Viskas, ką matote aplink save – nuo išmaniojo telefono ekrano, į kurį žiūrite, iki oro, kuriuo kvėpuojate, ir net jūsų pačių kūno ląstelių – yra sudaryta iš neįtikėtinai mažų statybinių blokų. Nors mes retai susimąstome apie tai, kas slypi medžiagos gilumoje, būtent atomai yra fundamentalus visatos pagrindas. Ilgą laiką žmonija manė, kad medžiaga yra vientisa, tačiau mokslinis smalsumas leido pažvelgti giliau ir atrasti sudėtingą, dinamišką ir neretai keistą mikropasaulį. Suprasti atomo struktūrą reiškia ne tik išmokti fizikos vadovėlio tiesas, bet ir suvokti, kaip veikia gamtos dėsniai, leidžiantys egzistuoti cheminėms reakcijoms, elektrai ir gyvybei.
Kas iš tikrųjų yra atomas?
Žodis „atomas“ yra kilęs iš senovės graikų kalbos žodžio atomos, reiškiančio „nedalomas“. Nors graikų filosofai, tokie kaip Demokritas, buvo teisūs manydami, kad medžiaga susideda iš mažų dalelių, jie klydo manydami, kad tų dalelių neįmanoma padalyti. Šiuolaikinis mokslas įrodė, kad atomas yra sudėtinga sistema, sudaryta iš dar mažesnių subatominių dalelių.
Kad įsivaizduotumėte atomo dydį, pagalvokite apie tai: viename smėlio grūdelyje yra daugiau atomų nei smėlio grūdelių visame pasaulio paplūdimyje. Jei atomą padidintumėte iki futbolo stadiono dydžio, jo branduolys būtų tik mažytis stiklo rutuliukas aikštės centre, o elektronai skrietų kažkur ties viršutinėmis tribūnomis. Tai atskleidžia vieną labiausiai stulbinančių faktų – atomas iš esmės yra tuščia erdvė, užpildyta galingais energetiniais laukais.
Branduolys: masės ir energijos centras
Kiekvieno atomo širdyje glūdi branduolys. Nors jis užima nykstamai mažą atomo tūrio dalį (mažiau nei vieną dešimttūkstantąją), jame sutelkta beveik visa – daugiau nei 99,9 % – atomo masės. Branduolys nėra vientisas monolitas; jį sudaro dvi pagrindinės dalelės:
- Protonai: Tai teigiamą elektros krūvį turinčios dalelės. Protonų skaičius branduolyje yra lemiamas veiksnys, nustatantis, koks tai cheminis elementas. Pavyzdžiui, vandenilis visada turi vieną protoną, o auksas – 79.
- Neutronai: Šios dalelės neturi elektros krūvio (yra neutralios), tačiau jų masė yra beveik identiška protonų masei. Neutronai veikia kaip „klijai“, padedantys stabilizuoti branduolį ir neleidžiantys teigiamiems protonams atstumti vienas kito.
Kas laiko šias daleles kartu? Juk pagal elektromagnetizmo dėsnius vienodo krūvio dalelės (protonai) turėtų viena kitą stumti milžiniška jėga. Čia įsijungia viena iš fundamentalių visatos jėgų – stiprioji sąveika. Ji veikia tik labai mažais atstumais, tačiau yra nepalyginamai stipresnė už elektromagnetinę stūmos jėgą, todėl branduolys išlieka stabilus.
Elektronai ir jų orbitalės
Aplink branduolį, milžinišku greičiu, artimu šviesos greičiui, juda elektronai. Tai neigiamą krūvį turinčios dalelės, kurios yra tūkstančius kartų lengvesnės už protonus. Ankstesniuose modeliuose, pavyzdžiui, populiariame Boro modelyje, elektronai buvo vaizduojami kaip planetos, skriejančios aplink Saulę. Tačiau šiuolaikinė kvantinė mechanika šį vaizdinį gerokai pakoregavo.
Mokslininkai dabar žino, kad neįmanoma tiksliai nustatyti elektrono vietos ir greičio vienu metu. Vietoj griežtų orbitų mes kalbame apie orbitales arba „elektronų debesis“. Tai erdvės zonos, kuriose tikimybė rasti elektroną yra didžiausia. Šios zonos gali būti įvairių formų – nuo sferų iki sudėtingų aštuoniukių ar dobilo lapų formų.
Elektronų išsidėstymas sluoksniuose lemia atomo chemines savybes. Išoriniai elektronai, dar vadinami valentiniais elektronais, yra atsakingi už ryšių sudarymą su kitais atomais. Būtent dėl elektronų mainų arba dalijimosi formuojasi molekulės – nuo paprasčiausio vandens iki sudėtingiausių DNR grandinių.
Izotopai: to paties elemento variacijos
Nors protonų skaičius apibrėžia elemento tapatybę, neutronų skaičius tame pačiame elemente gali skirtis. Tokios atomų variacijos vadinamos izotopais. Chemiškai izotopai elgiasi beveik identiškai, tačiau jų fizikinės savybės, ypač stabilumas, gali skirtis drastiškai.
Paimkime anglies pavyzdį:
- Anglis-12: Turi 6 protonus ir 6 neutronus. Tai stabilus ir labiausiai paplitęs anglies izotopas gamtoje.
- Anglis-13: Turi 6 protonus ir 7 neutronus. Taip pat stabilus, bet retesnis.
- Anglis-14: Turi 6 protonus ir 8 neutronus. Šis izotopas yra radioaktyvus ir nestabilus. Laikui bėgant jis skyla. Būtent šią savybę mokslininkai naudoja archeologijoje, nustatydami senovinių radinių amžių (radiocarboninis datavimas).
Kas slepiasi protonų ir neutronų viduje?
Ilgą laiką buvo manoma, kad protonai ir neutronai yra fundamentalios, nedalomos dalelės. Tačiau XX a. antroje pusėje fizikai, naudodami galingus dalelių greitintuvus, atrado dar gilesnį struktūrinį lygmenį. Pasirodo, hadronai (bendra protonų ir neutronų grupė) yra sudaryti iš dar mažesnių dalelių, vadinamų kvarkais.
Kvarkai yra keistos dalelės, kurios gamtoje niekada nerandamos po vieną – jos visada egzistuoja grupėmis. Egzistuoja šeši kvarkų „aromatai“ (tipai), tačiau paprastą materiją sudaro tik du iš jų: „viršutinis“ (up) ir „apatinis“ (down).
- Protonas susideda iš dviejų viršutinių ir vieno apatinio kvarko.
- Neutronas susideda iš vieno viršutinio ir dviejų apatinių kvarkų.
Šiuos kvarkus kartu laiko gliuonai – dalelės, pernešančios stipriąją sąveiką. Įdomu tai, kad didžioji dalis protono ar neutrono masės atsiranda ne iš pačių kvarkų masės (kuri yra maža), bet iš milžiniškos energijos, kurią sukuria gliuonų sąveika. Tai tiesioginis Einšteino lygties E=mc² įrodymas – energija virsta mase.
D.U.K. apie atominę struktūrą
Ar atomai yra amžini?
Ne visi. Kai kurie atomai, ypač tie, kurių branduoliai yra labai stabilūs (pavyzdžiui, helio ar geležies), gali egzistuoti milijardus metų be jokių pokyčių. Tačiau radioaktyvūs atomai yra nestabilūs ir ilgainiui skyla į kitus, lengvesnius elementus, išspinduliuodami energiją.
Ar įmanoma pamatyti atomą?
Plika akimi ar net galingiausiu optiniu mikroskopu – ne, nes atomas yra mažesnis už matomos šviesos bangos ilgį. Tačiau naudojant specialius prietaisus, tokius kaip skenuojančio tunelinio mikroskopo (STM) technologija, mokslininkai gali ne tik „pamatyti“ atskirus atomus kaip iškilimus paviršiuje, bet ir jais manipuliuoti, stumdydami po vieną.
Kas yra antimaterija?
Antimaterija susideda iš antidalelių, kurios turi tokią pačią masę kaip įprastos dalelės, bet priešingą krūvį. Pavyzdžiui, elektrono antidalelė yra pozitronas (teigiamas krūvis), o protono – antiprotonas (neigiamas krūvis). Jei materija susiduria su antimaterija, jos abi anihiliuoja, virsdamos gryna energija.
Kodėl elektronai nenukrenta ant branduolio?
Tai paaiškina kvantinė mechanika. Elektronas nėra tik dalelė, jis elgiasi ir kaip banga. Jei elektronas priartėtų per arti branduolio, jo „vieta“ taptų labai tiksliai žinoma, o tai pagal Heizenbergo neapibrėžtumo principą reikštų, kad jo greitis (impulsas) taptų begalinis, ir jis tiesiog išlėktų atgal. Todėl susidaro stabilus balansas, kuriame elektronas užima tam tikrą energetinį lygmenį, bet niekada nenukrenta į branduolį.
Nanotechnologijos ir atomų inžinerija
Supratimas apie atominę struktūrą atvėrė duris revoliucinėms technologijoms, kurios keičia mūsų kasdienybę. Mes perėjome nuo pasyvaus medžiagų stebėjimo prie aktyvaus jų konstravimo atominiu lygmeniu. Tai vadinama nanotechnologija. Manipuliuodami atomais ir molekulėmis, inžinieriai kuria naujas medžiagas, kurios yra lengvesnės už plastiką, bet tvirtesnės už plieną, pavyzdžiui, grafeną ar anglies nanopluoštą.
Ateityje atomų valdymas leis sukurti kvantinius kompiuterius, kurie informaciją apdoros ne bitais, o kubitais, pasinaudodami subatominių dalelių savybėmis. Tai leis atlikti skaičiavimus milijonus kartų greičiau nei šiandieniniai superkompiuteriai. Be to, medicinoje kuriami nanorobotai, galintys keliauti kraujagyslėmis ir pristatyti vaistus tiesiai į pažeistas ląsteles ar sunaikinti vėžinius darinius po vieną ląstelę, nepažeidžiant sveikų audinių. Gebėjimas valdyti mažiausias visatos daleles reiškia, kad mes stovime ant naujos pramoninės revoliucijos slenksčio, kurios ribas brėžia tik fizikos dėsniai.
