Gradja atoma

 

        

Atom

        

 

 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 po­zitivno 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«. Sva­kako, »alfa« i »beta« su prva dva slova grčkog alfabeta.

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 ve­ličine 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.

Raderford je rešio ovaj problem 1909. godine, izolujući alfa-čestice. On je stavio nešto radioaktivnog materijala u staklenu cev, tankih zi­dova, okruženu staklenom cevi debelih zidova; između njih je bio vakuum. Alfa-čestice su mogle da probiju tanki unutrašnji zid, ali ne i debeli spo­ljašnji zid. One su se tako reći odbijale od spoljašnjeg zida i pritom gu­bile 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 je­dinice, uzimajući da vodonikov jon predstavlja jedinicu naelektrisanja. Raderford je kasnije identifikovao u atomu još jednu pozitivnu če­sticu. 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. Ne­mački fizičar Johanes Štark (Johannes Stark) postavio je jedan spektro­skop tako da su zraci ulazili prema njemu i pokazivali skretanje ka ljubi­častom kraju spektra. Za ova istraživanja je Štark dobio Nobelovu na­gradu 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 mo­guću 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«).

Proton i elektron nose stvarno jednaka, mada suprotna naelektrisa­nja, iako je proton 1.836 puta po masi veći od elektrona. Zato je izgle­dalo verovatno da je atom sastavljen od protona i elektrona koji uza­jamno 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 pogo­daka 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.

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 odbi­jena. Cinjenica da se to dešava samo povremeno pokazuje da su atom­ska 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 pro­tona. Raderford je prikazao protone jednog atoma kao nagomilane u jed­nom 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.

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 su­sednom molekulu. Ali, kada ogoljeno vodonikovo jezgro ne nađe elek­tron 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.

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 naelektri­sanje 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 po­zitivnog naelektrisanja. Na ovu pomisao je podstakla činjenica da radio­aktivna jezgra stvarno emituju elektrone, tj. beta-čestice.

Ovakvo gledanje na materiju je preovlađivalo više od jedne decenije, dok na osnovu drugih istraživanja nije dobijen bolji odgovor. Ali, u me­đuvremenu su se pojavili neki ozbiljni prigovori na ovu hipotezu. S jedne strane, ako je jezgro u osnovi izgrađeno od protona, pri čemu laki elek­troni praktično nimalo ne povećavaju masu, kako je moguće da rela­tivne mase raznih jezgara ne predstavljaju cele brojeve? Prema odre­đenim 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.

     



References

Asimov, Isak:  "Vodic kroz nauku"

Bronstajn:   "Atomi i elektroni"


     

     

        

  2005 Biljana Stankovic i Jelena Vujic - Tehnicka skola Lajkovac                 kreirano:  Maj 2005.