Uvod
Već prije 2 500 godina grčki su filozofi Leukip i Demokrit pretpostavili da se tvari sastoje od malih nedjeljivih čestica. Pozorno proučite sadržaj ove jedinice DOS-a i zaključite jesu li bili u pravu.
Atomizam
Antički atomisti: Demokritova atomska struktura tvari
Ilustracija razmišljanja antičkih atomista
Otprilike, to je bila linija razmišljanja atomista antičke Grčke, među kojima je najistaknutiji bio Demokrit, koji je živio u Abderi, u Trakiji, u razdoblju od 460. do 370. godine pr. Krista. Očuvani su samo malobrojni fragmenti njegovih spisa, ali njemu se pripisuje prva formulacija pojma atoma (grč. ἄτομον, što znači nedjeljiv), koju izgleda da je razradio na temelju prethodnih razmišljanja Leukipa. Prema atomistima, dijeljenje bilo kojeg predmeta ne može ići u beskonačnost, nego staje na razini sitnih, nedjeljivih čestica, atoma. Sve se, dakle, prema atomistima, sastoji od atoma i praznog prostora.
Atomi su, prema toj predodžbi, ograničeni, tjelesni, tvrdi, puni, masivni, nepronični i nezamjetljivi, a međusobno se razlikuju bezbrojem oblika, veličina, masa, tvrdoća i načina kretanja. Naravno, nužno je da se atomi kreću, a taj problem se rješava uvođenjem pojma praznog prostora, koji je prema tom opisu suprotnost atoma, a u neograničenosti praznog prostora atomi se slobodno kreću, sudaraju, odbijaju i prepliću, uzrokujući sve ono što opažamo.
Srednjovjekovni i renesansni atomizam
U XIV. su stoljeću ponovo otkrivena glavna atomistička djela, što je dovelo do rasta interesa onovremenih filozofa za tu temu. No, atomizam se povezivao s Epikurovom filozofijom, koja je bila u opreci s kršćanskim učenjima, tj. ideja atoma nije bila prihvatljiva većini tadašnjih europskih filozofa. Uglavnom, kao i u većini drugih znanstvenih i filozofskih područja, srednji vijek je tisuću godina dugo doba stagnacije.
U doba renesanse, francuski svećenik Pierre Gassendi (1592. – 1655.) obnovio je Epikurov atomizam u izmijenjenoj formi, prilagođenoj kršćanskom nauku. Robert Boyle (1627. – 1691.) i Isaac Newton (1642. – 1727.) su branili atomističku teoriju i naposljetku ju je dio znanstvene zajednice prihvatio do kraja XVII. stoljeća.
U 17. stoljeću su ponovo otkrivena glavna atomistička djela.
To je dovelo do rasta pozornosti skolastika za tu temu.
No, atomizam se povezivao s Epikurovom filozofijom.
Epikurova filozofija je bila u opreci s kršćanskim učenjima.
To znači da ideja atoma nije bila prihvatljiva većini tadašnjih europskih filozofa.
Kao i u većini drugih znanstvenih i filozofskih područja,
srednji vijek je tisuću godina dugo doba stagnacije.
U doba renesanse,francuski svećenik Pierre Gassendi je
obnovio Epikurejev atomizam u izmijenjenoj formi.
Forma je bila prilagođena kršćanskom nauku.
Robert Boyle i Isaac Newton branili atomističku teoriju.
Naposljetku ju je dio znanstvene zajednice prihvatio do kraja 17. stoljeća.
Atomizam Ruđera Boškovića
Vrlo važne i napredne (mogli bismo slobodno reći više od stoljeća ispred svog vremena) aspekte suvremene atomističke teorije postavio je Dubrovački znanstvenik Ruđer Bošković.
Pri analizi materije – tvari, on polazi od obnovljenog novovjekovnog atomizma, koji je redovito atome smatrao česticama konačnog volumena. Međutim, Bošković je tvrdio da temeljne čestice ne zauzimaju nikakav prostor, tj. one nemaju volumen. Dakle, Boškovićevi atomi su geometrijske točke. Materija je, prema njemu, građena od čestica koje nemaju dimenziju.
