Atom

[Ometač]

1900. godine je bilo poznato da atom nije prosta, nedeljiva čestica, već da sadrži bar
jednu subatomsku česticu - elektron, koji je identifikovao Dž. Dž. Tomson (J.J. Thomson).
On je istakao da su elektroni grupisani kao grozdovi u po*zitivno naelektrisanom glavnom
delu atoma. Međutim, vrlo brzo je otkriveno da unutar atoma postoje i druge subatomske
čestice. Otkrivši radioaktivnost, Bekerel je identifikovao da se deo zračenja koje emituju
radioaktivne supstance sastoji od elektrona, ali su isto tako otkrivene i druge emisije.
Bračni par Kiri u Francuskoj i Ernest Raderford u Engleskoj, otkrili su emisiju koja je vršila
manju prodornost od mlaza elektrona. Raderford je ovu radijaciju nazvao »alfa*-zraci«, a
radijaciju elektrona »beta-zraci«. Pojedinačni elektroni - koji sačinjavaju ovu poslednju
radijaciju - jesu »beta-čestice«. Nađeno je i da su alfa-zraci sastavljeni od čestica koje su
nazvane »alfa-čestice«. Sva*kako, »alfa« i »beta« su prva dva slova grčkog alfabeta.

[Ometač]

U međuvremenu je francuski hemičar P. Vilar (P. Villard) otkrio treći oblik radioaktivne
emisije koji je nazvao »gama-zraci«, po trećem slovu grčke azbuke. Gama-zraci su uskoro
identifikovani kao radijacija slična X-zracima, ali sa kraćim talasnim dužinama.

Raderford je pomoću eksperimenta dokazao da magnetno polje skreće alfa-čestice mnogo
manje nego beta-čestice. Pored toga, one se odbijaju u suprotnom pravcu, što znači da
alfa-čestica ima pozitivno naelektrisanje, za razliku od negativnog naelektrisanja elektrona.
Na osnovu ve*ličine skretanja moglo se izračunati da alfa-čestice imaju bar dva puta veću
masu od vodonikovog jona koji ima najmanje poznato pozitivno naelektrisanje. Na veličinu
skretanja utiču kako masa čestice tako i njeno naelektrisanje. Ako je pozitivno
naelektrisanje alfa-čestice jednako naelektrisanju vodonikovog jona, njena masa je dvaput
veća od mase vodonikovog jona; ako je njegovo naelektrisanje dvaput veće, ona je četiri
puta veća od mase vodonikovog jona itd.

[Ometač]

Raderford je rešio ovaj problem 1909. godine, izolujući alfa-čestice. On je stavio nešto
radioaktivnog materijala u staklenu cev, tankih zi*dova, okruženu staklenom cevi debelih
zidova; između njih je bio vakuum. Alfa-čestice su mogle da probiju tanki unutrašnji zid,
ali ne i debeli spo*ljašnji zid. One su se tako reći odbijale od spoljašnjeg zida i pritom
gu*bile energiju, pa više nisu bile u stanju da probiju ni tanke zidove. Tako su bile
zatvorene između dva zida. Sada je Raderford, pomoću jednog električnog pražnjenja,
pobudio alfa-čestice tako da su se užarile. Čestice su pokazivale spektralne linije helijuma.
(Postalo je očigledno da su alfa*-čestice proizvedene od strane radioaktivnih supstanci u
Zemlji izvor helijuma u izvorima prirodnog gasa.) Ako je alfa-čestica helijum, njena masa
mora da je četiri puta veća od mase vodonika. Ovo, sa svoje strane, znači da količina
njenog pozitivnog naelektrisanja iznosi dve je*dinice, uzimajući da vodonikov jon
predstavlja jedinicu naelektrisanja. Raderford je kasnije identifikovao u atomu još jednu
pozitivnu če*sticu.

