Ĉasi la kernon

Kvankam atomoj estas ĉie ĉirkaŭ ni, ili malpli facile observeblas ol foraj galaksioj. Tamen tio kion ni ne konas logas nin kaj la miraklo de la plej eta ĉiam igas nin scivolemaj. Kiam ili esploris la strukturon de la atomo, fizikistoj kaj ĥemiistoj vere estis ĵetataj en la profundon. Feliĉe estis inda laboro, ĉar la modelo de la atomo estas tiom grava kaj influa ke hodiaŭ preskaŭ ĉiu kiu ekstudas ĥemion unue lernas pri kio atomoj estas. Por kompreni kiel oni esploris ion kio estas tiom nehome eta, ni devas komenci je la komenco.

La Grekoj jam antaŭ miljaroj komencis pensi pri atomoj kaj ankaŭ la etimologio de la vorto indikas ke la rakonto de niaj ideoj pri tiuj nekredeble malgrandaj partikloj komenciĝis en Grekio. La vorto venas de la greka “ἄτομον” (atomon), kio signifas pli malpli “netranĉebla”. Tamen atomoj estis produkto de filozofia pensado anstataŭ scienca eksperimentado. Tio kompreneblas, ĉar oniaj iloj tiutempe estis tro simplaj, sed ĝi ja rezultis je multaj miskonkludoj pri la kvalitoj de la atomo. Oni ekzemple pensis ke la ligoj inter atomoj povis esti etaj hokoj kiuj tiras unu la alian. Interesaj estis la teorioj de Empedoklo, kiu pensis ke la mondo estas farita el kvar elementoj, nome fajro, akvo, tero kaj aero. Tiuj elementoj estis eternaj laŭ li kaj balancataj. Ŝanĝoj je la videbla nivelo do ne signifis ke la elementoj ŝanĝiĝis, sed ke iliaj pozicioj ŝanĝiĝis. Ankaŭ la filozofo Demokrito, unu el la fondintoj de antikva “atomismo”, la filozofio de atomoj, estis ege influa. Li ellaboris la ideon ke estu nedivideblaj, aŭ netranĉeblaj, objektoj kiuj kune kreas ĉion. Tamen la teorioj de Aristotelo, kiu estis unu el la plej severaj kontraŭuloj de atomismo, estis dominantaj en “scienco” dum la jarcentoj kiuj sekvis.

Daŭris ĝis la dekoka jarcento ĝis la ideo de atomoj denove ekvivis. Tiam la franco Antoine Laurent Lavoisier gvidis la ĥemion antaŭen per vortigi la leĝon de konserviĝo de maso. Per precize mezuri la mason de la uzataj ĥemiaĵoj antaŭ kaj post ĥemia reago (do ankaŭ de la gasoj), Lavoisier konkludis ke neniu maso estis perdata dum la reago. Tio signifas ke nenio povas esti detruata aŭ kreata ĥemie. Materialoj nur povas transformiĝi. Eble la grekoj do tamen havis poenton.

Estis ĥemia revolucio kaj nia scienca kono pligrandiĝis je ĉiu generacio. Tial daŭris ne tiom longe ĝis en 1808 la Brito John Dalton kreis sian propran atoman modelon, kiu estis bazita je la filozofio de Demokrito kaj novaj principoj kiel la konserviĝo de maso. Ĝi konsistis el kvin kvalitoj de atomoj:

  1. Elementoj konsistas el ekstreme etaj partikloj, kiuj nomiĝas atomoj.
  2. Atomoj de specifa elemento estas identikaj je grando, maso kaj aliaj kvalitoj; atomoj de malsamaj elementoj malsamas je grando, maso kaj aliaj kvaliltoj.
  3. Atomoj ne povas esti dividataj, kreataj aŭ detruataj.
  4. Atomoj de malsamaj elementoj kuniĝas laŭ simplaj, plennombraj rilatumoj por krei ĥemiajn kombinaĵojn.
  5. Dum ĥemiaj reagoj, atomoj estas kunigataj, disigataj, aŭ reordigataj.

Pro lia uzo de la scienca metodo kaj preciza analizo de la rezultoj, John Dalton kreis la unuan sciencan atoman teorion.

En 1896 la Brito Joseph John Thomson eksperimentis per katodradiaj tuboj. Estis populara tiam esplori la strangan radiadon kiu brilis en la tuboj. Oni povis kurbigi la radiadon per magnetoj kaj ĝi agis kiel negativa ŝarĝo. Aliaj sciencistoj konkludis ke la fenomeno estis kaŭzata de iu nova ŝtato de materio kun negativa ŝarĝo kiel atomoj aŭ molekuloj, kiuj estis tre rapide pafataj tra la tubo. Thomson tamen ne konsentis. Li malkovris ke la rilatumo inter la elektra ŝarĝo de la partikloj kaj ilia maso estis ege granda. La partikloj estis multe pli malpezaj ol la plej eta atomo, hidrogeno, kaj eble estis nur milono de la maso. Li komprenis ke li malkovris tute novan partiklon kiun li nomis “corpusclus”, sed finfine la nomo “elektrono” iĝis pli populara. Ne tiom longe post tiu malkovro, li proponis novan atoman modelon, de negative ŝarĝataj elektronoj en sfero de pozitiva ŝarĝo kiel sekvinberoj en bakaĵo. Estas pro tio ke multaj lingvoj referas al ĝi per “sekvinberkuka” aŭ “prunpudinga modelo”. La atomo ne plu estis netranĉebla, unu el la plej gravaj paŝoj al nia moderna kompreno de la atomo.

