Не треба бути кандидатом наук, аби знати, що речі навколо нас складаються з атомів — крихітних частинок. Як не дивно, атоми також складаються зі ще менших елементів: протонів, нейтронів та електронів. Вони ду-у-уже малі. Саме тому зобразити їх візуально не вийде, проте ви напевне бачили їхню ілюстрацію у формі еліпсів та точок. Сьогодні ми з’ясуємо, звідки людство взагалі взяло цю модель і навіщо нам це знати.

А до чого тут планети?

Планетарна модель атома за Резерфордом.

Це — розгорнута модель атома Резерфорда, у підручниках її зображують дещо простіше. Її назвали на честь британського фізика Ернеста Резерфорда, який 1911 року повідомив наукове товариство Англії про відкриття ядра. Про суть того експерименту чули усі школярі: тонка металева фольга і маленькі альфа-частинки, що без проблем проходять крізь неї, або відскакують.

Останнє свідчило, що у тій ділянці може бути позитивно заряджене ядро, яке Резерфорд і описав у своїй теорії будови атома. Враховуючи поправки на квантову теорію, його модель і досі актуальна.

Візуалізація планетарної системи.

Навколо зарядженого ядра обертаються електрони, перебуваючи в орбіті завдяки електромагнітному полю. Так само, як Земля обертається навколо Сонця.

Резерфорд був не єдиним, кого цікавила будова Всесвіту. До планетарної моделі світ милувався моделлю речовини Томпсона, яка не мала ядра посередині. Вона більше нагадувала кекс із родзинками, роль яких виконували електрони, що вільно пересувалися. Хоча модель Томпсона й застаріла, вчений все ж залишив свій слід у сучасній фізиці, адже саме він відкрив електрони. Дізнатися про це більше можна на першому модулі з квантової фізики в університеті. Або пройти безкоштовний курс, якщо ви на карантині.

Утім, дещо з квантової фізики знадобиться вже зараз. Модель Резерфорда відрізняється від сьогоднішньої квантової моделі, саме тому ми згадали про поправки кількома абзацами вище.

Річ у тім, що планети рухаються навколо Сонця без квантової механіки, чого не можна сказати про електрони та ядро. Коли науковці довідалися, що орбіти атома не мають безперервного переходу, «планетарність» моделі стала сумнівною, проте Резерфорд заклав добрий початок для подальших досліджень.

І що це нам дало?

Зрозумівши ядро, фізики почали краще розуміти й фундаментальні питання про будову усієї матерії. Цьому передувало кілька парадоксів. По-перше, під час обертання електрон мав би випромінювати енергію, адже він є зарядженою частинкою із прискоренням. А це означає, що вона має миттєво втратити всю енергію і впасти до ядра. 🤷

Експеримент Гейгера-Марсдена, під час якого було доведено існування атомного ядра.

Звідси беруть початок пострезерфордські теорії, які намагалися пояснити суперечності такої моделі. Найвидатнішим доповненням відзначився Нільс Бор, який виявив квантові орбіти навколо атома (тонко змальовані еліпси на ілюстраціях), якими переміщається електрон. Він також припустив, що випромінювання енергії відбувається лише у час переміщення між цими орбітами.

Згодом з’явився і принцип невизначеності Гейзенберга, який виявив парадокс: збуджений електрон перебуває на далеких орбітах, але під час випромінювання фотону потрапляє на ближню орбіту, втрачаючи власну енергію. Простіше кажучи, атом переходить у стан спокою, допоки його ніщо не чіпатиме ззовні.

Теорія полягає у тому, що матерія існує завдяки стійкому, себто стабільному стану атома. Це про те, чому все на світі взагалі не падає.

Власне, квантова фізика та механіка намагаються дати відповідь на це питання. Вже пізніше нам вдалося відкрити кварки — фундаментальні елементарні частинки, з яких, на наш погляд, складається матерія. Пам’ятаєте, Резерфорд стверджував, що протони зосереджені у ядрах? З 1967 року ми знаємо, що всередині протонів містяться кварки. Звісно ж, підтверджено це експериментальним шляхом.

Експеримент проводився так само, як і резерфордівський: подібно до альфа-частинок, електрони падали на протони. 

Під час експерименту з’ясувалося, що в результаті зіткнення протони можуть збудитися і «народити» інші частинки, наприклад піони. Всередині ж протонів знайшли точкові складові, які й назвали кварками. Подейкували, що їх лишень три.

Візуалізація атомної теорії останніх століть.

Саме слово «кварк» узяли  із роману відомого  ірландського письменника Джеймса Джойса під назвою «Поминки по Фіннегану», де в одному з епізодів чайки горланили: «Три кварки для Мастера Марка». Звідси й слово «кварк», як моделювання крику морських птахів. 

Маючи модель з кварків, нам треба щось на них розсіювати, і споглядати їхні складові. Цього поки не вдається, але науковці день за днем гризуть граніт квантової науки, аби порадувати нас відповідями на фундаментальні питання Всесвіту.

До речі, повноцінну історію атомної теорії можна переглянути за посиланням.

Будова матерії — від атомів до кварків.

Підтримайте Токар
50 грн.

10% середньостатистичної статті,
або ж пів дня роботи нашого сервера

Підтримати
Ось вона, нагода стати причетним до розвитку незалежних медіа!
Коменти
Лисенко Роман

Не знаю, це тільки в мене чи ні, але не вантажить зображення зі статті, окрім самого першого (обкладинки так би мовити). На місці де мали би бути зображеня, просто білий фон. Це стосується не лише цієї теми, а й інших. Помітив ще вчора ввечері. Здається рік чи два тому вже таке траплялось один раз.