KAKO SO ODKRIVALI DELCE V ATOMU

II. gimnazija Maribor KAKO SO ODKRIVALI DELCE V ATOMU Projektna naloga pri predmetu kemije in informatike Avtor: Žiga Perko, 1. D Mentor vsebine: prof. Zdenka Keuc Mentor oblike: prof. Miro Pešec Maribor, april 2008

Vsebinsko kazalo VSEBINSKO KAZALO... 2 UVOD... 3 IZ ČESA JE NAREJEN SVET?... 4 ENAKO VPRAŠANJE SKOZI MALO DRUGAČNO LUČ... 5 ZGRADBA ATOMA... 7 NOVI GRADNIKI TUDI PROTONI IN NEVTRONI NISO NEDELJIVI... 9 STVARNO KAZALO... 10 KAZALO SLIK... 12 LITERATURA... 13 2

Uvod P rojektna naloga govori o zgodovini odkrivanja delcev, ki naj bi gradili vse kar nas obdaja. V njej lahko najdemo kakšen pogled so imeli na svet antični filozofi, kako je prišlo do odkritja atomov in delcev v njem ter druge zanimive stvari povezane z zgodovino odkrivanja osnovnih delcev. Poudarek je predvsem na zgodovinskem vidiku in ne toliko na kemijskem, kar pomeni, da projektna naloga ne vsebuje podrobne razlage zgradbe atoma. 3

Iz česa je narejen svet? Vprašanje, iz česa je narejen svet, so si ljudje zastavljali že v davni preteklosti. Ob tem najverjetneje najprej pomislimo na mislece iz antične Grčije, čeprav je ta asociacija nekoliko nepravilna, saj je to vprašanje burilo duhove že v času starega Egipta in Mezopotamije, antični misleci pa so gradili na izročilu le-teh. Misleci so zaradi svojih prepričanj o zgradbi sveta morali bežati v tuje kraje, saj se mnogo ljudi tistega časa, ki so imeli v rokah oblast, ni strinjalo s takšnim pogledom. Če na to pogledamo v nekoliko drugačni luči, ugotovimo, da to sploh ni bilo tako slabo, saj so misleci ponesli svoje ideje še v druge dele starega sveta. Antični misleci so imeli različna prepričanja o tem iz česa je sestavljen svet. Anaksimen je trdil, da je osnovna gradbena snov zrak, Ksenofan se ni popolnoma strinjal s tem, zato je trdil, da svet sestoji iz zemlje. Svoje mnenje je imel tudi Heraklit, ki je bil prepričan, da je svet zgrajen iz ognja oz., da je ogenj osnovna gradbena snov. Prav tako je trdil, da je svet nestalen, kar je najverjetneje izhajalo iz njegove domneve o osnovni gradbeni snovi - ognju, saj pri gorenju plamen prasketa na vse strani. Popolno drugačno prepričanje je imel Parmenides iz Elee, ki je menil, da ne moreš ničesar ustvariti iz niča, prav tako pa ne moreš ničesar spremeniti v nič. Empedoklej iz Agrigenta je povezal nauke Anaksinema, Ksenofana, Heraklita in še nekaterih ter sestavil teorijo, da so osnovni gradniki, ki gradijo svet voda, zrak, zemlja in ogenj. Velikokrat so naštetim elementom dodali še petega, in sicer snov iz katere so narejene zvezde in vsa druga nebesna telesa. Prvi, ki je pomislil na atome, naj bi bil Levkip 1, o katerem pa nam je na žalost znanega zelo malo. Veliko več vemo o njegovem učencu Demokritu, ki je trdil, da so vse stvari sestavljene iz drobnih delcev, ki pa so tako majhni, da si manjših sploh ni mogoče predstavljati in so nedeljivi. Iz besede nedeljiv izhaja tudi samo ime za te delce, in sicer atomi, saj beseda tomos v grščini pomeni deljiv, če pa besedi tomos dodamo pred črko t črko a, ta beseda dobi nasproten pomen in pomeni nedeljiv. Takrat so verjeli, da se atomi med seboj ločijo po obliki. Tako naj bi bili atomi vode okrogli in gladki, atomi ognja bodičasti, atomi zemlje pa hrapavi. Demokritov pogled na svet je prevzel Epikur, čeprav ta pogled ni bil preveč dobro sprejet med Demokritovimi sodobniki. Morda sem nam zdijo predstave o atomih oz. gradnikih sveta takratnih mislecev - filozofov dokaj čudne, vendar so bile za tisti čas zelo napredne, kajti takrat niso izvajali eksperimentov, s katerimi bi bilo mogoče pridobiti potrebne podatke, iz katerih bi lahko potem sestavili teorijo, marveč so vse trditve o zgradbi sveta postavili na podlagi miselnih poizkusov oz. procesov. 1 Za njegov rojstni kraj veljata tako Elea, kot tudi Milet. Bil je učenec Parmenidesa, vendar je imel popolnoma drugačen pogled na svet kot on. 4