Razvoj suvremene teorije strukture atoma
U svojoj knjizi "Osobitosti fizikalnih zakona", veliki fizičar Richard Feynman rekao je: "Kad bi, u nekoj kataklizmi, svako znanstveno znanje bilo uništeno, i kad bi se samo jedna rečenica mogla prenijeti sljedećem naraštaju stvorenja, koja rečenica bi sadržavala najviše informacija u najmanje riječi? Smatram da je to hipoteza o atomu (ili činjenica o atomu, ili kako god to željeli zvati) da su sve stvari načinjene od atoma – malih čestica koje se motaju uokolo u neprestanom gibanju, privlačeći se kad su na maloj udaljenosti, ali odbijajući se kad su pritisnute jedna na drugu. U toj jednoj rečenici naći ćete golemu količinu informacija o svijetu, ako upotrijebite samo malo mašte i razmišljanja."
U svojoj knjizi "Osobitosti fizikalnih zakona", veliki fizičar Richard Feynman je rekao:
"Kad bi, u nekoj kataklizmi, svako znanstveno znanje bilo uništeno, i
kad bi se samo jedna rečenica mogla prenijeti sljedećem naraštaju stvorenja,
koja rečenica bi sadržavala najviše informacija u najmanje riječi?
Smatram da je to hipoteza o atomu (ili činjenica o atomu, ili kako god to željeli zvati).
Hipoteza o atomu kaže da su sve stvari načinjene od atoma – malih čestica koje se motaju uokolo u neprestanom gibanju,
privlačeći se kad su na maloj udaljenosti, ali odbijajući se kad su pritisnute jedna na drugu.
U toj jednoj rečenici naći ćete golemu količinu informacija o svijetu, ako upotrijebite samo malo mašte i razmišljanja."
Daltonovi i nedjeljivi atomi
Prva razmatranja o strukturi atoma datiraju s početka XIX. stoljeća. Tad je engleski kemičar John Dalton (1766. - 1844.), proučavajući kemijske reakcije plinova, formulirao zakon umnoženih masenih omjera. Njegovi ekperimenti su davali sljedeće rezultate:
- reagira li 14 g dušika s 16 g kisika, nastaje spoj određenih svojstava (dušikov(II) oksid). Razlaganjem tog spoja ponovo dobivamo 14 g dušika i 16 g kisika.
- reagira li 14 g dušika s dvostruko više kisika (32 g), nastaje spoj sasvim drukčijih svojstava (dušikov(IV) oksid). Razlaganjem tog spoja dobivamo 14 g dušika i 32 g kisika.
Objašnjenje ovih zapažanja navelo je Daltona na smjelu pretpostavku da moraju postojati neke najmanje čestice, atomi, kisika i dušika koje se međusobno spajaju u različitim omjerima (1:1 i 1:2). Daltonova teorija atoma je predstavljena u pet točaka:
- tvari se sastoje od vrlo malih, nevidljivih čestica, koje nazivamo atomima;
- atome jednog elementa ne može se stvoriti, uništiti, rastaviti na manje dijelove ili pretvoriti u atome drugih elemenata;
- svi atomi nekog elementa su identični po veličini, masi, i ostalim svojstvima. Svojstva atoma različitih elemenata se međusobno razlikuju;
- atomi različitih elemenata spajaju se u jednostavnim cjelobrojnim omjerima, čime nastaju kemijski spojevi;
- u kemijskim reakcijama se atomi spajaju, razdvajaju ili preuređuju.
Iako je Daltonova atomska teorija proizašla iz eksperimentalnih opažanja, ona se temelji na nizu pretpostavki, a ne na čvrstim eksperimentalnim dokazima. Zato je imala puno nedostataka, a najvažniji je bio nemogućnost objašnjenja evidentnog postojanja električnog naboja u okvirima Daltonovog modela. Naime, ako je atom najmanja čestica i ako je nedjeljiv, onda električki nabijena tijela moraju imati električki nabijene atome. Drugim riječima, atom bi trebao biti nositelj električnog naboja, a to je nemoguće ako je atom najmanja, a još k tome i nedjeljiva čestica.