La sekva granda evoluo estis la modelo de Rutherford, aŭ planeda modelo, kreita de la Novzelanda fizikisto Ernest Rutherford en 1911. Malkiel Thompson li ne pensis pri la atomo kiel unu korpo kiu enhavis kaj pozitivan kaj negativan ŝarĝon, sed kiel pozitiva kerno ĉirkaŭ kiu la negativaj ŝarĝoj rondiras kiel planedoj ĉirkaŭ stelo. Preskaŭ ĉiom de la maso de la atomo estas koncentrita en tiu kerno, kiu estas gigante peza kompare al la elektronoj. La malkovro de tiu kerno okazis kiam Rutherford eksperimentis kun radioaktivaj materialoj – tiam ĵus malkovrita kaj ekscitanta parto de fiziko. Estas malsamaj specoj de radiado, sed alfa-radiado estas la plej peza kaj malplej forta. Nun ni scias ke alfa-partikloj fakte estas identikaj al heliumaj kernoj kaj ke ili do enhavas du neŭtronojn kaj du protonojn. Tio signifas ke ĝi havas pozitivan ŝarĝon kaj ke ĝi estas forpuŝata de aliaj pozitivaj ŝarĝoj. Kiam Rutherford igis tiun radiadon rekte brili kontraŭ oran folion de neimagebla maldikeco, la plejparto de ĝi trairis. Tiu rezulto ne estis tro stranga, sed kiam li poste lasis la radiadon trairi je granda angulo, la partikloj multe pli verŝajne renkontus kernojn de atomoj kaj kio suprizigis lin estis ke fojfoje unu el la partikloj ne simple trairis, sed tute ŝanĝis sian direkton kun anguloj de pli ol naŭdek gradoj. Rutherford konkludis ke tia akra kurbiĝo nur povis esti kaŭzata de ege eta, peza kerno kun pozitiva ŝarĝo. Per tre precize observi kiom da partikloj forflugis per kiaj anguloj, li sukcesis kunkludi kiom granda kaj pezo tiu kerno devis esti. La atomo ekzistis el plejparte malplena spaco kun neimageble peza kaj eta pozitiva kerno en la mezo kaj relative mikroskopaj elektronoj kiuj rondiris ĝin.

Post la malkovro de la kerno, la atommodelo jam multe similis al nia hodiaŭa kompreno de atomoj. Tamen neniu jam uzis kvantuman meĥanikon por priskribi ĝin. Tion la Dana fizikisto Niels Bohr en 1913 por ekspliki la strangan interagon inter elektronoj kaj lumo. Kion li observis estis ke atomoj nur absorbas kaj elsendas lumon de tre specifaj ondolongoj (koloroj). Ĉiu atomo havas sian propran skemon de ondolongoj kaj tio videblas kiam oni rigardas la spektron de lumo kiu trairas atomon aŭ elsendiĝis de ĝi. La revolucia ideo de Bohr estis ke la cirklaj orbitoj de la elektronoj nur povas havi tre specifajn radiusojn. Tiuj radiusoj nomiĝas ŝeloj. Elektronoj ne povas havi energion inter du ŝeloj kaj do iras de ŝelo al ŝelo en tutaj paŝoj. Kiam elektrono absorbas lumon ĝi do saltas al la sekva elektronŝelo kaj nur absorbas specifan ondolongon de la lumo kies energio kongruas kun la energia diferenco inter la du ŝeloj. Kiam la elektrono refalas al sia originala ŝelo, ĝi elsendas lumon de tiu sama ondolongo.

En 1926, Erwin Schrödinger el Aŭstrio pli detale ellaboris la kvantuman meĥanikon de la atomo kun la ideo de Louis de Broglie ke elektronoj havas kvalitojn de kaj partikloj kaj ondoj. Schrödinger vidis la ŝelojn el la modelo de Bohr ne kiel cirklajn orbitojn, sed kiel starantajn ondojn. Li matematike priskribis tiujn ondojn kaj laŭ li oni ne povas priskribi la ekzaktan pozicion de elektronon, sed ja la probablecon ke elektrono troviĝas en specifa loko. Tiel oni povas kalkuli ke estas specifaj “nuboj” ĉirkaŭ la kerno en kiu la probableco de trovi elektronon estas sufiĉe granda. Tiuj nuboj nomiĝas orbitaloj.

La lasta partiklo de la atoma puzlo estis malkovrata de la Anglo James Chadwick en 1932 kiam li disfaligis berilion per alfa-partikloj kaj observis novan partiklon kiu ankaŭ povis disfaligi atomkernojn. Li konkludis ke la radio konsistis el partikloj kiuj estis pli malpli same pezaj kiel protonoj, sed sen ajna elektra ŝarĝo: neŭtronoj. Pro ilia elektra neŭtreco, neŭtronoj povis sen forpuŝo eniri la kernon de atomo kaj disfaligi ĝin, kio estis grava ilo kaj poste gvidis al kaj la nuklea bombo kaj nuklea energio.

Nun la standarda modelo estas ĝenerale akceptata. Tiu modelo priskribas interalie ke protonoj kaj neŭtronoj konsistas el tri pli etaj partikloj kiuj nomiĝas kvarkoj. Oni daŭre eksperimentas kun tiuj kaj aliaj fundamentaj partikloj kaj du aferoj estas certaj. La unua estas ke la atomo ne estas netranĉebla. La dua – kaj plej grava – afero estas ke ni neniam povos komforte sidiĝi malantaŭ la televidilo, ĉar por ĉiu respondo kiun ni trovas, ni elpensas dek novajn demandojn.

Advertisements

Respondi

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Ŝanĝi )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Ŝanĝi )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Ŝanĝi )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Ŝanĝi )

Connecting to %s