Jeśli jesteś właścicielem tej strony, możesz wyłączyć reklamę poniżej zmieniając pakiet na PRO lub VIP w panelu naszego hostingu już od 4zł!
Strony WWWSerwery VPSDomenyHostingDarmowy Hosting CBA.pl

Archiwa

Kalendarz

Styczeń 2018
P W Ś C P S N
« Paź    
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

Linki do stron

zdolni_z_pomorza1

 

 

 

 

ug-logo-480x285

 

 

 

 

of

 

 

 

pg1

 

 

 

Strona szkoły

Opowieść o atomie

„Moja opowieść o atomie”

Moją krótką opowieść o atomie rozpocznę od nawiązania do czasów antycznych. Następnie „wejdę” w głąb atomu i zobaczę jak zmieniał się on w czasie.
Przy okazji poznam kilka ważnych osobistości z dziedziny fizyki atomu i ich teorie dotyczące jego budowy. Później postaram się trochę zrozumieć te teorie i zapoznam się ze zjawiskami występującymi wewnątrz atomu. Swoją opowieść mam zamiar zakończyć na XXI wieku i aktualnej wiedzy o atomie.

Atom na przełomie stuleci.

W XXI wieku pojęcie atomu ma już za sobą dwadzieścia sześć stuleci rozwoju. Szczególnie wieki XIX i XX były dla atomu szczęśliwe i doniosłe. Atom stał się elementem intrygującym mechanikę i termodynamikę, umożliwił zrozumienie wielu problemów nauki o elektryczności, a także, po wyposażeniu go w tajemnicze moce chemiczne, pozwolił na konsekwentną budowę chemii jako nauki ilościowej.
democritus-s-jpgDość przypomnieć, że pojęcie atomu stało się kluczowym czynnikiem w budowie okresowego układu pierwiastków chemicznych, stworzonego przez Mendelejewa, którym posługuję się na lekcji chemii. Znalazłam, że atomizm został zapoczątkowany w połowie V wieku p.n.e.  przez Leukipposa, którego uczniem był Demokryt. Zakładał, że ruch atomów jest ściśle zdeterminowany i w związku z tym wszystkim zdarzenia zachodzą w sposób konieczny. Według niego dusza też była zbudowana z atomów, najlżejszych i najbardziej ruchliwych.
Później działający w Atenach Epikur z Samos odrzucił przekonanie Demokryta o nieskończonej różnorodności atomów i przyjął, iż w przyrodzie występuje skończona liczba ich typów. W kilka wieków potem Lukrecjusz dopuszczał drobne przypadkowe odchylenia ruchu atomów, za pomocą których wyjaśniał istnienie wolnej woli u człowieka.
Tak, więc zdaniem atomistów wszystkie substancje są złożone z atomów, niezniszczalnych, niezmiennych, niepodzielnych i wiecznych cząstek o różnych kształtach, poruszających się w próżni i nieustannie zderzających się ze sobą. Był to naturalnie pogląd czysto filozoficzny, oparty na przesłankach teoretycznych, ponieważ nie znano wówczas jeszcze żadnych potwierdzających go danych eksperymentalnych.
Właśnie lata na przełomie wieków XIX i XX stały się okresem szczególnie intensywnych ataków na atom. Widać było, że ataki te były umotywowane jeszcze nie zapomnianym myśleniem greckich filozofów. Jednak wielu uczonym udało się je obalić. Już po kilkunastu latach na pytanie, jak sobie przedstawia wewnętrzny ustrój świata, każdy człowiek odpowiadał: ”Wszystko się składa z poruszających się atomów i atomy te i działające pomiędzy nimi siły są ostatnimi składnikami poszczególnych zjawisk”. Niezliczoną ilość razy słyszymy i czytamy zdanie, że dla świata fizycznego niepodobna znaleźć innego wytłumaczenia, jak tylko sprowadzenie go do mechaniki atomów; materia i ruch wydają się ostatnimi pojęciami, do których sprowadzone być muszą wszystkie najróżnorodniejsze zjawiska przyrody. Pogląd ten można nazwać materializmem naukowym.
Dopóki atom pozostawał pojęciem na pół hipotetycznym, obciążonym swoim filozoficznym rodowodem, dopóty mógł być – i był – odrzucany także na podstawie przesłanek filozoficznych. Okazały się one jednak bezsilne wobec dowodów, opartych na doświadczeniach fizycznych. Atom stał się pełnoprawnym składnikiem pojęciowym fizyki XX wieku.

