Zajtenberg Zajtenberg
1145
BLOG

Zaglądanie do wnętrza atomu

Zajtenberg Zajtenberg Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 50

Chemicy posługiwali się pojęciem atomu przez cały wiek XIX, fizycy „uwierzyli” w jego istnienie dopiero w wieku XX. Atomy dobrze pasowały do chemii – zakładając ich istnienie, w prosty sposób można było uzasadnić choćby stałość proporcji reagentów. Dlaczego fizycy nie kwapili się z uznaniem klocków z których zbudowana jest otaczająca nas materia? Od czasów Newtona mówili o cząsteczkach, ale żeby je podzielić na atomy, musieliby zaproponować jakieś siły, które wiążą atomy w związki chemiczne. Hipoteza atomu była dla fizyków dość mętna, bo nie wiadomo było choćby jak jest duży i ile waży.

Na to pytanie można było odpowiedzieć dopiero po 1905 roku, kiedy Einstein i Smoluchowski stworzyli matematyczne podwaliny opisu ruchów Browna. Praca polskiego fizyka ukazuje się co prawda rok po publikacji sławnego Alberta, ale jest zdecydowanie bardziej zaawansowana. Nie wiem czy dziś poza Polską ktoś o tym pamięta, oprócz rzecz jasna ścisłego grona badaczy równań stochastycznych. Nawiasem mówiąc spotkałem się ze zdaniem, że gdyby nie przedwczesna śmierć Mariana Smoluchowskiego, byłby on poważnym kandydatem do nagrody Nobla. Ale zostawmy równania stochastyki – dla notki ważne jest, że wspomniane prace pozwoliły na oszacowanie rozmiarów i mas pojedynczych cząsteczek i atomów[1].

Niemniej wciąż nie było wiadomo, jak atom może być „poukładany w środku”. Pewnie w taki sposób, który umożliwia tworzenie cząsteczek, wiązań krystalicznych czy promieniowania, ale kto go tam wie, skoro jest taki malutki? Pierwsza z odpowiedzi na to pytanie została uzyskana nieco przypadkiem…

Cząstki alfa naprzeciw atomom

Pierwszy krok do rozgryzienia atomu zawdzięczamy badaczowi radioaktywności E. Rutherfordowi. Za prace nad radioaktywnością dostał nawet nagrodę Nobla z chemii, choć uważał się jak najbardziej za fizyka – wspomnijmy jego zdanie: Cała nauka dzieli się na fizykę i zbieranie znaczków. Wracając do atomów: W 1909 nadzorował doświadczenie prowadzone przez asystenta H. Geigera (to ten od późniejszego licznika) i studenta E. Marsdena, którzy mierzyli jak odchylą się cząstki alfa przelatujące przez cienką, złotą folię.

Rutherford rok wcześniej odkrył, że cząstki alfa, to inaczej atomy helu pozbawione elektronów. No i jak te cząstki alfa wylatywały sobie z kawałka materiału radioaktywnego, to przez zastosowanie przesłon można było uzyskać jednokierunkową wiązkę. Jeśli folia była dość cienka, alfy przelatywały przez nią praktycznie bez zmian. Praca polegała na obserwacji, jaki jest rozkład kątowy wiązki po przejściu przez folię.

Obserwacja nie była łatwa – najpierw należało odczekać w ciemności, by oczy w ogóle mogły zarejestrować ledwo widoczne rozbłyski spowodowane uderzeniami cząstek alfa w ekran pokryty siarczkiem cynku. Praca nudziarska, lecz profesor każe, asystent musi ☺. Jak się spodziewano: zdecydowanie najwięcej rejestrowanych cząstek nie zmieniało kierunku ruchu.

W pewnym sensie takie „dodatkowe oddziaływanie” wprowadza model fali pilotującej Bohma. Model trzeba przyznać efektowny, ale z praktycznego punktu widzenia niedobry: Po pierwsze nie uwzględnia spinu. Po drugie: żeby obliczyć sobie trajektorię elektronu i tak trzeba dla niego rozwiązać „zwykłe” równanie Schrödingera. No i nie zabrania promieniować, bo nie ingeruje w równania Maxwella.

Zatrzymajmy się chwilę i spróbujmy wyobrazić sobie jak ówczesny fizyk mógł wyobrazić sobie „co tam w środku się dzieje”. Atomy złota poukładane jeden obok drugiego tworzyły folię – na jeden milimetr długości przypada kilka milionów atomów. Atomy helu bez elektronów przelatują przez ten mur bez większych kłopotów. Widocznie „atomy bez elektronów” jakoś istotnie różnią się od „normalnych” atomów, skoro mogą przez nie przenikać.

Doświadczenie, jak wiele innych doświadczeń, zniknęłoby w mrokach niepamięci, gdyby nie pomysł Rutherforda, żeby detektor postawić z drugiej strony folii. Geiger i Marsden nie wierzyli że cokolwiek uda im się zarejestrować: skoro cząstki alfa przenikają przez folię, to jak miałyby się od niej odbić? Jakież było ich zdziwienie, gdy mniej więcej 1 na 8000 cząstek zawracała odbita od folii. Ku memu zdziwieniu, udało mi się zaobserwować to zjawisko. Powiedziałem o tym potem Rutherfordowi, gdy spotkałem go na schodach wiodących do jego gabinetu – wspominał Marsden. Ich szef też nie spodziewał się niczego ciekawego (Czyżby zlecił im prace, tylko dlatego żeby podopieczni się nie nudzili?) – wyniki skomentował tak: To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w  moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego.

Czy alfa się odbije?