Enako vprašanje skozi malo drugačno luč Medtem, ko so veliki grški filozofi o osnovnih gradnikih, ki gradijo svet, le razpravljali, so v drugi polovici 17. stoletja začeli izvajati prve eksperimente, s pomočjo katerih bi lahko našli odgovor na vprašanje, iz česa je svet zgrajen. Eden prvih, ki je naredil korak naprej pri odkrivanju odgovora na to vprašanje, je bil Anglež Robert Boyle. Boyle je z izvedbo poskusov, ki so bili za čas njegovega življenja nekaj zelo nenavadnega, ugotovil, da je zrak stisljiv. Iz pridobljenih podatkov je sklepal, da mora biti zrak sestavljen iz majhnih ločenih delcev, med katerimi je praznina. S svojo hipotezo je ovrgel prepričanja starogrških filozofov, da so delci iz katerih je sestavljen svet, neke skrivnostne snovi. Pri odkrivanju osnovnih gradbenih elementov je odigral posebno vlogo tudi Francoz Antoine Laurent Lavoisier, ki je v drugi polovici 18. stoletja v kemijo vpeljal natančno tehtanje, ki je pripomoglo k postavitvi hipoteze, da je masa snovi, ki sodeluje v kemijski reakciji, enaka pred in po njej. S to trditvijo je Lavoisier postavil prvi ohranitveni zakon, ki ga danes imenujemo zakon o ohranitvi mase in se glasi, da je skupna masa opazovanih teles izoliranega sistema po kateremkoli procesu enaka, kot je bila pred njim 2. V približno enakem času, kot Lavoisier, je prav tako v Franciji živel pomemben kemik po imenu Louis Joseph Proust, ki je ugotovil, da sta masi elementov, ki se vežeta v spojino, vedno v nekem razmerju. Do skoraj enakih rezultatov je prišel na začetku 19. stoletja tudi John Dalton, ki se je iz zanimanja za meteorologijo ukvarjal s plinskimi mešanicami. Njegova dognanja so temeljila na razmerjih med masama ogljika in kisika, ki se vežeta v ogljikov dioksid in ogljikov oksid. Iz razmerij, ki jih je dobil iz poskusov, je predpostavil, da ogljik med seboj sestavljajo enaki delci, prav tako pa tudi kisik sestavljajo med seboj enaki delci, ki pa se seveda razlikujejo od delcev ogljika. Ker ga je njegova predpostavka spominjala na Demokritovo, je delce poimenoval tako, kot so domnevne gradnike sveta imenovali takrat, in sicer atomi. Dalton je te svoje atome razporedil v razpredelnico, v kateri so si atomi posameznih elementov sledili pa naraščajoči relativni masi, ki jo je določil glede na maso najlažjega, torej vodikovega atoma. Morda bi lahko do enakih ugotovitev, kot so bile Daltonove, prišli že stari Grki, če bi le-ti svoje ideje poskusili nekako dokazati ali pa si pridobiti manjkajoče podatke s pomočjo poizkusov. Vendar zavedati se moramo, da se tukaj pojavlja že spet ta»morda«, zaradi katerega je vse tako kot je in nič drugače. Po navadi so vsa odkritja v zgodovini pogojena z 2 Danes vemo, da ta zakon ne drži popolnoma, saj Einsteinova enačba E = mc 2 dovoljuje spremembo materije v energijo in obratno. 5

razvojem tehnologije v določenem obdobju, zaradi tega so tudi atome odkrili v 19. stoletju in ne že v času starogrških filozofov. Mnogokrat pa se zgodi ravno obratno, in sicer, da je na voljo vsa potrebna tehnologija, a do nekega odkritja preteče še veliko časa, a obstajajo tudi obratne situacije. Iz tega lahko sklepamo, da čas nekega znanstvenega odkritja ni pogojen samo s tehnološkim napredkom v določenem obdobju, ampak tudi z drugimi dejavniki. Slika 1: Strani iz Daltonove knjige A New System of Chemical Philosophy (Manchester 1808) 6

Zgradba atoma Sprva so domnevali, da manjši delci, kot so atomi sploh ne obstajajo, zaradi tega se niso ubadali s vprašanjem: Iz česa so atomi sestavljeni, če sploh so iz česa. To vprašanje pa je privrelo na dan ob koncu 19. Stoletja, ko je J. J. Thomson ob preučevanju katodnih žarkov odkril elektrone. To odkritje je v kemijo vneslo kar nekaj zmedenosti, saj niso vedeli, kam naj uvrstijo te na novo odkrite elektrone. Menili so, da elektroni sploh niso sestavni del atoma, vendar so ugotovili, da izkušnje pridobljene na podlagi elektrolize kažejo drugače. Vedeli so da so atomi navzven električno nevtralni, to pomeni, da če se v atomih nahajajo elektroni, ki imajo negativen električni naboj, morajo v notranjosti atomov obstajati tudi delci z pozitivnim električnim nabojem. Ker so približno poznali maso vodikovega atoma in maso elektronov, ki je okrog dvatisočkrat manjša od mase vodikovega atoma, so sklepali, da se večina mase atoma nahaja v pozitivno nabitih delcih. Mučila pa jih je težava, in sicer niso vedeli kako naj bi bili ti delci razporejeni v atomu. Leta 1902 je William Thomson ali nam bolj znan pod imenom lord Kelvin, predlagal atomski model, v katerem naj bi bili elektroni razporejeni kot rozine v angleškem pudingu. Elektroni naj bi v tem modelu mirovali, pozitivni naboj pa naj bi se nahajal po celi notranjosti atoma. Kelvinov model je prevzel J. J. Thomson in ga nekoliko preuredil. Thomson je obdržal idejo, da so elektroni v atomu razporejeni tako, kot rozine v pudingu, vendar da ti elektroni ne mirujejo, ampak krožijo po koncentričnih krožnicah, v središču katerih naj bi se nahajal pozitivni naboj. J. J. Thomson pa je naredil še eno veliko stvar, izračunal je ionizacijske energije za posamezne atome, ki pa najverjetneje niso bile preveč natančne, saj se je tudi sam J. J. Thomson zavedal pomanjkljivosti svojega modela atoma, v katerem vsi elektroni krožijo v eni ravnini. leta 1909 sta pod vodstvom Ernesta Rutherforda začela Nemec Hans Geiger in Anglež Ernest Marsden izvajati poizkuse, pri katerih sta na tanke kovinske lističe usmerila delce α iz radioaktivnega izvora. S pomočjo teh poizkusov so hoteli izvedeti kako je v atomu razporejen pozitivni naboj. Do odgovora na to vprašanje, naj bi prišli glede na kot, pod katerim bi se ti delci α sipali ob prehodu čez kovinske lističe. Tako Rutherford kot tudi Geiger in Marsden so pričakovali, da bodo koti, pod katerimi se bodo delci α sipali, zelo majhni. To se je tudi zgodilo, vendar je Rutherford kljub temu naročil Geigerju in Marsdenu, naj preverita, če se slučajno kakšen delec odbije pod večjim kotom. Ugotovila sta, da se na vsakih nekaj tisoč delcev najde tudi kak delec, ki se pri prehodu čez kovinski listič odbije pod kotom večjim od 90 o. Rutherfordu se je ta dogodek zdel tako nenavaden, da ga je opisal z naslednjimi besedami:»to je tako neverjetno, kot če bi streljal s topom proti svilenemu papirju, pa bi se granata odbila od njega«. Tri leta po izvedbi teh poskusov je Rutherford objavil svojo teorijo, ki se je zelo dobro ujemala z izmerjenimi rezultati, in sicer, da je atom sestavljen iz elektronov in pozitivno nabitih delcev, ki se nahajajo v središču - jedru atoma in so vsaj nekaj desettisočkrat manjši kot celoten atom. Okrog teh pozitivno nabitih delcev pa krožijo 7

