Атом и његови елементи кроз историју

[kojica]

Проф. Станко Мандић

Леукип грчки филозоф је први човек који је веровао да је сва материја изграђена
од атома. Веровао је да је цео свет изграђен од потпуно истих, малих и евидљивих
тела, названих атомима. Реч атом потиче од грчке речи “атомос” која у преводу значи
недељив, а то је била основна особина атома. Другачију идеју је имао грчки филозоф,
Демокрит. За разлику од Леукипа сматрао је да атоми нису исти.



Леукип

[kojica]

Грчки филозофи нису материју проучавали експериментима, већ тајне природе
сазнавали су само размишљањем (мисаоним експериментом). Атом су схватали на
интересантан начин, нпр. супстанцију сецкају специјалним ножем на све ситније и
ситније делиће, у једном тренутку дошли би само до најситнијег делића дате
супстанције који се даље не може сећи, и тај делић назвали су атом.

Демокрит је сматрао да облик и величина атома нису исти. Тврдио је да величина,
облик и распоред атома одређују особине супстанције. Овакво размишљање
Леукипа, а нарочито Демокрита и његових следбеника било је донекле слично
данашњим идејама и може се рећи, врло напредно за то доба.



Демокрит

[kojica]

Демокритове идеје падале су у заборав све до времена Галилеја и многих генијалних научника,
који су покренули нови талас истраживања у свим областима. Роберт Бојл један од покретача
модрене хемије био је један од њих. Дефинисао је хемијске елементе као делиће материје који
се не могу даље раставити. Сматрао је да су особине материје везане за њене различите облике
и не могу јој се по својој вољи ни додати, ни одузети.

Велики допринос развоју идеје о атому дао је и Руђер Бошковић. Сматра се материја састоји од
примарних честица које су невидљиве, без димензија и међусобно одвојене празним простором.
Бошковић је тврдио да су те честице геометријске тачке, да немају димензије. Ова идеја била је
прилично несхватљива у XVIII веку, али у XX веку физичари су се вратили тој идеји, и пронашли
су честицу која одговара том опису и назвали су је кварк.



Руђер Бошковић

[kojica]

Основе хемије коју ми данас познајемо успоставио је Далтон. Закључио је да се
елементи састоје од невидљивих и неуништивих делића - атома.

Сматрао је да су сви атоми истог елемента исти, а разликују се од атома другог
елемента. Атоми се једине у односу целих простих бројева, а када се
једине у различитим односима онда морају да граде више од једног једињења.

Одредио је релативне атомске масе елемената у односу на најлакши водоник,
коме је доделио масу један. Елементе је обележавао као кругове, који садрже
симбол или слово, а куглице је употребљавао као моделе атома. Берцелијус је
1828. год. проверио важење овог закона и објавио прву таблицу елемената.
Одредио је одредио атомске масе и за друге тада познате елементе. Његов највећи
допринос науци је обележавање хемијских елемената хемијским симболима.

Супротно очекивањима, уочио је да атомске масе многих елемената нису цели
бројеви. Ово је био врло важан закључак који ће у наредним деценијама бити
потврђен као последица постојања изотопа.

Мендељејев је 1869. год. успео да уреди таблицу хемијских елемената, поставио је
периодни или природни закон хемијских елемената: ”Особине простих тела, као и
облик и особине једињења елемената налазе се у периодичној зависности од
величине атомских маса”. Значи, низ елемената по растућој атомској маси показује
периодичност својстава.

[kojica]

Далтонова теорија да је атом недељив оборена је 1897. јер је Ј.Ј. Томсон утврдио
да су катодни зраци уствари брзи електрони. Не само да је открио електрон, већ је
успео да измери његово наелектрисање и масу. За њега су атоми сложене
честице састављене од једнаких позитивних и негативних делића.

Утврдио је да је наелектрисање електрона једнако наелектрисању протона.
Поставио је први модел сложене структуре атома. Године 1917. израчунао је
најмању количину електрицитета 1,6002 1020 С. Ова величина назива се
елементарно наелектрисање. Ово је количина негативног наелектрисања коју
поседује електрон (протон има исту количину наелектрисања, само је то
наелектрисање позитивно). Радефорд је познат по експерименту у коме је успео
да “види” атомско језгро.Он је 1909. год. бомбардовао позитивно наелектрисаним
алфа честицама (одбијеним из радијума) танку фолију од злата. Нашао је да је
однос између одбијених и пропуштених алфа честица 1:10 000. На основу
резултата закључио је да атом има позитивно наелектрисано језгро чији је пречник
10 000 пута мањи од пречника атома. Чадвик (Chadwick) је објаснио да се језгро
атома састоји од две врсте честица: позитивно наелектрисаних протона и честица
које немају наелектрисање - неутрона.

Након открића Радерфорда постојала је хипотеза о томе како изгледа атом, али је
било и много недоумица. Највећи проблем било је чувено питање: ’’Зашто електрон
не падне на језгро?” Класичним размишљањем долази се до закључка да се то
мора десити, јер свака наелектрисана честица која се креће зрачи и губи енергију.
Временом би се енергија електрона смањивала и његова путања не би била
стабилна, већ би била спирала ка језгру.

