Sedan tidens början har människor försökt förstå vad universum och allt inom det består av. Och medan antika magier och filosofer uppfattade en värld bestående av fyra eller fem element - jord, luft, vatten, eld (och metall eller medvetande) - av den klassiska antiken, började filosofer att teoretisera att all materia faktiskt bestod av små, osynliga och odelbara atomer.
Sedan den tiden har forskare engagerat sig i en process med pågående upptäckt med atomen, i hopp om att upptäcka dess sanna natur och smink. Vid 1900-talet förfinades vår förståelse så att vi kunde konstruera en exakt modell av den. Och under det senaste decenniet har vår förståelse gått ännu längre, så att vi har kommit för att bekräfta att nästan alla dess teoretiserade delar finns.
Idag är atomforskningen inriktad på att studera materiens struktur och funktion på den subatomära nivån. Detta består inte bara av att identifiera alla subatomära partiklar som tros utgöra en atom utan att undersöka krafterna som styr dem. Dessa inkluderar starka kärnkrafter, svaga kärnkrafter, elektromagnetism och gravitation. Här är en sammanfattning av allt vi har kommit att lära oss om atomen hittills ...
Atomets struktur:
Vår nuvarande modell av atomen kan delas upp i tre beståndsdelar - protoner, neutron och elektroner. Var och en av dessa delar har en tillhörande laddning, med protoner som bär en positiv laddning, elektroner med en negativ laddning och neutroner som inte har någon nettoladdning. I enlighet med standardmodellen för partikelfysik utgör protoner och neutroner atomens kärna, medan elektroner kretsar runt den i ett "moln".
Elektronerna i en atom dras till protonerna i kärnan av den elektromagnetiska kraften. Elektroner kan fly från sin bana, men bara som svar på en extern energikälla som appliceras. Ju närmare elektronbanan är kärnan, desto större är den attraktiva kraften; alltså, desto starkare är den yttre kraften som behövs för att få en elektron att fly.
Elektroner kretsar kring kärnan i flera banor, som var och en motsvarar en viss energinivå hos elektronen. Elektronen kan ändra sitt tillstånd till en högre energinivå genom att absorbera en foton med tillräcklig energi för att öka den till det nya kvanttillståndet. På samma sätt kan en elektron i ett högre energitillstånd sjunka till ett lägre energitillstånd medan det strålar ut överskottet energi som en foton.
Atomer är elektriskt neutrala om de har lika många protoner och elektroner. Atomer som har antingen ett underskott eller ett överskott av elektroner kallas joner. Elektroner som är längst från kärnan kan överföras till andra närliggande atomer eller delas mellan atomer. Genom denna mekanism kan atomer binda till molekyler och andra typer av kemiska föreningar.
Alla dessa tre subatomära partiklar är Fermions, en klass av partiklar förknippade med materia som antingen är elementära (elektroner) eller komposit (protoner och neutroner) i naturen. Detta innebär att elektroner inte har någon känd inre struktur, medan protoner och neutroner består av andra subatomära partiklar. kallade kvarkar. Det finns två typer av kvarkar i atomer, som har en fraktionerad elektrisk laddning.
Protoner består av två "upp" -kvarkar (var och en med en laddning på +2/3) och en "ned" -kvark (-1/3), medan neutroner består av en upp-kvark och två ned-kvarkar. Denna skillnad står för skillnaden i laddning mellan de två partiklarna, som räknar ut till en laddning av +1 respektive 0, medan elektroner har en laddning av -1.
Andra subatomära partiklar inkluderar leptoner, som kombineras med Fermions för att bilda byggstenar av materia. Det finns sex leptoner i den nuvarande atommodellen: elektron-, muon- och taupartiklarna och deras tillhörande neutrino. De olika varianterna av Lepton-partiklarna, vanligtvis kallade "smaker", är differentierade efter deras storlek och laddningar, vilket påverkar nivån på deras elektromagnetiska interaktioner.