Kad se atomi kupaju u pozitivnom bazenu – Thomsonov model
Sredinom XIX. stoljeća provedena su važna istraživanja s katodnim cijevima, gdje je nedvojbeno utvrđeno postojanje čestica koje nose negativan, a posljedično i drugih čestica koje nose pozitivan naboj. Nositelji negativnog naboja nazvani su elektronima, prema grčkoj riječi za jantar, koji je odigrao ključnu ulogu u prvim eksperimentima kojima je utvrđeno postojanje tih čestica. Utvrđeno je i to da su elektroni jako sitni pa prema tome i jako gibljivi, dok je nositelj pozitivnog naboja ostao neuhvatljiv tadašnjim znanstvenicima. To je sve, drugim riječima, značilo da se struktura atoma morala riješiti pretpostavljajući postojanje subatomskih čestica.
Na početku XX. stoljeća znalo se, dakle, da atom nije nedjeljiv, nego se sastoji od subatomskih čestica, među kojima je otkriven samo elektron. Znalo se i da elektron nosi negativni naboj i da mu je masa 1837 puta manja od mase atoma vodika, najlakšeg elementa.
Znalo se i da je atom elektronegativan.
Također se znalo da je atom stabilan. Drugim riječima, treba primijeniti veliku energiju (veliku razliku potencijala) da bi se elektron izbio iz atoma.
Na temelju tih eksperimentalno čvrsto utvrđenih činjenica, Joseph John Thomson (1856. – 1940.) je 1904. godine predložio model, prema kojemu je atom kuglasti grumen pozitivnog naboja u kojega su utisnuti elektroni. Promjer te kuglice je oko [latex]10^{-10}[/latex] m. Dakle, masa je ravnomjerno raspoređena po cijelom kuglastom atomu, koji podsjeća na lubenicu (gdje bi crveni dio lubenice bio pozitivni naboj, a koštice bi bile elektroni).
Pozitivni naboj je koncentriran u jako maloj jezgri – Rutherfordov model
Kao svaka prava znanstvena teorija, i Thomsonov model atoma je podložan eksperimentalnoj provjeri, koja ga može potvrditi, osporiti ili dovesti do njegovog poboljšanja.
Tako je Ernest Rutherford 1909. godine odlučio provesti eksperiment, kojim bi provjerio valjanost Thomsonovog modela. On je ovako razmišljao: imamo li nešto jako prodorno (npr. [latex]\alpha [/latex]-čestice) i to propustimo kroz nešto u čemu su atomi poslagani vrlo gusto (npr. listić zlata), onda bi sve [latex]\alpha[/latex]-čestice trebale kroz taj listić proći neometene. Ako taj model nije valjan, onda će se dogoditi nešto drugo, a u tom slučaju ćemo vidjeti kako ćemo to objasniti. Rutherford je, dakle, uzeo vrlo tanki, 0,0001 mm debeo listić zlata, pažljivo ga smjestio u komoru, obloženu fluorescentnim materijalom cinkovim(II) sulfidom (koji je služio kao detektor) te je uzeo izvor [latex]\alpha[/latex]-čestica. Kad bi [latex]\alpha[/latex]-čestica pogodila detektor, pojavio bi se bljesak, kojega je Rutherford brižljivo bilježio.
U slučaju valjanosti Thomsonovog modela, rezultat eksperimenta bi bile pojave bljesaka svjetlosti direktno na upadnom pravcu [latex]\alpha[/latex]-čestica, tj. bez skretanja. No, opaženo je sljedeće:
- većina [latex]\alpha[/latex]-čestica je prošlo kroz foliju bez skretanja;
- malobrojne [latex]\alpha[/latex]-čestice su malo (za nekoliko stupnjeva) skrenule s putanje;
- malobrojne [latex]\alpha[/latex]-čestice su jako (za više od 90°) skrenule s putanje;
- svega nekoliko [latex]\alpha[/latex]-čestica (1/20 000) su se potpuno odbile od atoma zlata.
Rutherford je ta opažanja interpretirao na sljedeći način:
- s obzirom na to da su [latex]\alpha[/latex]-čestice prošle kroz foliju bez otklona, to znači da su atomi uglavnom prazni;
- neke čestice su se reflektirale pod kutem blizu 180°. Do toga može doći samo pri sudaru dvije masivne čestice istoimenog naboja. Dakle, pozitivan naboj u atomima zlata nije jednoliko raspoređen, nego je koncentriran u jednom malom dijelu atoma.