negativno nabiti elektroni. Prav tako je Rutherford trdil, da je atom skoraj povsem prazen, saj so delci, ki ga gradijo v primerjavi z njim strašansko majhni. Do zelo pomembnega odkritja oz. spoznanja o atomih je le nekaj let po objavi Rutherfordovega modela prišel danski fizik Niels Bohr. Ugotovil je, da stari zakoni ne zadostujejo za opis novega modela atoma, saj bi bili atomi po starih zakonih zelo nestabilni. Tako je privzel, da se elektroni ne morejo gibati okrog jedra po katerikoli krožnici, ampak le po točno določenih. Če bi veljalo, da se lahko elektroni gibljejo po katerikoli krožnici okrog jedra, bi pri tem ti elektroni konstantno sevali energijo, s čimer pa bi izgubljali hitrost in na koncu treščili v jedro. Po Bohrovi teoriji pa bi elektroni lahko oddali svojo energijo le ob prehodu z večje krožnice na manjšo. Pri tem prehodu bi elektron oddal natanko en foton, ki bi imel energijo ekvivalentno razliki energij med krožnicama. Bohrov model atoma je tudi določal, da atom ne more imeti poljubne notranje energije, ampak le točno določene. To odkritje je v zgodovini zgradbe atomov odigralo pomembno vlogo, saj že v veliki meri odraža zgradbo atomov, kakršno si predstavljamo dandanes. Leta 1920 je E. Rutherford poimenoval vodikovo jedro proton, za katerega so menili da je sestavljen le iz enega pozitivno nabitega delca. Takrat še seveda niso vedeli, da se v vodikovem jedru zraven protona nahaja tudi nevtron. Nevtrone so odkrili šele leta 1932, za njihovo odkritje pa je kriv James Chadwick. Glavni vzrok, da so nevtrone odkrili tako pozno, je, da nevtroni nimajo naboja, zaradi česar jih takratni detektorji niso mogli odkriti. Do njihovega odkritja so prišli na podlagi prodornega sevanja, ki je nastajalo ob radioaktivnih razpadih. Poizkuse s tem prodornim sevanjem sta izvajala tudi hčerka Marie in Pierra Curie ter njen mož, ki pa sta si nastanek tega sevanja razlagala nekoliko narobe. Ker se Chadwick z njuno razlago ni strinjal je tudi sam izvedel številne poizkuse, ki pa so potrdili njegovo domnevo, da to prodorno sevanje ne povzročajo fotoni, kot sta mislila hčerka Marie in Pierra Curie ter njen mož, vendar so krivci za nastanek tega sevanja nevtroni. Tako so bili odkriti vsi gradniki atomov, vsaj tako so mislili. Slika 2: Rutherfordov model atoma Slika 3: Bohrov model atoma 8

Novi gradniki tudi protoni in nevtroni niso nedeljivi Z gradnjo velikih pospeševalnikov in trkalnikov delcev, so znanstveniki pripomogli k močnem povečanju števila na novo odkritih osnovnih delcev, ki so veliko manjši od atomov in so najbolj podobni nevtronom, protonom in elektronom, saj našteti spadajo mednje. Te delce so fiziki razdelili v nekakšne preglednice, ki so spominjale na periodni sistem elementov. V preglednice so bili delci razporejeni glede na spin in druge fizikalne količine, ki vladajo v svetu subatomskih delcev. Ker je bilo številona novo odkritih delcev zares veliko, se je porodila ideja, da bi tudi ti lahko bili zgrajeni iz še manjših delcev, kakor to velja za atome. Domnevo o delcih, ki bi sestavljali protone, nevtrone in druge delce kot so mezoni, bozoni ter barioni, je leta 1956 postavil japonski fizik Shoichi Sakata. Predvideval je, da so vsi hadroni sestavljenih iz treh delcev in njihovih antidelcev. Njegovo zamisel je leta 1964 povzel Murray Gell-Mann, ki je vpeljal kvarke u, d in s. Ime kvarki je Gell-Mann vzel iz knjige Jamesa Joycea Finneganovo bedenje. Kratice u, d in s pomenijo u up (gor), d down (dol) in s kot strange (čuden) ali sideway (vstran) ter predstavljajo položaj delcev na diagramu, ki označuje čudnost. Nekaj let kasneje so fiziki odkrili novo generacijo kvarkov in anitkvarkov, imenovanih b bottom (dno) ali beauty (lepota), t top (vrh) ali truth (resnica) in c kot charm (čar). Za te kvarke velja da imajo tretjinske naboje in fizikalne količine imenovane čudnost, barva, lepota, čar... Antidelce sestavljajo trije antikvarki, ki imajo nasprotne naboje kot kvarki. Proton je sestavljen iz dveh u kvarkov in enega d, medtem ko je nevtron sestavljen iz dveh d kvarkov in enega u. 9

Stvarno kazalo Slika 4: Od atoma do kvarkov A Anaksimen... 4 antikvarki... 9 B barioni... 9 bozoni... 9 D Demokrit... 4 E elektroni... 7 Empedoklej... 4 Ernest Marsden... 7 Ernesta Rutherforda... 7 H hadroni... 9 Hans Geiger... 7 Heraklit... 4 J James Chadwick... 8 John Dalton... 5 K Ksenofan... 4 kvarki... 9 L Levkip... 4 lord Kelvin... 7 M Marie in Pierre Curie... 8 mezoni... 9 Murray Gell-Mann... 9 N nevtroni... 8 Niels Bohr... 8 O osnovni delci... 9 J. J. Thomson... 7 10

P S Parmenides... 4 R Robert Boyle... 5 Shoichi Sakata... 9 W William Thomson... 7 11

Kazalo slik Slika 1: Strani iz Daltonove knjige A New System of Chemical Philosophy (Manchester 1808) 6 Slika 2: Rutherfordov model atoma... 8 Slika 3: Bohrov model atoma... 8 Slika 4: Od atoma do kvarkov... 10 12

Literatura STRNAD, Janez. IZ TAKE SO SNOVI KOT SNJE. Ljubljana: Mladinska knjiga, 1988. BLIN-Stoyle, Roger J. EUREKA!. Fizika delcev, snovi in vesolja. Bristol: Institute of Physics Publishing, 1997. Slika 1: Strani iz Daltonove knjige A New System of Chemical Philosophy (Manchester 1808) http://images.google.si/imgres?imgurl=http://www.daviddarling.info/images/ Daltons_symbols.gif&imgrefurl=http://www.daviddarling.info/encyclopedia/D/Dalto n.html&h=602&w=692&sz=384&hl=sl&start=28&sig2=4k7omukztvxonamyf3a8rq& um=1&tbnid=5mvs7maqrp5hem:&tbnh=121&tbnw=139&ei=lmn6r4lhokbe0qtogo GUAQ&prev=/images%3Fq%3Ddalton%2Batom%26start%3D18%26ndsp%3D18%26u m%3d1%26hl%3dsl%26rlz%3d1g1gglq_enxx251%26sa%3dn [03. 04. 2008 (19:23) ] Slika 2: Rutherfordov model atoma http://cache.eb.com/eb/image?id=22476 [01. 04. 2008 (16:33)] Slika 3: Bohrov model atoma http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/ a/a5/bohr_atom_model_english.svg/288px-bohr_atom_model_english.svg.png [04. 04. 2008 (20:17)] Slika 4: Od atoma do kvarkov http://www.triumf.ca/atoms_to_quarks.gif [04. 04. 2008 (17:03)] 13