Sedan finns det Gauge Bosons, som är kända som "styrkebärare" eftersom de förmedlar fysiska krafter. Till exempel är gluoner ansvariga för den starka kärnkraften som håller kvarter tillsammans medan W och Z-bosoner (fortfarande hypotetiska) tros vara ansvariga för den svaga kärnkraften bakom elektromagnetismen. Fotoner är den elementära partikeln som utgör ljus, medan Higgs Boson ansvarar för att ge W- och Z-bosonerna sin massa.
Atomisk massa:
Huvuddelen av en atoms massa kommer från protonerna och neutronerna som utgör dess kärna. Elektroner är den minst massiva av en atoms beståndsdelar med en massa på 9,11 x 10-31 kg och en storlek för liten för att mätas med nuvarande tekniker. Protoner har en massa som är 1 836 gånger elektronens, vid 1,6726 × 10-27 kg, medan neutroner är de mest massiva av de tre, vid 1,6929 × 10-27 kg (1 839 gånger elektronens massa).
Det totala antalet protoner och neutroner i en atoms kärna (kallad "nukleoner") kallas massantalet. Till exempel heter elementet kol-12 så att det har ett massantal 12 - härrörande från dess 12 nukleoner (sex protoner och sex neutroner). Emellertid är element också arrangerade baserat på deras atomnummer, vilket är samma som antalet protoner som finns i kärnan. I detta fall har Carbon ett atomnummer på 6.
Den faktiska massan hos en atom i vila är mycket svår att mäta, eftersom även de mest massiva atomerna är för lätt att uttrycka i konventionella enheter. Som sådan använder forskare ofta den enhetliga atommasseenheten (u) - även kallad dalton (Da) - som definieras som en tolfedel av massan i en fri neutral atom med kol-12, som är ungefär 1,66 × 10-27 kg.
Kemister använder också mol, en enhet definierad som en mol av alla element som alltid har samma antal atomer (cirka 6,022 × 1023). Detta antal valdes så att om ett element har en atommassa på 1 u, har en mol atomer av det elementet en massa nära ett gram. På grund av definitionen av den enhetliga atommasseenheten har varje kol-12-atom en atommassa på exakt 12 u, och så väger en mol kol-12 atomer exakt 0,012 kg.
Radioaktivt avfall:
Alla två atomer som har samma antal protoner tillhör samma kemiska element. Men atomer med lika många protoner kan ha ett annat antal neutroner, som definieras som olika isotoper av samma element. Dessa isotoper är ofta instabila, och alla som har ett atomantal större än 82 är kända för att vara radioaktiva.
När ett element genomgår förfall förlorar dess kärna energi genom att avge strålning - som kan bestå av alfapartiklar (heliumatomer), beta-partiklar (positroner), gammastrålar (högfrekvent elektromagnetisk energi) och omvandlingselektroner. Den hastighet med vilken ett instabilt element förfaller kallas dess "halveringstid", vilket är den tid som krävs för att elementet ska falla till halva dess initiala värde.
Stabiliteten hos en isotop påverkas av förhållandet mellan protoner och neutroner. Av de 339 olika typer av element som förekommer naturligt på jorden har 254 (cirka 75%) märkts som "stabila isotoper" - dvs inte utsatta för förfall. Ytterligare 34 radioaktiva element har halveringstider längre än 80 miljoner år och har också funnits sedan det tidiga solsystemet (varför de kallas ”primordiala element”).
Slutligen är ytterligare 51 kortlivade element kända för att uppstå naturligt, som "dotterelement" (dvs kärnbiprodukter) av förfall av andra element (såsom radium från uran). Dessutom kan kortlivade radioaktiva element vara resultatet av naturliga energiprocesser på jorden, till exempel kosmisk strålebombardement (till exempel kol-14, som förekommer i vår atmosfär).
Studiens historia:
De tidigaste kända exemplen på atomteori kommer från antika Grekland och Indien, där filosofer som Democritus postulerade att all materia var sammansatt av små, odelbara och oförstörbara enheter. Begreppet ”atom” myntades i det antika Grekland och gav upphov till tankeskolan känd som ”atomism”. Men denna teori var mer ett filosofiskt begrepp än en vetenskaplig.
Det var först på 1800-talet som atomteorin formulerades som en vetenskaplig fråga, med de första evidensbaserade experimenten som genomfördes. I början av 1800-talet använde till exempel den engelska forskaren John Dalton begreppet atom för att förklara varför kemiska element reagerade på vissa observerbara och förutsägbara sätt.
Dalton började med frågan om varför element reagerade i förhållanden mellan små heltal och drog slutsatsen att dessa reaktioner inträffade i heltal med flera multipla diskreta enheter - med andra ord atomer. Genom en serie experiment med gaser fortsatte Dalton med att utveckla det som kallas Daltons Atomic Theory, som fortfarande är en av hörnstenarna i modern fysik och kemi.
Teorin kommer till fem lokaler: element, i deras renaste tillstånd, består av partiklar som kallas atomer; atomer i ett specifikt element är desamma, ända fram till den sista atomen; atomer från olika element kan delas isär med sina atomvikter; atomer av element förenas för att bilda kemiska föreningar; atomer kan varken skapas eller förstöras i kemisk reaktion, bara grupperingarna ändras någonsin.
I slutet av 1800-talet började forskare att teoretisera att atomen bestod av mer än en grundläggande enhet. Men de flesta forskare vågade sig att denna enhet skulle vara storleken på den minsta kända atomen - väte. Och sedan 1897, genom en serie experiment med användning av katodstrålar, fysiker J.J. Thompson meddelade att han hade upptäckt en enhet som var 1000 gånger mindre och 1800 gånger lättare än en väteatom.
Hans experiment visade också att de var identiska med partiklar som gavs av den fotoelektriska effekten och av radioaktiva material. Efterföljande experiment avslöjade att denna partikel transporterade elektrisk ström genom metalltrådar och negativa elektriska laddningar inom atomer. Därför ändrades partikeln - som ursprungligen kallades ett "corpuscle" - senare till "elektron", efter partikeln George Johnstone Stoney förutspådde 1874.
Emellertid postulerade Thomson också att elektroner fördelades över atomen, vilket var ett enhetligt hav med positiv laddning. Detta blev känt som ”plommapuddingmodellen”, som senare skulle bevisas fel. Detta ägde rum 1909, då fysikerna Hans Gieger och Ernest Marsden (under ledning av Ernest Rutherfod) genomförde sina experiment med metallfolie och alfapartiklar.
I överensstämmelse med Daltons atommodell trodde de att alfapartiklarna skulle passera rakt genom folien med liten avböjning. Många av partiklarna avledes emellertid i vinklar större än 90 °. För att förklara detta föreslog Rutherford att den positiva laddningen av atomen koncentreras i en liten kärna i mitten.
År 1913 föreslog fysiker Niels Bohr en modell där elektroner kretsade kring kärnan, men bara kunde göra det i en ändlig uppsättning banor. Han föreslog också att elektroner kunde hoppa mellan banor, men bara i diskreta energiförändringar motsvarande absorption eller strålning av en foton. Denna förfinade inte bara Rutherfords föreslagna modell utan gav också upphov till begreppet en kvantiserad atom, där materien uppförde sig i diskreta paket.
Utvecklingen av masspektrometern - som använder en magnet för att böja banan för en jonstråle - gjorde det möjligt att mäta massan av atomer med ökad noggrannhet. Kemisten Francis William Aston använde detta instrument för att visa att isotoper hade olika massor. Detta följdes i sin tur av fysikern James Chadwick, som 1932 föreslog neutronen som ett sätt att förklara existensen av isotoper.
Under hela det tidiga 1900-talet utvecklades atomernas kvantitet ytterligare. 1922 genomförde de tyska fysikerna Otto Stern och Walther Gerlach ett experiment där en stråle av silveratomer riktades genom ett magnetfält, som var avsett att dela strålen mellan riktningen av atomernas vinkelmoment (eller snurr).
Känd som Stern – Gerlach-experimentet var resultatet att strålen delades i två delar, beroende på om atomernas snurra var orienterad eller inte. 1926 använde fysikern Erwin Schrodinger idén om att partiklar uppträder som vågor för att utveckla en matematisk modell som beskrev elektroner som tredimensionella vågformer snarare än bara partiklar.
En konsekvens av att använda vågformer för att beskriva partiklar är att det är matematiskt omöjligt att erhålla exakta värden för både en partikels position och momentum vid en viss tidpunkt. Samma år formulerade Werner Heisenberg detta problem och kallade det ”osäkerhetsprincipen”. Enligt Heisenberg kan man för en given noggrann mätning av position bara erhålla ett intervall av troliga värden för fart, och vice versa.
På 1930-talet upptäckte fysiker kärnklyvning, tack vare experimenten från Otto Hahn, Lise Meitner och Otto Frisch. Hahns experiment involverade att rikta neutroner mot uranatomer i hopp om att skapa ett transuraniumelement. Istället vände processen urvalet uran-92 (Ur92) i två nya element - barium (B56) och krypton (Kr27).
Meitner och Frisch verifierade experimentet och tillskrev det att uranatomerna delade sig för att bilda två element med samma totala atomvikt, en process som också släppte en betydande mängd energi genom att bryta atombindningarna. Under åren som följde började forskning om möjlig vapenisering av denna process (dvs kärnvapen) och ledde till byggandet av de första atombomberna i USA år 1945.
Under 1950-talet tillät utvecklingen av förbättrade partikelacceleratorer och partikeldetektorer forskare att studera effekterna av atomer som rör sig vid höga energier. Från detta utvecklades standardmodellen för partikelfysik, som hittills framgångsrikt har förklarat kärnans egenskaper, förekomsten av teoretiserade subatomära partiklar och krafterna som styr deras interaktioner.
Moderna experiment:
Sedan senare hälften av 1900-talet har många nya och spännande upptäckter varit med avseende på atomteori och kvantmekanik. År 2012 ledde till exempel den långa sökningen efter Higgs Boson till ett genombrott där forskare som arbetade vid European Organization for Nuclear Research (CERN) i Schweiz meddelade sin upptäckt.
Under de senaste decennierna har fysiker en hel del tid och energi ägnat sig åt utvecklingen av en enhetlig fältteori (alias Grand Unifying Theory eller Theory of Everything). I huvudsak, sedan standardmodellen först föreslogs, har forskare försökt förstå hur universums fyra grundläggande krafter (tyngdkraft, starka och svaga kärnkrafter och elektromagnetism) fungerar tillsammans.
Medan tyngdkraften kan förstås med hjälp av Einsteins relativitetsteorier, och kärnkrafter och elektromagnetism kan förstås med hjälp av kvantteori, kan ingen av teorierna redogöra för alla fyra krafter som arbetar tillsammans. Försök att lösa detta har lett till ett antal föreslagna teorier under åren, allt från strängteori till slingkvantityvhet. Hittills har inga av dessa teorier lett till ett genombrott.
Vår förståelse av atomen har kommit långt, från klassiska modeller som såg den som ett inert fast ämne som samverkade med andra atomer mekaniskt, till moderna teorier där atomer består av energiska partiklar som uppför sig oförutsägbart. Det har tagit flera tusen år, men vår kunskap om den grundläggande strukturen i all materia har utvecklats avsevärt.
Och ändå finns det många mysterier som ännu inte ska lösas. Med tid och fortsatta ansträngningar kan vi äntligen låsa upp atomens sista återstående hemligheter. Återigen kan det mycket väl vara att alla nya upptäckter vi gör bara kommer att ge upphov till fler frågor - och de kan vara ännu mer förvirrande än de som kom innan!
Vi har skrivit många artiklar om atomet för Space Magazine. Här är en artikel om John Daltons atomodell, Neils Bohrs atomodell, Who Was Democritus ?, och hur många atomer finns det i universum?
Om du vill ha mer information om atomen, kolla in NASA: s artikel om analys av små prover, och här är en länk till NASA: s artikel om atomer, element och isotoper.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast om Atom. Lyssna här, avsnitt 164: Inside atom, avsnitt 263: Radioactive Decay, och avsnitt 394: The Standard Model, Bosons.