Atomy mają coś w środku !

Z chwilą wykrycia, że elektrony znajdują się w atomach, z całą jaskrawością przed fizyką stanął problem wewnętrznej budowy atomu. Pierwszy model uwzględniający nowe odkrycia został sformułowany przez Thomsona (i gorąco potem przezeń broniony). Model ten jest połowicznym ustępstwem na rzecz atomowej struktury elektryczności. Wiedziano, że elektrony – nośniki ładunku ujemnego – są w atomach, ale nie wiedziano nic o strukturze elektryczności dodatniej. Model Thomsona znany powszechnie pod nazwą „ciasto z rodzynkami”, jak każdy model musiał być porównany z doświadczeniem. Kluczową sprawą było sprawdzenie, jaki jest rzeczywisty rozkład ładunku dodatniego w atomie. Czy istotnie rozmiary tego rozkładu są takie, jak rozmiary całego atomu, który sam Thomson oceniał na 10-8 cm ?
Na to pytanie doświadczenie dało przeczącą odpowiedź. Wynika ona z pomiarów wykonanych przez Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, wspaniale zinterpretowanych  przez Rutherforda.

Jądro atomowe i elektron na orbicie.

giphyRutherford zaproponował Geigerowi by dał jednemu ze swoich studentów możliwość zajęcia się badaniem cząstek rozproszonych na atomach pod bardzo dużymi kątami.
Gdy pierwsze wyniki były tak obiecujące, że uczeni zajęli się tym sami. Doświadczenie dotyczyło przechodzenia promieni α przez cienkie blaszki złota. Polegało na mierzeniu liczby cząstek α odchylonych o dany kąt od toru prostoliniowego w wyniku zderzeń z atomami złota.
Nie wszystkie cząstki α padające na złotą blaszkę przebiegają tak blisko centrum atomu, aby mogły być odrzucone pod dużym kątem. Przeciwnie zdarza się to dość rzadko, ale jednak taka szansa istnieje. Atom Thomsona nie dawał takiej szansy. Centralny obszar atomu wypełniony ładunkiem dodatnim i skupiający prawie całą masę atomu został przez Rutherforda nazwany jądrem atomowym. Nowy model budowy atomu musiał uporać się z kilkoma podstawowymi trudnościami.(jedną z nich był Thomson, który bronił swego modelu) Wynikały one z  dosłownego stosowania w fizyce atomu nadal niemal nie zachwianych praw elektrodynamiki klasycznej. W modelu Rutherforda elektron krąży po orbicie wokół centralnej jego części tzn. jądra. Jak zatem zachowuje się ten elektron krążąc wokół jądra ?
Elektron emituje promieniowanie elektromagnetyczne, to tym samym traci energię. Po pewnym czasie musi więc spaść na jądro. Jego częstość zmienia się w sposób ciągły, a więc i widmo promieniowania musi być ciągłe, a nie dyskretne, wbrew temu, co zostało stwierdzone w niezliczonych pomiarach spektroskopowych. Czas życia elektronu, a więc czas potrzebny na spadek elektronu na jądro, byłby, jak wynika z obliczeń, bardzo krótki, równy ok. 10 -9 s. Materia, np. materia naszego ciała, nie jest aż tak nietrwała. Mamy podstawy, by sądzić, że większość atomów może istnieć  jako układ trwały.  W sumie można powiedzieć, że atom Rutherforda nie może istnieć. Ale cóż zrobić, skoro istnieje? Jest tylko jedna możliwość – trzeba odrzucić możliwość stosowania elektrodynamiki klasycznej do zjawisk wewnątrzatomowych.