[Ometač]

Ona je stvarno bila otkrivena mnogo godina ranije, ali nije bila dokazana. Koristeći jednu
katodnu cev sa izbušenom katodom, nemački fizičar Eugen Goldštajn (Eugen Goldstein)
otkrio je novu radijaciju koja je prolazila kroz šupljine katode u pravcu suprotnom
kretanju samih katodnih zrakova. On je to nazvao »Kanalstrahlen« (kanalski zraci). Ovo
zračenje je 1902. godine bilo prva prilika kada je Dopler-Fizov efekat bio otkriven u
jednom zemaljskom izvoru svet1osti. Ne*mački fizičar Johanes Štark (Johannes Stark)
postavio je jedan spektro*skop tako da su zraci ulazili prema njemu i pokazivali skretanje
ka ljubi*častom kraju spektra. Za ova istraživanja je Štark dobio Nobelovu na*gradu za
fiziku 1919. godine.

Pošto se kanalski zraci kreću u pravcu suprotnom kretanju negativno naelektrisanih
katodnih zrak ova, Tomson je smatrao da ovo zračenje treba nazvati »pozitivni zraci«.
Pokazalo se da čestice »pozitivnih zrakova« mogu lako da prođu kroz materiju. Zato je
ocenjeno da su mnogo manje nego obični joni ili atomi. Veličina njihovog skretanja u
magnetnom polju ukazuje da najmanje među ovim česticama imaju isto .naelektrisanje i
masu kao i vodonikov jon, pod pretpostavkom da ovaj jon nosi najmanju mo*guću
jedinicu pozitivnog naelektrisanja. Stoga je zaključeno da je čestica pozitivnog zraka
osnovna pozitivna čestica - pandan elektrona. Raderford ju je nazvao »proton« (po grčkoj
reči za »prvi«).

[Ometač]

Proton i elektron nose stvarno jednaka, mada suprotna naelektrisa*nja, iako je proton
1.836 puta po masi veći od elektrona. Zato je izgle*dalo verovatno da je atom sastavljen
od protona i elektrona koji uza*jamno uravnotežuju svoja naelektrisanja. Takođe se činilo
da se protoni nalaze u unutrašnjosti atoma, jer dok su se elektroni mogli lako odvojiti,
protoni to nisu mogli. Sada se postavilo sledeće važno pitanje: kakvu strukturu čine ove
čestice atoma?

Sam Raderford je dao prvi deo odgovora. Od 1906. godine do 1908. godine on je
»puštao« alfa-čestice na tanku metalnu foliju (od zlata ili plati ne) kako bi ispitao njene
atome. Veći deo projektila je prolazio kroz folije bez skretanja (kao kada tane prođe kroz
list na drvetu). Neki projektili ipak nisu prošli: Raderford je na fotografskoj ploči, koja je
služila kao meta iza metala, našao neočekivani uzorak rasturanja pogo*daka oko centralne
tačke, i da su se neke čestice odbijale. Izgledalo je kao da neki projektili nisu prošli kroz
listove, već da su se odbijali od nečeg više materijalnog.

[Ometač]

[Ometač]

Raderford je zaključio da je ono od čega su čestice odbijale neka vrsta gustog jezgra koje
zauzima samo jedan vrlo mali deo zapremine atoma. Izgleda da najveći deo zapremine
atoma mora da je popunjen elektronima. Kako su naelektrisane alfa-čestice probijale
metalnu foliju, suočavale su se obično samo sa elektronima i oni su potisnuli u stranu ovu
penu lakih čestica, tako reći bez skretanja. Ali, s vremena na vreme poneka alfa-čestica
može da pogodi gušće jezgro atoma i tada bude odbi*jena. Cinjenica da se to dešava
samo povremeno pokazuje da su atom*ska jezgra zaista vrlo mala, jer se projektil koji
prolazi kroz metalnu foliju mora susresti sa mnogo hiljada atoma.

Bilo je logično pretpostaviti da je čvrsto jezgro sastavljeno od pro*tona. Raderford je
prikazao protone jednog atoma kao nagomilane u jed*nom sićušnom »atomskom jezgru«
kao centru. (Otada se smatra da ovo jezgro ima prečnik nešto veći od 1/100.000 jednog
celog atoma.) Osnovni model atoma je, prema tome, sledeći: jedno pozitivno naelektrisano
jezgro, koje zauzima vrlo malo prostora, ali sadrži gotovo celu masu atoma, okruženo je
mnoštvom elektrona, koji zauzimaju gotovo celu zapreminu atoma, ali praktično ne
predstavljaju ništa od njegove mase. Za vanredni pionirski rad na bitnoj prirodi materije
Raderfordu je 1908. godine dodeljena Nobelova nagrada za hemiju.

[Ometač]

[Ometač]

Sada je bilo omogućeno da se određenije opišu pojedinačni atomi i njihovo ponašanje.
Atom vodonika, na primer, sadrži samo jedan elektron. Ukoliko se on ukloni, preostali
proton se odmah priključuje nekom su*sednom molekulu. Ali, kada ogoljeno vodonikovo
jezgro ne nađe elek*tron da bi se sparilo ono deluje kao proton - što će reći kao jedna
subatomska čestica - i u ovom obliku može da probije materiju i reaguje sa drugim
jezgrima, ako raspolaže dovoljnom energijom.

Helijum sa dva elektrona ne lišava se lako jednog elektrona. Njegova dva elektrona
obrazuju zatvorenu ljusku i atom je zato inertan. Međutim, ukoliko se helijum liši oba
elektrona, on postaje a1fa-čestica - to jest sub atomska čestica koja nosi dve jedinice
pozitivnog naelektrisanja.Treći elemenat - litijum - ima u svom atomu tri elektrona. Lišen
jednog ili dva elektrona, on postaje jon. Ako se sva tri njegova elektrona uklone, takođe
postaje ogoljeno jezgro koje nosi pozitivno naelektrisanje od tri jedinice.Broj jedinica
pozitivnog naelektrisanja u jezgru nekog atoma mora da bude potpuno jednak broju
elektrona koje normalno sadrži, jer je atom kao celina obično neutralan. U stvari, redni
brojevi elemenata zasnivaju se radije na njihovim jedinicama pozitivnog, a ne negativnog
naelektrisanja, jer se može lako učiniti da broj elektrona nekog atoma varira u jonskoj
formaciji, dok se broj njegovih protona vrlo teško može izmeniti.

[Ometač]

Tek što je ova shema konstrukcije atoma izgrađena, a već je iskrsla nova zagonetka. Broj
jedinica pozitivnog naelektrisanja u jezgru uopšte nije uravnotežen sa težinom jezgra ili
njegovom masom, osim u slučaju atoma vodonika. Jezgro helijuma, na primer, ima
pozitivno naelektri*sanje od 2 jedinice, ali je poznato da ima četiri puta veću masu od
jezgra vodonika. Situacija je sve složenija kada se krene po periodnom sistemu dalje: kod
urana imamo jezgro sa masom od 238 protona, ali naelektrisanje od samo 92 jedinice.

Kako jezgro koje sadrži četiri protona (pretpostavlja se da je takvo jezgro helijuma) može
da ima samo dve jedinice pozitivnog naelektrisanja? Prva i najjednostavnija pretpostavka
je bila da se ove dve jedinice naelektrisanja neutralizuju pri:mstvom u jezgru negativno
naelektrisanih čestica zanemarljive težine. Prirodno, pomis1ilo se odmah na elektron.
Zagonetka se možda može rešiti ako se pretpostavi da se jezgro helijuma sastoji od četiri
protona i dva neutralna elektrona, ostavljajući čisto pozitivno naelektrisanje od dve
jedinice - i tako dalje sve do urana čije jezgro ima 238 protona i 146 elektrona, čisto 92
jedinice po*zitivnog naelektrisanja. Na ovu pomisao je podstakla činjenica da radio*aktivna
jezgra stvarno emituju elektrone, tj. beta-čestice.

[Ometač]

Ovakvo gledanje na materiju je preovlađivalo više od jedne decenije, dok na osnovu drugih
istraživanja nije dobijen bolji odgovor. Ali, u me*đuvremenu su se pojavili neki ozbiljni
prigovori na ovu hipotezu. S jedne strane, ako je jezgro u osnovi izgrađeno od protona, pri
čemu laki elek*troni praktično nimalo ne povećavaju masu, kako je moguće da rela*tivne
mase raznih jezgara ne predstavljaju cele brojeve? Prema odre*đenim atomskim težinama,
jezgro atoma hlora, na primer, ima masu koja je 35 1/2 puta veća od jezgra vodonika. Da li
to znači da on sadrži 35,5 protona? Nijedan naučnik (ni tada ni danas) nije mogao da
prihvati ideju o polovini protona.

