magnetické jevy jsou necím odlišným, ale pozdejší objevy ukázali, že se dají sjednotit, tzn. popsat nejakou sadou rovnic, které popisují jejich chování, a ze kterých bude vyplývat jejich podstata. To se nám povedlo, pan J. C. Maxwell sjednotil elektrinu a magnetismus ctyrmi základními diferenciálnímy rovnicemi. V tom momente jsme vyhráli, alespon cástecne, ptotože to umožnilo nové cesty atd... atd... A práve o tom to je, chceme porozumet i ostatním interakcím, jako je silná, slabá a gravitacní a tak se je snažíme sjednotit do jedné interakce. Jak je to možné? Hned se k tomu dostaneme, pánové Abdus Salam, Sheldon Glashow a Steven Winberg zjistily, že pokud zvyšujeme teplotu nad energie 100 GeV* ( Giga- elektron- volt ) interakce

6 elektromagnetická a slabá se zacnou chovat úplně stejně a nejsou od sebe rozpoznatelné. * Elektron volt je jednotka práce, je to práce potrebná na urychlení (excitaci) elektronu do při napetí 1V (1 volt) EM interakce je sprostředkovávána částicí zvanou foton - tuto interakci zkoumá kvantová elektrodynamika, a její predpovedi jsou na míru presné. Slabá Interakce je zprostředkována částicemi W+,W-,Z0 - tyto částice byly skutečně objeveny a pánové Van Der Meer a Carlo Rubbia dostali nobelovku. GUT Momentálne se pracuje na sjednocení Silné interakce s EM a Slabou. Silná interakce se projevuje asymptotickou volností, cili její síla klesá pri rostoucích energiích a naopak u EM a Slabé interakce síla roste, v určitých energiích se intenzity všech sil vyrovnají a síly se začnou prekrývat a žádná z nich se od sebe nebude lišit. Tímto sjednocením se zabývá kvantová chromodynamika :D, to jsou názvy, já už z toho šílím ;) Práve při tomto sjednocení bylo objeveno, že proton jako základ jaderné látky se může spontáně rozpadnout, za jakýchkoliv okolností. Vyplynutí rozpadu protonu Silnou interakci prenáší cástice zvané gluony. Pánové fyzici totiž objevily, že protony i neutrony se skládají ješte z menších cástic, ty se pojmenovaly kvarky. Víme, že kvarku je nekolik - horní, spodní, podivný, puvabný atd... toto jsou jen metaforická pojmenování a není v tom žádný jiný význam, než, že fyzici nevedeli jak je pojmenovat... Kvarky mají zajímavou vlastnost, které se ríká uveznení - kvarkum se dá pridelit barva (opet není to skutečná barva) a kvarky pak tvoří dvojice / trojice seskupení barev tak, aby výsledná barva byla bílá. např. v protonu jsou tři kvarky - červený, zelený a modrý - dohromady dávají bílou... Takže co tedy způsobuje rozpad protonu? Pri energiích GUT ( to jest Grand Unified Theory - teorie velkého sjednocení ) - se smažou rozdíly mezi fotony a cásticemi W+,W-,Z0 a Gluony a dochází k podivuhodnému jevu, kdy se kvark prestává lišit od anti-elektronu (pozitronu)* - ted jen stací aby kvark dostal menší dávku energie a dojde k premene kvarku na pozitron ( pokud se toto stane v protonu, dojde k jeho rozpadu ) * pozitron je antičástice k elektronu - pozitron je elektron s kladným nábojem. Jak ale dodáme energii kvarku? K tomu nám postací princip neurcitosti, ten ríká, že v

7 mikrosvetě nemůžeme presně určit rychlost a polohu jedné cástice v jednom casovém úseku!!! Pokud víme rychlost, nevíme polohu a opačně. Tento princip formuloval v 30. letech Werner Heisenberg, je na něj dokonce pár vtipů jako třeba. Policajt zastaví fyzika, policajt mu říká:"pane víte jakou jste jel rychlostí?" A fyzik nato:"ne, ale vím úplne presně, kde stojím" :D Podle tohoto principu víme, že energie v protonu není presně určená, protože je tam vždycky trochu neurčitosti. Tato neurcitost nám zpusobí "fluktuace" energie v protonu - tedy výkyv energie, který muže zpusobit rozpad protonu a tudíž dojde k premene prvku a muže dojít k jadernému rozpadu. Co z toho plyne? I my jsme složeni z protonu jako veškerá viditelná hmota ve vesmíru ( podle odhadu je jí poze 3%) a tak proc jsme se ješte nerozpadly? Bud je chyba v teorii, nebo je zde velmi malá pravděpodobnost, že k tomuto rozpadu dojde, možná je zde jiná síla, která tomuto zabraňuje! Ale chyba v teorii nemusí být, protože se zdá, že podle teorie sjednocení a právě podle procesu opačnému - tedy ne rozpad ale ztvorení protonu je vysvětlení proč je ve vesmíru více hmoty jako antihmoty, potože na začátku vesmíru bylo hmoty stejne jako antihmoty! A z experimentu plyne, že pokud se hmota setká s antihmotou společně se vyruší a promení se všechna hmota na energii ve forme fotonu. Jaktože je tu tedy hojno hmoty? Kam se vzala antihmota? Odpoved naleznete v dalším clánku o SYMETRIÍCH v prírode. AUTOR: APOCALIPSE ZDROJE Stephen Hawking: Strucná Historie casu v obrazech