[kojica]

Овај проблем решио је дански физичар Нилс Бор 1913. год. поставивши нови модел
атома. На основу експеримената Бор је поставио три позната постулата. Према
Боровом моделу атом се налазе у стационарном стању, када не зрачи енергију, јер
се електрон креће по некој од дозвољених путања.

Ако се креће по дозвољеној путањи најближој језгру онда се атом налази у
основном стању које је најстабилније. Када атому доведемо енергију он прелази у
побуђено стање, односно електрон прелази на вишу путању. Електрон може да
прима (или емитује) тачно одређену количину енергије која није континуална већ
је “квантована” (може имати тачно одређене износе). Квант је најмањи “пакетић”
енергије. Идеју о кванту енергије у физику је увео 1900. год. Макс Планк.

Увођење квантне енргије не само да је решило проблем стабилности атома, оно је
покренуло један потпуно нов поглед на свет и почетком XX века покренуло развој
најсавршеније физичке теорије - квантне теорије.

[kojica]

Развој квантне теорије је утицао на промену Боровог модела атома. Боров модел
је врло добар за разумевање основних особина појединачних атома, али за објаш-
њење природе хемијске везе био је потребан квантномеханички модел. Луј Де Брољ
је поставио овај модел 1923. год. тврдивши да се електрон понаша као честица и као
талас. Теоријским разматрањем нашао је аналогију између зрака светлости и катодних
зрака (снопа електрона). Према Де Брољовој хипотези сваком електрону, тј. свкој честици,
може се приписати талас одређене таласне таласне дужине. Тласна дужина (λ) је обрнуто
пропорционална маси и брзини честице, дата је формулом
λ = h/mv
где је h-Планкова константа, m-маса, a v-брзина честице.

Тек 1927. год. физичари Девисон и Џермер су доказали експериментално да је ова хипотеза
тачна, интерференцијом катодних зрака на кристалима.

[kojica]

Аустријски физичар Шредингер математички је представио везу између
корпускуларних и таласних особина електрона и његових енергетских стања. За
кретање електрона као таласа важи таласна једначина и ту је уврстио вредност за
масу и брзину електрона, која се назива шредингерова једначина. Хајзенберг је
1925. год. доказао да није могуће истовремено одредити брзину (односно импулс)
електрона и његов положај у простору. Пошто се електрону не могу приписати
тачно одређене путање може се само говорити о вероватноћи налажења
електрона у простору око језгра. Решавањем гломазне Шредингерове
једначине долази се до резултата где се максимална вероватноћа налажења
електрона поклапа са орбитама електрона по Боровом моделу.

Атомско језгро је центар атома око којег се крећу сви електрони из атомског
омотача. Карактеристични полупречници атомских језгара су приближно десет
хиљада пута мањи од полупречника атома и износе неколико фетометара. Језгро се
састоји од два типа честица: позитивно наелектрисаних протона (р) и неутралних
неутрона (n).

[kojica]

До данас је проучено више од 1.500 различитих језгара. Укупно 275 језгара од овог
броја је стабилно. Педесетак језгара која постоје у природи су радиоактивна., тј.
спонтано се трансформишу испуштајући α- или β- честице. Сва остала језгра
произведена су вештачки тако што су стабилна језгра бомбардована неутронима
или другим наелектрисаним честицама високих енергија.

Карактеристике језгра су: маса, спин, наелектрисање, као и дискретни скуп
потпуно одређених, а за свако језгро различитих, енергијских нивоа.

Данас појам елементарна честица, у ужем значењу те речи, означава објект
без унутрашње структуре, без облика и димензија, најједноставнији, даље
недељиви комадић материје. Елементарне честице се класификују према квантним
бројевима који описују њихове унутрашње особине: према маси мировања,
наелектрисању, спину, изоспину, страности, итд. Једине стабилне честице у
природи су фотони (g),електрони (е), протони (р), и неутрино (ν). Неутрон (n) је
такође, стабилан, али само када се налази у саставу језгра.Све остале честице се
распадају на стабилне честице директно, или емисијом других честица, које се
опет распадају.

[kojica]

Стандардни модел, најприхваћенија теорија данас, заснива се на три кључне
претпоставке. Прво, целокупна материја сачињена је од две групе честица -
шест лептона и шест кваркова. Имајући у виду да свакој одговара по једна
античестица, број се удвостручује - 24 основне или “градивне циглице”. Друго,
међудејства (интеракције) честица, описана математичким законима, почивају на
три силе - слабој, електромагнетској и јакој (гравитациона се занемарује у свету
елементарних честица). Треће, дејство или преношење сила обавља се разменом
честица, при чему свакој врсти набоја одговара одређена честица преносилац
(бозон).

Данас се истражује Хигсов бозон, из којег се масом напајају све остале честице у
космосу, требало би да упадне у зготовљену замку. Када се он измери и изучи,
разоткриће се једна од највећих тајни физике и космологије: порекло масе честица.