bohrNa ten właśnie krok zdobył się Niels Bohr, jeden z głównych sprawców przewrotu w fizyce współczesnej. Po ukończonym doktoracie trafił na staż do laboratorium Thomsona. Między nim, a Thomsonem powstawały liczne nieporozumienia, wynikające z nieokazywania przez Bohra należytego szacunku thomsonowskiemu modelowi budowy atomu. Bohr zerwał kontrakt z Thomsonem i trafił do laboratorium Rutherforda. Bohr unikał pojęcia fotonu i nie nawiązywał do prac Eisteina. Chciał zaś na początek podać realistyczną teorię atomu wodoru, a potem także innych atomów i cząsteczek, która by wyjaśniała trwałość tych obiektów oraz charakter widma promieniowania przez nie emitowanego – dziś wiemy, że w postaci fotonów. Dalsze prace Bohra miały na celu zastosowanie jego teorii do
atomów wieloelektrodowych i cząsteczek. Był on słusznie przekonany, że z chwilą wyjaśnienia budowy najprostszego atomu także i te bardziej złożone układy fizyczne musza stać się zrozumiałe. Ale jednak napotkał dość liczne trudności w przypadku atomów wielo-elektronowych. Co prawda udało się jeszcze wyznaczyć z dobrą dokładnością położenie linii widmowych serii Balmera, Lymana, Paschena i opisać poziomy energetyczne dla atomów wodoropodobnych tzn. jednokrotnie zjonizowanego atomu helu i dwukrotnie zjonizowanego atomu litu. Model nie wyjaśniał jednak intensywności linii widmowych, dynamiki atomu, a konkretnie nie tłumaczył gdzie znajduje się elektron gdy zmienia orbitę. Nie tłumaczył on położenia elektronu w atomie bo nie uwzględniał jego cech falowych.

Elektron w atomie jako fala pilotująca.

db1Falowe własności elektronu w 1923 roku zaproponował Louis de Broglie.
Polegało to na tym, że zwykłym cząstkom takim jak elektron, o danym pędzie i energii odpowiada jakaś fala, która pilotuje jego ruch. Zażądał, aby jej częstość i długość fali były powiązane takimi

samymi zależnościami jak dla cząstki światła – fotonu.
Fale te dzisiaj nazywane są falami materii. Próbował zastosować ten pomysł z falowymi cechami elektronu do atomu wodoru. Chciał wyjaśnić skąd się biorą orbity stacjonarne zaproponowane wcześniej przez Bohra ?
Na pytanie to starsza teoria nie dawała żadnej odpowiedzi.
De Broglie przyjął, że stacjonarne są te orbity, na których może dojść do powstania fali stojącej, jak na strunie w gitarze, a to z kolei jest możliwe wtedy, gdy w całej długości orbity zmieści się całkowita liczba fal pilotujących. W ujęciu de Broglie’a orbita stacjonarna stawała się jakby kolistą struną, wzdłuż której biegłyby fale pilotujące. Był to znaczący krok w pracach nad teorią budowy atomu zwłaszcza wtedy kiedy w roku 1919 zostały te własności elektronu odkryte doświadczalnie. W doświadczeniu Clinton Davisson i Lester Germer zbadali  rozpraszanie elektronów w krysztale niklu.
Z obrazu dyfrakcyjnego, uzyskanego na kliszy, mogli oni obliczyć długość fali elektronów i porównać ją ze znanym im ich pędem.

Porównanie to przyniosło całkowitą zgodność z hipotezą de Broglie’a. Fale materii zostały odkryte w najbardziej bezpośredni sposób. Po tym odkryciu nastąpił ostateczny wyłom w murze zagradzającym drogę ku fizyce kwantowej. Podjęto próby stworzenia modeli atomu w ramach mechaniki kwantowej.
Powstał kwantowy model atomu wodoru zwany atomem Schroedingera.

Atom opisany jednym równaniem fizycznym.

sredErwin Schroedinger poszukiwał i znalazł równanie dynamiczne, z którego mógł wyznaczyć zachowanie się fal materii. Pierwszą pracę na ten temat opublikował już w styczniu 1926 roku. Zawierała ona słynne dzisiaj równanie Schroedingera. Jest to jak dla mnie skomplikowane równanie, jednak dowiedziałam się, że opisuje fale materii i  narzuca inne rozumienie tych fal niż to, które miał de Broglie’a. Jego fala pilotująca była jeszcze z fizyki klasycznej, poruszała się jakby z cząstką po jej torze ruchu. Fale materii Schroedingera istnieją w całej przestrzeni. Tak więc pojęcie toru i tu całkowicie zanika.
Sukcesem Erwina Schroedingera i jego równania było to, że wykazał on, że z rozwiązania równania falowego można uzyskać poprawny wzór na poziomy energetyczne atomu wodoru. Od tego momentu opisanie własności elektronu w atomie nie było możliwe jeżeli używa się do jego opisu fizyki klasycznej.
Znaczącym sukcesem kwantowego modelu atomu zaproponowanego przez Schroedingera była możliwość wykorzystania także do atomów wielo-elektronowych, a nie tylko dla atomu z jednym elektronem.
Oto jak Schroedinger, w mowie wygłoszonej w czasie uroczystości wręczenia mu nagrody Nobla w 1933 roku przedstawił swój obraz atomu;
To, że ciężkie jądro atomowe jest znacznie mniejsze od atomu i można je wobec tego uważać za punktowe centrum przyciągania w naszych dalszych rozważaniach, jest ustalone eksperymentalnie. Zamiast elektronów wprowadzamy hipotetyczne fale, których długość pozostawiamy jako wielkość do ustalenia. Nie przeszkadza nam to w obliczeniu zjawisk związanych z dyfrakcją tych fal na jądrze atomowym”

Aktualny kwantowy model atomu.

qaDzisiejsze wyobrażenia, co do wyglądu atomu są nieco inne.
Twierdzimy, że elektrony (cząstki elementarne – niepodzielne) nieustannie poruszają się wokoło jądra, ale nie koniecznie po kołowych orbitach. Same elektrony często uznajemy za rozmyte chmury ładunku ujemnego. Opisujemy je wtedy jako stany kwantowe funkcjami falowymi. Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, które nie są (jak kiedyś twierdzono) cząstkami elementarnymi. Składają się one z kwarków dwóch typów: górnego (u) i dolnego (d). Proton to trzy kwarki: uud, zaś neutron: udd.  Kwarki w obrębie protonu lub neutronu oddziałują na siebie silnie wymieniając się gluonami – powstaje pole sił kolorowych, dlatego protony i neutrony są bardzo trwałe i ciężko spowodować ich rozpad. Protony mogą także wymieniać się gluonami z neutronami – powstaje resztkowe pole sił kolorowych, które, pomimo że słabsze od normalnego pola sił kolorowych, to przeciwdziała odpychaniu elektromagnetycznemu protonów stabilizując w ten sposób jądro. Wszystkie te zagadnienia opisuje tzw.
Model standardowy. We współczesnym modelu atomu elektrony nie mogą być dokładnie zlokalizowane. Obszar,  w którym mogą one występować jest znany jako „elektronowa chmura”.
Wokół dodatniego jądra krąży chmura elektronów, których położenie nie jest możliwe do ustalenia, gdyż w mechanice kwantowej pojęcie toru cząstki traci sens. W modelu kwantowym mówi się jedynie o prawdopodobieństwie znalezienia elektronu w danym obszarze, a elektronowi przypisuje się pewną funkcję falową.
Czy to oznacza, że w XXI wieku w Cernie nie zostaną odkryte inne, jak dotąd nieznane własności składników  atomu ? Czy nasza podróż w głąb atomu dobiegła już końca ? Jakie jeszcze niespodzianki czekają na fizyków zajmujących się teoriami budowy atomu ? Czy nasza wiedza o atomie osiągnęła już maksimum ? Tego nie wiem, ale myślę, że w niedalekiej przyszłości, być może po ukończeniu liceum, usłyszę w mediach o czymś co pozwoli mi w innym świetle zobaczyć atom.

Bibliografia
Andrzej Kajetan Wróblewski „Historia fizyki”
Michał Tempczyk „Fizyka a świat realny- elementy filozofii fizyki”
www.wikipedia.pl
Robert Resnick, David Halliday, Jearl Walker „Podstawy fizyki tom 5”
C. Johannesson “Quantum model of the atom”
materiały “Atomic Theory: The Quantum Model of the Atom”

Autor:
Joanna Mańkowska
klasa IIIa

TwitterGoogle+Podziel się

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *