Звідки ми знаємо, що все складається з атомів?

Гори, зірки, люди - все, що ми бачимо навколо, складається з крихітних атомів. Атоми маленькі. Дуже і дуже. З дитинства ми знаємо, що вся речовина складається з скупчень цих крихітних штучок. Також ми знаємо, що їх не можна побачити неозброєним оком. Ми змушені сліпо вірити цим заявам, не маючи можливості перевірити. Атоми взаємодіють один з одним і по цеглинці складають наш світ. Звідки ми це знаємо? Багато хто не любить приймати твердження вчених за чисту монету. Давайте разом з наукою пройдемо шлях від усвідомлення атомів до безпосереднього доказу їхнього існування.

Може здатися, що є простий спосіб довести існування атомів: засунути їх під мікроскоп. Але цей підхід не спрацює. Навіть найпотужніші мікроскопи, фокусують світло, не можуть візуалізувати один атом. Об'єкт стає видимим, оскільки відображає світлові хвилі. Атоми настільки менше довжини хвилі видимого світла, що вони зовсім не взаємодіють. Іншими словами, атоми невидимі навіть для світу. Однак атоми все ж надають спостерігаються ефекти на деякі речі, які ми можемо побачити.

Сотні років тому, в 1785 році, голландський вчений Ян Інгенхауж вивчав дивне явище, яке не міг зрозуміти. Найдрібніші частинки вугільного пилу шастали на поверхні якогось спирту в його лабораторії.

50 років по тому, в 1827 році, шотландський ботанік Роберт Броун описав щось дивно схоже. Вивчаючи пилкові гранули під мікроскопом, Броун виявив, що деякі гранули випускають крихітні частинки - які потім віддалялися від пилку у випадковому нервовому танці.

Спочатку Броун подумав, що частинки були якимось невідомим організмом. Він повторив експеримент з іншими субстанціями, на зразок кам'яного пилу, яка явно була неживої, і знову побачив дивний рух.

Знадобилося майже сто років, щоб наука знайшла пояснення. Прийшов Ейнштейн і розробив математичну формулу, яка передбачала той самий особливий тип руху - тоді названий броунівським рухом, в честь Роберта Броуна. Теорія Ейнштейна полягала в тому, що частинки пилкових гранул постійно переміщалися, оскільки в них врізалися мільйони крихітних молекул води - молекул, що складаються з атомів.

"Він пояснив, що це нервове рух, яке ви спостерігаєте, насправді створювалося впливом окремих молекул води на частинки пилу або що там у вас є", - пояснює Гаррі Кліфф з Кембриджського університету, також куратор Музею науки в Лондоні.

До 1908 року спостереження, підкріплені розрахунками, показали, що атоми реальні. За десять років фізики істотно просунулися вперед. Розтягуючи окремі атоми, вони почали розуміти їх внутрішню структуру.

Сюрпризом стало те, що атоми можна розділити - особливо в світлі того, що сама назва "атом" вийшло з грецького "атомос", що означає "неподільний". Але фізики тепер знають, що атоми далеко не базові цеглини. Вони складаються з трьох основних частин: протонів, нейтронів і електронів. Уявіть, що протони і нейтрони разом утворюють "сонце", або ядро, в центрі системи. Електрони знаходяться на орбіті цього ядра, подібно до планет.

Якщо атоми неймовірно малі, то ці субатомні частинки і зовсім. Забавно, але першою виявили найменшу частку з трьох - електрон. Щоб зрозуміти різницю розмірів, майте на увазі, що протони в ядрі в 1830 разів більше електрона. Уявіть собі чупа-чупс на орбіті повітряної кулі - невідповідність буде приблизно таким.

Але як ми дізналися, що ці частинки там? Відповідь в тому, що вони хоч і маленькі, але мають великий вплив. Британський фізик Томсон, який відкрив електрони, використовував прекрасний метод, щоб довести їх існування в 1897 році.

У нього була трубка Крукса - шматок скла смішний форми, з якого машиною був висмоктаний майже все повітря. До одного кінця трубки підводили негативний електричний заряд. Цього заряду було досить, щоб вибити у молекул залишився в трубці газу частина електронів. Електрони заряджені негативно, тому летіли до іншого кінця трубки. Завдяки частковому вакууму, електрони пролітали через трубку, не зустрічаючи на своєму шляху великі атоми.

Електричний заряд призводив до того, що електрони рухалися дуже швидко - близько 59 500 кілометрів в секунду - поки не врізалися в скло на дальньому кінці, вибиваючи ще більше електронів, які ховалися в його атомах. Дивно, але зіткнення між цими дивно крихітними частинками виробляло стільки енергії, що породжувало фантастичне зелено-жовте світіння.

"Це був в деякому сенсі один з перших прискорювачів частинок, - говорить Кліфф. - Він прискорює електрони на одному кінці трубки до іншого, і вони врізаються в екран на іншому кінці, виробляючи фосфоресцирующее світіння".

Оскільки Томсон виявив, що може керувати пучками електронів за допомогою магнітів і електричних полів, він знав, що це були не просто дивні промені світла, - це були заряджені частинки.

І якщо вам цікаво, як ці електрони можуть літати незалежно від своїх атомів, то це завдяки процесу іонізації, в якому - в даному випадку - електричний заряд змінює структуру атома, вибиваючи електрони в простір поблизу.

Зокрема, завдяки тому що електронами так просто маніпулювати і рухати, стали можливі електричні схеми. Електрони в мідному дроті рухаються подібно поїзду від одного атома міді до іншого - тому-то провід передається по дроту. Атоми, як ми вже сказали, це не цілісні шматочки речовини, а системи, які можна модифікувати або розібрати на структурні елементи.

Відкриття електрона показало, що потрібно дізнатися про атомах побільше. Робота Томсона показала, що електрони негативно заряджені - але він знав, що атоми самі по собі не мають загального заряду. Він припустив, що вони повинні містити загадкові позитивно заряджені частинки, щоб компенсувати негативно заряджені електрони.

Експерименти початку 20 століття виявили ці позитивно заряджені частинки і в той же час розкрили внутрішню структуру атома - схожу на сонячну систему.

Ернест Резерфорд і його колеги взяли дуже тонку металеву фольгу і поставили її під промінь позитивно зарядженого випромінювання - потік крихітних часток. Велика частина потужного випромінювання пройшла наскрізь, як і вважав Резерфорд, враховуючи товщину фольги. Але, на подив учених, частина його відскочила.

Резерфорд припустив, що атоми в металевій фользі повинні містити невеликі щільні області з позитивним зарядом - ніщо інше не мало б достатній потенціал, щоб відобразити таке потужне випромінювання. Він виявив позитивні заряди в атомі - і одночасне довів, що всі вони пов'язані в щільній масі, на відміну від електронів. Іншими словами, він продемонстрував існування щільного ядра в атомі.

Залишалася проблема. До того моменту вже могли розрахувати масу атома. Але з огляду на дані про те, якими важкими повинні були бути частинки ядра, ідея того, що всі вони позитивно заряджені, не мала сенсу.

"Вуглець має шість електронів і шість протонів в ядрі - шість позитивних зарядів і шість негативних зарядів, - пояснює Кліфф. - Але ядро ​​вуглецю важить шість протонів, воно важить еквіваленту 12 протонів".

Спочатку припустили, що в ядрі є шість інших ядерних частинок з масою протона, але заряджених негативно: нейтрони. Але ніхто не зміг це довести. Насправді, нейтрони не могли знайти до 1930-х років.

Кембриджський фізик Джеймс Чедвік відчайдушно намагався відкрити нейтрон. Він працював над цією теорією багато років. У 1932 році йому вдалося здійснити прорив.

За кілька років до цього інші фізики експериментували з радіацією. Вони запускали позитивно заряджене випромінювання - того типу, який використовував Резерфорд в пошуках ядра - в атоми берилію. Берилій випускав власну радіацію: випромінювання, яке не було заряджено позитивно або негативно і могло проникати глибоко в матеріал.

До цього часу інші з'ясували, що гамма-випромінювання було нейтральним і проникало глибоко, тому фізики вважали, що саме його випускають атоми берилію. Але Чедвік так не вважав.

Він самостійно провів нове випромінювання і направив його на речовина, яке, як він знав, було багатим на протони. Несподівано виявилося, що протони були вибиті з матеріалу немов би частинками з ідентичною масою - ніби кульки для більярду іншими кульками.

Гамма-випромінювання не може відображати протони таким чином, тому Чедвік вирішив, що шукані частки повинні мати масу протона, але інший електричний заряд: і це нейтрони.

Всі основні частки атома були знайдені, але на цьому історія не закінчується.

Хоча ми дізналися про атомах багато більше, ніж знали раніше, їх було важко візуалізувати. У 1930-х роках ніхто не мав їх знімками - і багато людей хотіли їх побачити, щоб прийняти їх існування.

Важливо відзначити, втім, що методи, використовувані вченими на кшталт Томсона, Резерфорда та Чедвіка, проклали шлях до нового обладнання, яке врешті-решт допомогло нам зробити ці знімки. Пучки електронів, які Томсон генерував у своєму експерименті з трубкою Крукса, виявилися особливо корисними.

Сьогодні подібні пучки генеруються електронними мікроскопами, і найпотужніший з таких мікроскопів може насправді робити знімки окремих атомів. Це тому, що електронний пучок має довжиною хвилі в тисячі разів коротше пучка світла - настільки короткою, по суті, що хвилі електронів можуть відбиватися від крихітних атомів і видавати картинку, чого не можуть світлові пучки.

Ніл Скіппер з Університетського коледжу в Лондоні каже, що такі зображення корисні для людей, які хочуть вивчати атомну структуру спеціальних речовин - на зразок тих, що використовуються у виробництві батарей для електромобілів, наприклад. Чим більше ми знаємо про їх атомну структуру, тим краще нам вдається проектувати батареї, робити їх ефективними і надійними.

Можна також зрозуміти, як виглядають атоми, просто тикнув в них. Так, по суті, працює атомно-силова мікроскопія.

Ідея в тому, щоб піднести кінчик надзвичайно малого зонда до поверхні молекули або речовини. При достатній близькості зонд буде чутливий до хімічною структурою того, на що вказує, і зміна опору в міру руху зонда дозволить вченим зробити знімки, наприклад, окремої молекули.

Нещодавно вчені опублікували прекрасні знімки молекули до і після хімічної реакції за допомогою цього методу.

Скіппер додає, що багато атомні вчені досліджують, як структура речей змінюється при впливі високого тиску або температури. Більшість людей знає, що коли речовина нагрівається, воно часто розширюється. Тепер можна виявити атомні зміни, які відбуваються при цьому, що часто виявляється корисним.

"При нагріванні рідини можна помітити, як її атоми приймають неупорядковану конфігурацію, - каже Скіппер. - Ви можете побачити це безпосередньо з структурної карти".

Скіппер і інші фізики також можуть працювати з атомами, використовуючи нейтронні пучки, вперше виявлену Чедвиком в 1930-х.

"Ми запускаємо багато пучків нейтронів в зразки матеріалів, і з виникає паттерна розсіювання можна зрозуміти, що ви розсіювати нейтрони в ядрах, - говорить він. - Можна грубо прикинути масу і розмір об'єкта, який просвічувався".

Але атоми не завжди просто знаходяться там, в стабільному стані, чекаючи, поки їх вивчать. Іноді вони розпадаються - тобто є радіоактивними.

Існує безліч природних радіоактивних елементів. Цей процес генерує енергію, яка лягла в основу ядерної енергетики - і ядерних бомб. Фізики-ядерники, як правило, намагаються краще зрозуміти реакції, при яких ядро ​​проходить через фундаментальні зміни на кшталт цих.

Лаура Харкнесс-Бреннан з університету Ліверпуля спеціалізується на вивченні гамма-променів - типу випромінювання, що випускається розпадаються атомами. Радіоактивний атом певного типу випускає особливу форму гамма-променя. Це означає, ви можете ідентифікувати атоми, тільки реєструючи енергію гамма-променів - цим, власне, Харкнесс-Бреннан і займається в своїй лабораторії.

"Типи детекторів, які ви повинні використовувати, представлені детекторами, які дозволять вам вимірювати одночасно присутність випромінювання і енергії радіації, яка була відкладена, - говорить вона. - Все тому, що у всіх ядер є особливий відбиток".

Оскільки в області, де була виявлена ​​радіація, можуть бути присутніми всі типи атомів, особливо після великої ядерної реакції, важливо точно знати, які радіоактивні ізотопи присутні. Таке виявлення зазвичай проводиться на ядерних станціях або в зонах, де сталася ядерна катастрофа.

Харкнесс-Бреннан і її колеги зараз працюють над системами виявлення, які можна розмістити в таких місцях, щоб показати в трьох вимірах, де може бути присутнім радіація в конкретному приміщенні. "Вам потрібні техніки і інструменти, які дозволять скласти тривимірну карту простору і підкажуть, де в цій кімнаті, в цій трубі радіація", - говорить вона.

Також можна візуалізувати випромінювання в "камері Вільсона". В рамках цього спеціального експерименту охолоджений до -40 градусів за Цельсієм спиртовий пар розпорошується хмарою над радіоактивним джерелом. Заряджені частинки радіації, що летять від джерела випромінювання, вибивають електрони з молекул спирту. Спирт конденсується в рідину поруч із доріжкою випромінюваних частинок. Результати такого типу виявлення вражають.

Ми мало працювали безпосередньо з атомами - хіба що зрозуміли, що це прекрасні складні структури, які можуть зазнавати дивовижні зміни, багато хто з яких відбуваються в природі. Вивчаючи атоми таким чином, ми покращуємо власні технології, витягаємо енергію з ядерних реакцій і краще розуміємо природний світ навколо нас. Ми також отримали можливість захищати себе від радіації і вивчати, як змінюються речовини в екстремальних умовах.

"З огляду на, наскільки малий атом, просто неймовірно, як багато фізики ми можемо витягти з нього", - влучно зауважує Харкнесс-Бреннан. Все, що ми бачимо навколо себе, складається з цих найдрібніших частинок. І добре знати, що вони там є, оскільки саме завдяки їм все навколо стало можливим.