U stvari, na ovo konkretno pitanje je postojao odgovor čak i pre nego što je bio rešen glavni
problem. Ovo je samo po sebi interesantna priča.

[Ometač]

Unutrašnjost jezgra


Pošto se tako mnogo saznalo o opštem sastavu i prirodi jezgra, postoji velika radoznalost u
pogledu njegove strukture, naročito fine unutrašnje strukture. Pre svega, kakvog je oblika?

Pošto je tako malo i tako nabijeno neutronima i protonima, fizičari normalno
pretpostavljaju da je jezgro sferično. Izvanredni podaci spektara atoma ukazuju da mnoga
jezgra imaju sferični raspored naelektrisanja. Neka jezgra to nemaju: ponašaju se kao da
imaju dva para magnetnih polova i za ova jezgra se kaže da imaju “kvadripolni momenat”.
Njihovo odstupanje od sferičnosti nije veliko. Najveće je kod jezgara lantanoida u kojima
raspored naelektrisanja izgleda da sačinjava jedan izduženi sferoid. Cak i ovde uzdužna
osa nije više od 20 procenata veća od poprečne ose.

[Ometač]

Sto se tiče unutrašnje strukture jezgra, najjednostavniji model je prikazuje kao čvrsto
sabijenu kolekciju čestica dosta nalik na kap tečnosti, gde su čestice (molekuli) tesno
sabijene, sa malo međuprostora, gde je gustina praktično ravnomerna na svim mestima i
gde postoji oštra površinska granica.

Ovaj "model tečne kapi" je prvi detaljno razradio 1936. godine Nils. Bor. Ovaj model daje
moguće objašnjenje apsorpcije i emisije čestica nekih jezgara. Kada čestica uđe u jezgro,
može se pretpostaviti da ona raspoređuje svoju energiju kretanja među sve blisko sabijene
čestice, tako da nijedna čestica ne dobija toliko energije da se odmah odvoji. Posle možda
jednog kvadrilionitog dela sekunde, kada ima vremena za milijarde slučajnih kolizija, neka
čestica prikupi dovoljno energije da izleti iz jezgra.

[Ometač]

Model "tečne kapi" može isto tako da objasni emisiju alfa-čestica koju vrše teška jezgra -
to znači, nestabilni elementi sa rednim brojevima iznad 83. U ovim teškim jezgrima
nuklearne sile kratkog dometa ne mogu da prekorače udaljenost veću od prečnika jezgra;
otuda može da nastane - sila odbijanja između pozitivnih čestica. Kao rezultat toga, delovi
jezgra u obliku dvoprotonske, dvoneutronske alfa-čestice (vrlo stabilna kombinacija) mogu
da se spontano odvoje sa površine jezgra. Pošto se jezgro raspadne u takav oblik da
nuklearna sila nadjača silu odbijanja, ono postaje stabilno.

Model u obliku tečne kapi ukazuje na drugi oblik nuklearne nestabilnosti. Kada se velika
kap tečnosti suspenduje u drugu tečnost pomoću struje u fluidu koji je okružuje, ona se
neprestano kreće, teži da se raspadne u manje kuglice, često deleći se na grubo jednake
polovine. Možemo da zamislimo da je fisija urana analogna ovom procesu. Ovo jezgro,
koje je sposobno da se cepa, počinje takoreći da treperi kada ga pogodi jedan neutron.
Može da dobije oblik gimnastičkog đuleta (kao što to čini kap) i u tom slučaju nuklearne
sile privlačenja ne dostižu od jednog kraja đuleta do drugog, što ima za posledicu da ga
odbojna sila razdvaja na dva dela. Bor je dao ovo objašnjenje kada je otkrivena nuklearna
fisija.

[Ometač]

Druga jezgra, pored urana 235, trebalo bi takođe da budu (dokazala su da jesu) podložna
fisiji, ukoliko dobiju dovoljno početne energije. U stvari, ako je jezgro tako veliko da
odbojne sile postaju značajne, ono bi trebalo da povremeno vrši fisiju, čak i bez početne
energije. (Ovo je kao da se kaže da jezgro u obliku kapi uvek vibrira i titra a, s vremena na
vreme, vibracija je dovolino jaka da stvori gimnastičko đule i dovede do razdvajanja.)

Ruski fizičari G. N. Flerov i K. A. Petrjak su 1940. godine zaista otkrili da se teži izotop
urana, U-238, ponekad spontano cepa bez dodatne čestice. Uran pokazuje nestabilnost
uglavnom emitujući alfa-čestice, ali u jednoj funti urana ima četiri spontane fisije u
sekundi, dok oko 8 miliona jezgara emituje alfa-čestice.

Kako je moguće da ima mesta za nezavisne ljuske nukleona u sićušnom tesno sabijenom
jezgru? Ali bez obzira na to postoje dokazi da tamo ima i nešto praznog prostora". Na
primer, u mezonskom atomu mezon može praktično da kratko vreme kruži po jednoj orbi
ti unutar jezgra. I Robert Hofšteter je našao da se jezgro sastoji od veoma gustog centra
okruženog jednim "omotačem" opadajuće gustine. Debljina omotača iznosi oko polovinu
poluprečnika jezgra, tako da u stvari čini sedam osmina zapremine.

[Ometač]

Na osnovu analogije sa situacijom u elektronskim ljuskama atoma, može se pretpostavljati
da jezgra sa popunjenim spoljašnjim nukleonskim ljuskama treba da budu stabilnija od
onih čije spoljašnje ljuske nisu popunjene. Fizičar sa univerziteta u Cikagu, Marija Gepert -
Majer (Maria Goeppert-Mayer) pokazala je da su naročito stabilna jezgra koja sadrže 2, 8,
20, 50, 82 ili 126 protona ili neutrona. Ovi "brojevi ljuski" ponekad se nazivaju "magičnim
brojevima". Među jezgrima sa magičnim brojem su helijum 4 (dva protona i dva neutrona)
kiseonik 16 (osam protona i 8 neutrona) i kalcij um 40 (20 protona i 20 neutrona) - svi
naročito stabilni i obilniji u svemiru od drugih jezgara sličnih dimenzija. Najupečatljiviji je
kalaj (50 protona) koji ima deset stabilnih izotopa. Očigledno, posedovanje 50 protona
tako stabilizuje jezgro da postaje moguć širok izbor neutronskih brojeva.

Bez obzira koliko su ovi modeli korisni, oni su međusobno protivrečni i zato fizičari nisu
mnogo zadovoljni modelima koji su do sada predloženi. Oni bi želeli da pogledaju dublje u
jezgro i sa velikim nestrpljenjem očekuju izgradnju velikih, novih akceleratora sa kojima će
nastaviti analizu jezgara.

[причалица]

Naučni tim Univerziteta Grifit u Brizbejnu, Australija, fotografisao je senku atoma po prvi put, preneli su strani mediji.




Profesor Dejv Kielpinski iz Centra za kvantnu dinamiku pri Univerzitetu izjavio je da su naučnici želeli da vide šta sve mogu da istraže sa vidljivim svetlom.

- Hteli smo da ispitamo koliko je atoma potrebno da bace senku. Dokazali smo da je potreban samo jedan – rekao je Kielpinski.


- Dosegli smo ekstremnu granicu mikroskopije – ne možete da vidite ništa manje od atoma koristeći vidljivu svetlost – dodao je on.

Ključni deo opreme koji je omogućio ovo dostignuće je mikroskop veoma visoke rezolucije, koji čini senku dovoljno tamnom da se vidi. Uz pomoć tog mikroskopa atom je “zamrznut”, a senka je zatamnjena.




Držanje atoma mirnim dovoljno dugo da se fotografiše, iako je poduhvat za divljenje, nije nova tehnologija – atom je izolovan u komori i držan u prostoru uz pomoć električnih sila.

Naučni tim je “zarobio” monoatomske jone elementa iterbijuma i izložio ih posebnoj svetlosnoj frekvenciji. Pod tom svetlošću, senka atoma bačena je na detektor, što je omogućilo da se senka fotografiše digitalnim foto-aparatom.

Preciznost je pri tom bila ključna.
- Da smo promenili frekveniciju svetla bačenog na atom za samo jedan delić od milijardu, slika ne bi mogla da se vidi – rekao je Kielpinski.

Rezultati petogodišnejg rada istraživača objavljeni su u magazinu “Priroda - komunikacije” (Nature Communications).

izvor: www.blic.rs