- s obzirom na to da se reflektira samo jedna od 20 000 čestica, onda je promjer te pozitivno nabijene jezgre oko 20 000 puta manji od promjera atoma.
Na temelju toga, Rutherford je predložio tzv. planetarni model atoma. Prema tom modelu, atom je uglavnom prazni kuglasti prostor. Sav pozitivni naboj je koncentriran u središtu atoma, u vrlo maloj čestici koju je nazvao jezgrom. Jezgra je okružena elektronima, koji se oko nje kreću po kružnim putanjama, orbitama. Stabilnost atoma je posljedica elektrostatskog privlačenja negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijene jezgre.
Ustvari, to je model kako najčešće i danas zamišljamo atom.
Na temelju toga, Rutherford je predložio tzv. planetarni model atoma.
Prema tom modelu, atom je uglavnom prazni kuglasti prostor.
Sav pozitivni naboj je koncentriran u središtu atoma.
Tu vrlo malu česticu je nazvao jezgrom.
Jezgra je okružena elektronima.
Elektroni se oko nje kreću po kružnim putanjama, orbitama.
Stabilnost atoma je posljedica
elektrostatskog privlačenja negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijene jezgre.
Ustvari, to je model kako najčešće i danas zamišljamo atom.
Rutherford nije bio potpuno u pravu – kvantna mehanika i atomska struktura
Rutherfordov model atoma sadrži jedan veliki nedostatak. Naime, prema tom modelu, atom jednostavno - nije stabilan!
Kao što smo rekli, negativno nabijeni elektroni kruže po kružnim putanjama oko pozitivno nabijene jezgre. No, iz zakona očuvanja energije proizlazi da bi elektroni trebali kontinuirano gubiti kinetičku energiju i spiralno se približavati jezgri te naposljetku pasti u nju. Drugim riječima, svaki atom bi trebao vrlo brzo kolabirati. A to se, kao što dobro znamo, ne događa.
Opaženi atomski spektri se sastoje od diskretnih linija. Prema Rutherfordovom modelu, ti spektri bi trebali biti kontinuirani, jer bi svaki elektron, spiralno padajući prema jezgri, trebao emitirati zračenje sve manje i manje energije, tj. sve veće i veće valne duljine. Dakle, Rutherford je objasnio štošta važnoga o atomskoj strukturi, ali ostao je nerazjašnjen jedan vrlo važan, fundamentalan (temeljni) aspekt, koji nipošto nije smio biti zanemaren.
U to doba je već bila formulirana kvantna teorija Maxa Plancka. Primjenom te čudne, neintuitivne nove teorije, danski fizičar Niels Bohr je vrlo brzo i elegantno, 1913. godine, dakle samo dvije godine nakon objave Rutherfordovog modela, riješio taj veliki problem. No, Bohrov model zaslužuje znatno više prostora, pa ćemo mu se posvetiti u narednom poglavlju.
Rutherfordov model atoma sadrži jedan veliki nedostatak.
Naime, prema tom modelu, atom jednostavno - nije stabilan!
Negativno nabijeni elektroni kruže po kružnim putanjama oko pozitivno nabijene jezgre.
No, iz zakona očuvanja energije proizlazi da bi elektroni trebali kontinuirano gubiti kinetičku energiju.
Također, trebali bi se spiralno približavati jezgri te naposljetku pasti u nju.
Svaki atom bi trebao vrlo brzo kolabirati.
A to se ne događa.
Opaženi atomski spektri se sastoje od diskretnih linija.
Prema Rutherfordovom modelu, ti spektri bi trebali biti kontinuirani.
Svaki bi elektron, spiralno padajući prema jezgri, trebao emitirati zračenje sve manje i manje energije,
tj. sve veće i veće valne duljine.
Dakle, Rutherford je objasnio štošta važnoga o atomskoj strukturi.
Međutim, ostao je nerazjašnjen jedan vrlo važan aspekt, koji nipošto nije smio biti zanemaren.
U to doba je već bila formulirana kvantna teorija Maxa Plancka.
Primjenom te čudne, neintuitivne nove teorije, danski fizičar Niels Bohr je vrlo brzo i elegantno,
1913. godine riješio taj veliki problem.
Bohrov model zaslužuje znatno više prostora, pa ćemo mu se posvetiti u narednom poglavlju.
I atom je djeljiv, zar ne?