Do pytań bez odpowiedzi dołóżmy więc jeszcze jedno: Jak to jest, że 1/8000 część cząstek alfa (atomów bez elektronów) odbija się od folii, gdy cała reszta przelatuje bez kłopotów? Wyjaśnienie tego fenomenu zajęło Rutherfordowi dwa lata.

Kłopotliwe wyjaśnienie

Przede wszystkim założył, że atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i elektronów. Jądro jest parę tysięcy razy cięższe od otaczających elektronów i sto tysięcy mniejsze od atomu. Czyli alfa, to nic innego jak jądro helu. Żeby cząstka alfa się odbiła, musi trafić na jądro atomu złota. A ponieważ rozmiary jąder są pięć rzędów wielkości mniejsze od rozmiarów atomów, małe szanse, że trafi. Najczęściej przeleci omijając jądro. Do wyjaśnienia zjawiska potrzebna mu była tylko siła elektryczna – alfa i jądro odpychają się elektrycznie, co zapewni odbicie.

Takie gadanie nie byłoby wiele warte, gdyby nie było poparte odpowiednimrachunkiem. Rutherford wykorzystał klasyczny przypadek ruchu w polu sił centralnych, tyle, że zamiast przyciągania miał odpychanie – ale ruch dalej odbywał się po hiperboli. Zaproponowany model miał dwie zalety: Po pierwsze zgodność z doświadczeniem Geigera i Marsdena[2]. Po drugie nie potrzebował żadnych tajemniczych sił, które miałyby zarządzać elementami składowymi atomu – wystarczyło świetnie znane oddziaływanie elektryczne. Propozycja była tak przekonująca, że została przyjęta pomimo niezgodności z dotychczas znanymi prawidłami w fizyce.

Model stanowił wyzwanie, bo pojawiło się mnóstwo pytań, jak taki twór jest w ogóle możliwy, skoro przeczy prawom Maxwella i Newtona? Niby analogia Słońce-planety i jądro-elektrony jest na pierwszy rzut oka atrakcyjna – nawet postać matematyczna sił przyciągających jest identyczna: 1/r2 – ale nie wytrzymuje dokładniejszej analizy: Każdy poruszający się niejednostajnie ładunek promieniuje, a jak promieniuje, to maleje jego energia, stąd elektrony w krótkim czasie powinny pospadać na jądra. Jak więc to jest, że elektron nie spada na jądro i atom nie promieniuje? I skoro zazwyczaj atom nie promieniuje, to dlaczego czasami robi wyjątki – na przykład w jarzeniówce? I dlaczego w tym wszystkim jest niezwykle stabilny? Pamiętajmy, że większość atomów w naszym bezpośrednim otoczeniu (z dokładnością do orbity walencyjnej) stanowią twory „wieczne” – wszak alchemikom nie udało się zamienić ołowiu w złoto. Jak tę „wieczność” pogodzić z niedawnymi wynikami Poincarego, który odkrył że niestabilność to powszechna cecha równań fizyki klasycznej opisującej coś więcej niż tylko dwa ciała? I w końcu co mogłoby interesować nie tylko fizyków: jak poruszające się elektrony „sklejają” ze sobą atomy tworząc cząsteczki najrozmaitszych substancji czy ciała stałe o bardzo różnych własnościach?

Wypisane pytania dotyczące opisu zwykłej, otaczającej nas materii, to pytania o ruch elektronów w atomach.

Jak poradzić sobie z tymi problemami? Może trzeba wprowadzić dodatkowe oddziaływanie[3], które zabroni emisji promieniowania e-m poruszających się ładunków i zapewni stabilność, której nie dawały siły proporcjonalne do 1/r2? A może trzeba zmienić równania ruchu? Czyli zamiast równań Newtona zaproponować jakieś inne?

Zbiorczej odpowiedzi, jakie jest nowe prawo rządzące „zwykłą” materią, udzieliła dziedzina fizyki, zajmująca się analizą promieniowania świetlnego, którego czasami dopuszczają się niepromieniujące zwykle cząsteczki i atomy. CDN.
 

[1] Dokładne zważenie atomu umożliwiła elektroliza, kiedy w 1911 roku Millikan podał ile wynosi ładunek elektronu.

[2] Wyprowadzenie Rutherforda udało się trochę przypadkiem – dla tak małych odległości poprawny wynik dają wzory mechaniki kwantowej, które w 1911 nie były jeszcze znane. Rutherford opierał się o prawa mechaniki klasycznej i elektrodynamiki. Tak się jednak składa, że końcowy wynik klasyczny nie różni się znacząco od kwantowego. Innym szczęśliwym przypadkiem było to, że energie emitowanych w doświadczeniu Geigera i Marsdena alf nie były za duże. Dzięki temu nie następowały reakcje jądrowe, bo alfy nie wnikały do obszaru jądra. W przeciwnym razie zaproponowany model nie uniósłby tego efektu. Jak widać oprócz talentu i pracowitości trochę szczęścia też się przydaje!

[3] W pewnym sensie takie „dodatkowe oddziaływanie” wprowadza model fali pilotującej Bohma. Model trzeba przyznać efektowny, ale z praktycznego punktu widzenia niedobry: Po pierwsze nie uwzględnia spinu. Po drugie: żeby obliczyć sobie trajektorię elektronu i tak trzeba dla niego rozwiązać „zwykłe” równanie Schrödingera. No i nie zabrania promieniować, bo nie ingeruje w równania Maxwella.

Zajtenberg
O mnie Zajtenberg

Amator muzyki "młodzieżowej" i fizyki. Obie te rzeczy wspominam na blogu, choć interesuję się i wieloma innymi. Tematycznie: | Spis notek z fizyki | Notki o mechanice kwantowej | Do ściągnięcia: | Wypiski o fizyce (pdf) | Historia The Beatles (pdf)

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie