Fizikai atrado materijos esmę

Publikuota: 2015-08-30
Dalelių greitintuvas Ženevoje, Šveicarijoje. Christophe'o Vander Eeckeno (Scanpix) nuotr.
Dalelių greitintuvas Ženevoje, Šveicarijoje. Christophe'o Vander Eeckeno (Scanpix) nuotr.
 

Dūmų detektoriai, vėžio gydymas ir kosminiai zondai. Tai tik keli mūsų žinių apie atomo branduolį praktinio taikymo pavyzdžiai. Bet nors apie branduolio šeimą žinome jau daugiau kaip 100 metų, jis vis dar gali pateikti mums netikėtumų.

Senovės graikai manė, kad atomas yra nedalomas. Bet prieš 103 metus išradingas britų fizikas Ernestas Rutherfordas galiausiai paneigė tą įsitikinimą novatorišku straipsniu mokslo žurnale „Philosophical Magazine“. Tame straipsnyje jis paaiškino, kad atomas turi turėti gana mažą, labai kompaktišką branduolį. Elektronai skrieja apie šį sunkų centrą – kitu atveju atomą pirmiausia turėtų sudaryti niekas, kitaip sakant, vakuumas.

Pačioje XX amžiaus pradžioje populiariausia teorija apie atomo struktūrą buvo vadinamasis „bandelės su razinomis“ modelis, kurį pasiūlė fizikas Josephas Johnas Thomsonas. 1897 metais jis atrado, kad atomai turi labai mažas neigiamo krūvio daleles, netrukus jos buvo pavadintos elektronais. Tačiau taip pat turėjo būti ir teigiamas krūvis, kuris neutralizuoja neigiamą elektronų krūvį, ir Thomsonas manė, kad šis teigiamas krūvis yra tolygiai pasiskirstęs per visą atomą, kuriame elektronai buvo išsimėtę kaip razinos bandelėje.

Naująjį savo atomo modelį Rutherfordas pagrindė daugeliu eksperimentų, kuriuos ankstesniais metais jis paskatino atlikti savo kolegas Hansą Wilhelmą Geigerį ir Ernestą Marsdeną. Norėdami išnagrinėti atomo struktūrą, jie apšaudė ploną metalo foliją alfa dalelėmis iš radioaktyviojo radžio ir, didžiai jų nuostabai, nedidelė dalis dalelių grįžo ten, iš kur buvo paleistos. Eksperimento rezultatai neatitiko Thomsono pasiūlyto atomo modelio, kadangi nei nereikšmingi elektronai, nei vienodai pasiskirstęs teigiamas krūvis negalėjo lemti ko nors daugiau nei nedidelio daug energijos turinčio alfa dalelių trajektorijos išsilenkimo. „Atrodė, tarsi šaudytume 15 colių sviediniais į plonyčio popieriaus lakštą ir matytume sviedinius atšokant“, – veiksmą apibūdino Ernestas Rutherfordas.

Tik atomo branduolys, kuriame sukaupta didžioji atomo masės dalis labai mažoje erdvėje, galėjo priversti alfa daleles taip elgtis.

Tuomet kilo klausimas, kaip elektronai gali išlikti savo stabiliose orbitose aplink branduolį. Danų fizikas Nielsas Bohras pasiūlė savo pagalbą sujungdamas Rutherfordo atomo modelį su kvantine mechanika. Elektronai galėjo būti tik labai konkrečiais atstumais nuo atomo branduolio, atsižvelgiant į skirtingus energijos lygius, kuriuos elektronai turėjo būdami vadinamosios nejudamosios būsenos.

Dalelės buvo atrastos viena po kitos

Rutherfordas ir toliau naudojo alfa daleles iš radioaktyviųjų elementų atomo branduoliui tirti ir 1919 metais galėjo pademonstruoti, kad apšaudant azotą alfa dalelėmis buvo išmetami vandenilio branduoliai. Tai leido jam padaryti išvadą, jog atomo branduoliuose yra vandenilio branduoliams identiškos elementariosios dalelės.

Šitaip buvo atrasti protonai, bet įvertinus krūvį atomo branduolys buvo per sunkus, kad jame būtų vien tik protonai. Turėjo būti dar viena branduolinė dalelė, neturinti elektros krūvio. Ji rasta 1932 metais, kai buvo įrodytas neutronų egzistavimas.

Nuo šio laiko vaizduojama, kad atomą sudaro kompaktiškas iš protonų ir neutronų sudarytas branduolys, apie kurį skrieja elektronai. Bet tuomet sunku paaiškinti, kodėl atomo branduolys nesuskyla veikiamas elektromagnetinių jėgų, kurios stumia teigiamo krūvio protonus vieną nuo kito. Turi egzistuoti kokia nors natūrali jėga, laikanti daleles kartu, – stipri branduolinė sąveika.

Tačiau tik XX amžiaus 7-ojo dešimtmečio viduryje teorinės fizikos srityje dirbantys fizikai sugalvojo, kaip galima būtų paaiškinti atomo branduolio stabilumą. Jie įsivaizdavo, kad protonai ir neutronai yra sudėtinės dalelės, kiekvieną jų sudaro 3 elementariosios dalelės. Šiuos kvarkus, kaip šios dalelės buvo pavadintos, kartu laiko gliuonais vadinamos jėgos dalelės. Sąveiką tarp šių elementariųjų dalelių aprašo kvantine chromodinamika vadinama teorija, remiantis ja, gliuonai susieja protono arba neutrono kvarkus kartu tokia jėga, kad jų negalima atplėšti. Ir, tiesą sakant, mokslininkai dar niekuomet nėra pastebėję vieno atskiro kvarko.

Fizikai ištirpdė branduolius

Naudojant dalelių greitintuvus įmanoma atlikti teoriją patvirtinančius eksperimentus. Protonai ir neutronai akivaizdžiai sudaryti iš kvarkų, kurie yra tokie maži, kad turi būti laikomi taškais.

Naudojant galingiausius greitintuvus įmanoma net priversti atomo branduolius pakeisti savo būseną. Kai atomo branduolys pakaitinamas iki 2 trilijonų laipsnių, jis „ištirpsta“ ir tampa kvarkų ir gliuonų, greitai judančių vienas kito atžvilgiu, plazma. Pirmąją sekundės dalį po Didžiojo sprogimo Visatos materija turėjo būti būtent toks skystis – senovinė elementariųjų dalelių sriuba, kai ši sriuba atvėso, dalelės galėjo susijungti į protonus ir neutronus, kad galėtų susiformuoti lengviausi elementai.

Galinga jėga, kuri laiko kvarkus kartu, sykiu suriša branduolyje esančius protonus ir neutronus vienus su kitais. Ši jėga veikia tik labai trumpu atstumu, o protonai ir neutronai nepritraukiami vienas prie kito nė trupučio arčiau nei reikia, kad galėtų vykti branduolinės reakcijos.

Tai buvo būtent toks spontaniškas nestabilaus atomo branduolio virsmas – radioaktyvusis skilimas, jį Rutherfordas taikė savo alfa radiacijos eksperimentuose. Vėliau pasirodė, kad jis turi daug praktinio pritaikymo būdų. Natūralaus radioaktyvumo energija gali būti paversta elektra, leidžiančia pagaminti ilgalaikes baterijas, pvz., skirtas kosminiams zondams. Kurį laiką tokios baterijos taip pat buvo naudojamos širdies stimuliatoriuose. Radioaktyvieji elementai taip pat naudojami dūmų detektoriuose ir gydymo tikslais, pvz., prostatos vėžiui gydyti.

Elektros jėgainėse kontroliuojama energija

Branduolinės reakcijos taip pat gali būti sukeltos suskaidant atomo branduolį į mažesnes dalis, o kilusios grandininės reakcijos gali būti panaudotos atominėse jėgainėse ir atominėse bombose. Kai skyla sunkūs atomo branduoliai, išlaisvinami dideli energijos kiekiai.

Kalbant apie lengvus elementus, viskas atvirkščiai. Energija išlaisvinama, kai atomo branduoliai susijungia, pvz., vandenilio atomai susijungia ir tampa heliu, kaip kad vyksta žvaigždėse. Dėl energijos išlaisvinimo susijungiant branduoliams vandenilio bombos turi didžiulę sprogstamąją galią. Mokslininkai tikisi, kad ateityje galės šią energiją kontroliuoti branduolinės sintezės jėgainėse. Bet kad sintezė prasidėtų, reikia labai aukštos temperatūros.

Kol technikai ieško būdų, kaip panaudoti atomo branduolio savybes kaip energijos šaltinius, kiti mokslininkai bando geriau suprasti patį atomo branduolį. Vis dar yra daug dalykų, kurių mes nežinome, pvz., kaip išsidėsčiusios branduolio dalelės.

Joks mikroskopas negali pakankamai padidinti atomo branduolio vaizdo. Lygiai kaip Rutherfordas ir jo kolegos darė prieš 100 metų, šiuolaikiniai fizikai bombarduoja atomo branduolius daug energijos turinčiomis dalelėmis, kad juos geriau išnagrinėtų – tik vietoj alfa dalelių jie naudoja elektronus. Stebint, kaip kinta neigiamą krūvį turinčių elektronų orbitos, kai jie artėja prie teigiamą krūvį turinčio atomo branduolio, galima apskaičiuoti branduolio dydį.

Protonas taip pat buvo išmatuotas ir šiuo metu oficialus jo spindulio ilgis yra 0,8775 fm (femtometro, arba fermio). Bet pastaraisiais metais šveicarų atliekami spektroskopijos eksperimentai parodė, kad protonas akivaizdžiai yra 4 proc. mažesnis nei manyta. Taip neatrodo, bet iš tiesų tai daug. Galbūt kalti tiesiog netikslūs skaičiavimai, o gal čia veikia visiškai nauja natūrali jėga. Bet kokiu atveju tai rodo, kad mums vis dar reikia daug ką sužinoti apie atomo branduolį.

ĮDOMU: kamera atskleidžia tai, kas nematoma

1911 m. sugalvota garų kamera — puikus išradimas, gerokai palengvinęs už atomą mažesnių dalelių paliekamų pėdsakų sekimą. Garų kamera yra tiesiog stiklinis cilindras, kuriame yra vandens garų persotinto oro. Kai elektros krūvį turinti dalelė, pavyzdžiui, atomo branduolys, lekia per kamerą, ji veikia kitus atomus ir juos jonizuoja, t. y. jie įgauna elektros krūvį. Aplink tokius atomus kondensuojasi ore esantys vandens garai – lieka aiškus pėdsakas.

Materijos statybinė medžiaga

Pirmieji ženklai, kad atomai nėra nedalomi, pastebėti apie 1900 metus. Nuo tada fizikai daug sužinojo ir suprato, kad pats atomo branduolys taip pat sudarytas iš mažesnių dalelių.

  • 1896: Henri Becquerelis atsitiktinai atranda natūralų radioaktyvumą aptikęs pėdsakų ant fotoplokštelių.
  • 1897: Britų fizikas seras Josephas Johnas Thomsonas nustato pirmąją subatominę dalelę – elektroną. Jis taip pat apskaičiuoja elektrono masę.
  • 1911: Ernestas Rutherfordas atranda atomo branduolį. Didžiąją savo darbo dalį jis atliko primityvioje laboratorijoje.
  • 1913: Nielsas Bohras pristato atomo modelį, šis sulaukė didelės sėkmės.
  • 1919: Ernestas Rutherfordas atranda pirmąją branduolinę dalelę – protoną.
  • 1932: Jamesas Chadwickas įrodo, kad egzistuoja neutronas. Įsielektrinimo požiūriu jis neutralus ir jo masė beveik tokia pati kaip protono.
  • 1935: Hideki Yukawa pasiūlo mintį, jog branduolio daleles vienoje vietoje laiko natūrali jėga, vadinama stipriąja branduoline sąveika. Ši sąveika veikia tik trumpais atstumais atomo branduoliuose.
  • 1945: Atomo branduolių energija buvo išlaisvinta ant Japonijos numetus dvi branduolines bombas. Atomo branduolio jėga nustebino ir šokiravo daugelį mokslininkų.
  • 1964: Fizikai Murray Gell-Mannas ir George’as Zweigas atranda, kad branduolio daleles gali sudaryti net elementaresni vienetai, Gell-Manno pavadinti kvarkais.
  • 1968: Pirmą kartą kvarkų egzistavimas įrodytas eksperimentais. Tai padaryta daugiau kaip 3 km ilgio Stanfordo linijiniame dalelių greitintuve Kalifornijoje, JAV.
  • 1979: Atliekant eksperimentus dalelių greitintuve Vokietijoje įrodytas gliuono jėgos dalelės, veikiančios kaip klijai, sustiprinantys stipriąją branduolinę sąveiką tarp kvarkų, egzistavimas.
  • 1984: Pristatoma superstygų teorija, ji sako, kad visos dalelės ir jėgos gali būti laikomos mažomis vibruojančiomis stygomis daugiamatėje erdvėje.
  • 2005: Amerikoje esančiame dalelių greitintuve aukso atomo branduoliai susiduria tokia jėga, kad jie „ištirpsta“ ir pavirsta į kvarkų ir gliuonų plazmą. Tokia plazma greičiausiai ir užpildė Visatą iškart po Didžiojo sprogimo.
  • 2010: Protono dydis išmatuotas pasinaudojant miuoniniu vandenilio atomu. Protonas pasirodo esąs apie 4 proc. mažesnis nei priimtas manyti dydis.
  • 2011: Tikslūs skaičiavimai rodo, kad atomo branduoliai virsta į kvarkų ir gliuonų plazmą esant dviem trilijonams laipsnių, t. y. esant tokiai temperatūrai, kokios Visata buvo pačiomis pirmosiomis sekundėmis.

Rašyti komentarą

Rašyti komentarą

Gauk nemokamą LAISVALAIKIO savaitraštį į savo el.pašto dėžutę:

Pasirinkite Jus dominančius NEMOKAMUS savaitraščius:















Svarbiausios dienos naujienos trumpai:



 
Alžyras kasdien 2 valandoms išjungia internetą, kad nesukčiautų studentai

Alžyre ir Irane šiomis dienomis kasdien kelioms valandoms išjungiamas internetas. Šių šalių vyriausybės tokį...

Laisvalaikis
2018.06.24
5-ios Viduržemio jūros salos, dar neatrastos masinio turizmo 2

Kelionių vadovai, interneto portalai ir galybė tinklaraščiuose savo patirtis dėstančių keliauninkų choru...

Laisvalaikis
2018.06.24
Pasaulio futbolo čempionate Vokietija išvengė visiško košmaro

Įspūdingai Tuniso futbolininkus patiesę belgai, favoritų etiketę patvirtinę meksikiečiai ir per plauką...

Laisvalaikis
2018.06.23
Geriausiuose pasaulio restoranuose - sakės renesansas

Pasaulio gastronomijos sostinėse – Honkonge, Niujorke, Londone, Kopenhagoje, San Sebastiane ir net Paryžiuje...

Laisvalaikis
2018.06.23
Dėl nykstančių ungurių išteklių kalti gali būti narkotikų vartotojai 2

Dėl Europoje mažėjančių ungurių išteklių kalti gali būti kokaino vartotojai. Tai atskleidė naujas tyrimas,...

Laisvalaikis
2018.06.23
Iliustruotoji istorija: išradimas, palengvinęs buitį 1954 m.

1954-aisiais amerikiečių namus užplūdo trijų skyrių aliuminio folijos indeliai. Naujas reiškinys „TV pietūs“...

Laisvalaikis
2018.06.23
Venecijoje išdygs šviečiantys grybai iš Lietuvos

Seniausioje ir prestižiškiausioje menų parodoje – Venecijos architektūros bienalėje – projektą „Pelkių...

Laisvalaikis
2018.06.23
Futbolo čempionatas: Brazilija šįkart nenuvylė 1

Penktadienį vyko trejos rungtynės. Pergales šventė Brazilija, Nigerija ir Šveicarija. 

Laisvalaikis
2018.06.22
Portretas: verslo lyderystės islandus moko lietuvė, niekada nenorėjusi būti lydere

„Niekada nelaikiau savęs ypatinga lydere, bet turiu savybę tiesiog imti ir daryti, jei matau, kad padaryti...

Laisvalaikis
2018.06.22
VŽ rekomenduoja: 10 savaitgalio renginių

Nuo avangardinio džiazo koncertų iki linksmų varžytyvių, kas geriau ir greičiau irkluoja „vikingų“ laivus.

Laisvalaikis
2018.06.22
Rekonstruotą alaus daryklą „Švyturys“ atvers lankytojams 1

Daryklos rekonstrukciją Klaipėdoje baigianti bendrovė „Švyturys-Utenos alus“ joje jau nuo liepos ruošiasi...

Laisvalaikis
2018.06.22
Ketvirtadienio futbolas: Prancūzija ir Kroatija užsitikrino vietas aštuntfinalyje, Argentina nemaloniai nustebino

Ketvirtadienį futbolo gerbėjai stebėjo trejas rungtynes. Prancūzijos ir Kroatijos gerbėjai gali atsipūsti -...

Laisvalaikis
2018.06.21
Trečiadienio futbolas: trapių pergalių diena

Visose trijose šiandien vykusiose pasaulio futbolo čempionato rungtynėse švęstos vieno įvarčio pergalės.

Laisvalaikis
2018.06.21
Nidos kopose – Sartre‘o vizitą atkartojanti skulptūra 3

Kultūrinį Neringos kraštovaizdį papildys dar vienas akcentas – skulptūra „Prieš vėją“, vaizduojanti per vėjo...

Laisvalaikis
2018.06.20
„Žalgirio“ treneriui Jasikevičiui suteiktas Kauno garbės piliečio vardas

Trečiadienį Kauno rotušėje „Žalgirio“ krepšinio komandos vyriausiajam treneriui Šarūnui Jasikevičiui...

Laisvalaikis
2018.06.20
Varnaitė: Kultūros ministerijos siūloma paveldo pertvarka primena bolševikinį mąstymą 3

Kultūros paveldo departamentas (KPD) sako, kad Kultūros ministerijos inicijuojama paveldo sistemos pertvarka...

Statyba ir NT
2018.06.20
Paskelbti 50 geriausių pasaulio restoranų: triumfavo italai

Kasmetiniuose prestižiniuose geriausių pasaulio restoranų 50-uko rinkimuose („The World‘s 50 Best...

Laisvalaikis
2018.06.20
Antradienio futbolas: nuskriausta Kolumbija, klydusi Lenkija ir antra rusų pergalė

Antradienį Rusijoje vykstančiame pasaulio futbolo čempionate įvyko paskutinės H grupės rungtynės ir antroje...

Laisvalaikis
2018.06.19
Teatro festivalis „Sirenos“ skelbia programos vinis

15-ąjį kartą šiemet vyksiantis teatro festivalis „Sirenos“ tradiciškai pristatys ne vienos tarptautinės...

Laisvalaikis
2018.06.19
Dainų šventei – speciali apyvartinė 2 Eur moneta

Lietuvos bankas išleis apyvartinę 2 Eur monetą, skirtą Šimtmečio dainų ir šokių šventei. Pusės milijono...

Laisvalaikis
2018.06.19

Verslo žinių pasiūlymai

Siekdami pagerinti Jūsų naršymo kokybę, statistiniais ir rinkodaros tikslais šioje svetainėje naudojame slapukus (angl. „cookies“), kuriuos galite bet kada atšaukti.
Sutinku Plačiau