Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Скалы, суперзвезды, люди — все, что мы лицезреем вокруг, состоит из крохотных атомов. Атомы мизерные. Максимально и максимально. С юношества мы знаем, что все вещество состоит из накоплений этих крохотных штуковин. А также мы знаем, что них нельзя узреть безоружным глазом. Мы обязаны слепо веровать сиим заявлениям, и не имея способности проверить. Атомы ведут взаимодействие вместе и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это же знаем? Почти все и не обожают воспринимать утверждения ученых за чистую монету. Давайте наряду с наукой пройдем путь от понимания атомов перед началом непринужденного подтверждения них существования.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Может появиться, что существуют простейший метод обосновать существование атомов: запихнуть них под микроскоп. Однако этот подход и не сработает. Даже самые массивные микроскопы, фокусирующие свет, и не умеют визуализировать один атом. Объект становится зримым, так как отражает световые волны. Атомы так все меньше длины волны зримого света, что они совсем и не ведут взаимодействие. Другими словами, атомы невидимы даже для света. Но атомы тем не менее оказывают наблюдаемые спецэффекты на некие вещи, кои мы можем узреть.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Сотки годов назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхауж изучал странноватое явление, которое и не мог осознать. Мелкие крупицы угольной пыли шныряли на поверхности какого-то спирта в его лаборатории.

    50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун обрисовал нечто изумительно схожее. Изучая пыльцевые гранулки под микроскопом, Броун нашел, что некие гранулки испускают крохотные крупицы — кои потом удалялись от пыльцы в произвольном нервном танце.

    На первых парах Броун поразмыслил, что крупицы были каким-то безизвестным организмом. Он повторил опыт с иными веществами, вроде каменной пыли, которая очевидно существовала неживой, и опять заметил странноватое движение.

    Потребовалось практически сто лет, дабы наука отыскала разъяснение. Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предвещала тот пикантный тип движения — тогда нареченный броуновским движением, в честь Роберта Броуна. Теория Эйнштейна заключалась в фолиант, что крупицы пыльцевых гранул всегда передвигались, так как в их врезались миллионы крохотных молекул жидкости — молекул, состоящих из атомов.

    «Он пояснил, что это же нервное движение, которое вы наблюдаете, на деле вызывалось влиянием отдельных молекул жидкости на частицы пыли либо что там у вас есть», — объясняет Гарри Клифф из Кембриджского вуза, а также куратор Музея науки в Лондоне.

    К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, продемонстрировали, что атомы настоящи. За десять лет физики значительно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали осознавать них внутридомовую структуру.

    Сюрпризом предстало то, что атомы можно поделить — в особенности в свете тамошнего, что само заглавие «атом» получилось из греческого «атомос», значащего «неделимый». Однако физики сейчас знают, что атомы далековато и не базисные кирпичи. Они состоят из трех главных элементов: протонов, нейтронов и электронов. Представьте, что протоны и нейтроны совместно образуют «солнце», либо ядро, посередине системы. Электроны присутствуют на орбите сего ядра, подобно планеткам.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Ежели атомы немыслимо минимальны, то эти субатомные крупицы и совсем. Смешно, однако первой нашли самую малую частичку из трех — электрон. Дабы осознать разницу объемов, имейте в образу, что протоны в ядре в 1830 раз все больше электрона. Представьте самому себе чупа-чупс на орбите воздушного шара — несоответствие будет приблизительно этаким.

    Однако как только мы выяснили, что эти крупицы там? Ответ в фолиант, что они хоть и мизерные, однако имеют крупное воздействие. Английский физик Томсон, открывший электроны, употреблял великолепный способ, дабы обосновать них существование в 1897 году.

    У него существовала трубка Крукса — фрагмент стекла комической формы, из коего машинкой был высосан практически весь воздух. К единому финалу трубки подводили отрицательный электронный заряд. Сего заряда существовало довольно, дабы вышибить у молекул оставшегося в трубке газа часть электронов. Электроны заряжены негативно, потому летели к альтернативному финалу трубки. Благодаря частичному вакууму, электроны пролетали сквозь трубку, и не встречая на собственном пути большие атомы.

    Электронный заряд приводил к тамошнему, что электроны сдвигались максимально резво — порядка 59 500 км за секунду — пока и не врезались в стекло на далеком финале, выбивая еще более электронов, кои скрывались в его атомах. Изумительно, однако столкновение меж этими сногсшибательно крохотными частичками осуществляло столько энергии, что порождало умопомрачительное зелено-желтое свечение.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    «Это был в неком смысле один из первых ускорителей частиц, — говорит Клифф. — Он ускоряет электроны на одном финале трубки к альтернативному, и они врезаются в дисплей на альтернативном финале, производя фосфоресцирующее свечение».

    Так как Томсон нашел, что может заведовать пучками электронов при помощи магнитов и электронных полей, он знал, что это же были не попросту странноватые лучи света, — это были заряженные крупицы.

    И ежели для вас увлекательно, как только эти электроны умеют летать независимо от собственных атомов, то это же благодаря процессу ионизации, в каком — в заданном случае — электронный заряд обменивает структуру атома, выбивая электроны в место вблизи.

    А именно, благодаря тамошнему что электронами эдак ординарно манипулировать и двигать, стали вероятны электромагнитные схемы. Электроны в медном проводе едут подобно поезду от единого атома меди к альтернативному — потому-то провод передается по проводу. Атомы, как только мы уже сообщили, это же и не монолитные куски вещества, а уж системы, кои можно видоизменять либо разобрать на структурные элементы.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Открытие электрона продемонстрировало, что надо познать о атомах побольше. Работа Томсона продемонстрировала, что электроны негативно заряжены — но он знал, что атомы сами по самому себе и не имеют общего заряда. Он представил, что они обязаны содержать таинственные положительно заряженные крупицы, дабы возместить негативно заряженные электроны.

    Опыты начала 20 века выявили эти положительно заряженные крупицы и в то же время раскрыли внутридомовую структуру атома — похожую на галлактику.

    Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли максимально узкую железную фольгу и поставили ее под луч положительно заряженного излучения — поток крохотных частиц. Большинство массивного излучения прошла насквозь, как только и считал Резерфорд, беря во внимание толщину фольги. Однако, к удивлению ученых, часть его отскочила.

    Резерфорд представил, что атомы в стальной фольге обязаны содержать маленькие плотные области с позитивным зарядом — ничто другое и не владело бы достаточным потенциалом, дабы отразить этакое сильное излучение. Он нашел позитивные заряды в атоме — и одновременное обосновал, что они все сопряжены в плотной толпе, в отличие от электронов. То есть, он показал существование плотного ядра в атоме.

    Оставалась неполадка. К тамошнему моменту уже могли высчитать толпу атома. Однако беря во внимание заданные об фолиант, какими трудными обязаны были быть крупицы ядра, мысль тамошнего, что они все положительно заряжены, и не имела смысла.

    «Углерод имеет шесть электронов и шесть протонов в ядре — шесть позитивных зарядов и шесть отрицательных зарядов, — объясняет Клифф. — Однако ядро углерода и не весит шесть протонов, оно весит эквиваленту 12 протонов».

    На первых парах представили, что в ядре существуют шесть остальных ядерных частиц с толпой протона, однако заряженных негативно: нейтроны. Однако никто и не сумел это же обосновать. На деле, нейтроны и не могли определить перед началом 1930-х годов.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пробовал открыть нейтрон. Он функционировал над данной теорией не мало лет. В 1932 году ему же удалось выполнить прорыв.

    За пару лет прежде альтернативные физики экспериментировали с радиацией. Они запускали положительно заряженное излучение — тамошнего типа, который употреблял Резерфорд в поисках ядра — в атомы бериллия. Бериллий испускал свою радиацию: излучение, которое и не существовало заряжено положительно либо негативно и могло просачиваться глубоко в материал.

    К этому времени альтернативные узнали, что гамма-излучение существовало нейтральным и проникало глубоко, потому физики полагали, что конкретно его испускают атомы бериллия. Однако Чедвик эдак и не полагал.

    Он без помощи других произвел новое излучения и обратил его на вещество, которое, как только он знал, существовало зажиточным на протоны. Непредвиденно оказалось, что протоны были выбиты из материала как будто бы частичками с схожей толпой — как будто шарики для бильярда иными шариками.

    Гамма-излучение и не может отражать протоны таким макаром, потому Чедвик решил, что разыскиваемые крупицы обязаны иметь толпу протона, однако альтернативный электронный заряд: и это же нейтроны.

    Все главные крупицы атома были найдены, однако на этом история и не завершается.

    Хотя мы выяснили о атомах не мало все больше, чем знали ранее, них существовало тяжело визуализировать. В 1930-х годах никто и не размещал них снимками — и почти все люди жаждили них узреть, дабы принять них существование.

    Немаловажно отметить, вобщем, что способы, расходуемые учеными вроде Томсона, Резерфорда и Чедвика, проложили путь к новенькому оборудованию, которое наконец посодействовало нам произвести эти снимки. Пучки электронов, кои Томсон генерировал в собственном опыте с трубкой Крукса, оказались в особенности полезными.

    Сейчас аналогичные пучки генерируются электрическими микроскопами, и самый массивный из этаких микроскопов может на деле выполнять снимки отдельных атомов. Это же поэтому, что электрический пучок владеет длиной волны в тыщи раз короче пучка света — так коротенькой, по большому счету, что волны электронов умеют отражаться от крохотных атомов и выдавать картину, чего же и не умеют световые пучки.

    Нил Скиппер из Институтского института в Лондоне разговаривает, что этакие изображения полезны для граждан, кои намерены учить атомную структуру особых веществ — вроде тамошних, что употребляются в производстве батарей для электромобилей, например. Чем все больше мы знаем о них атомной структуре, тем самым предпочтительнее нам удается проектировать аккумуляторы, выполнять них действенными и надежными.

    Можно а также осознать, как только смотрятся атомы, ординарно тыкнув в их. Эдак, по большому счету, ишачит атомно-силовая микроскопия.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Мысль в фолиант, дабы поднести кончик очень минимального зонда к поверхности молекулы либо вещества. При достаточной близости зонд будет чувствителен к хим структуре тамошнего, на что показывает, и изменение сопротивления по мере движения зонда дозволит ученым произвести снимки, например, отдельной молекулы.

    Не так давно ученые выпустили красивые снимки молекулы перед началом и опосля хим реакции при помощи сего способа.

    Скиппер прибавляет, что почти все атомные ученые изучат, как только структура вещей изменяется при действии высочайшего давления либо температуры. Большая часть граждан знает, что когда вещество греется, оно частенько расширяется. Сейчас можно найти атомные конфигурации, кои происходят причем, что часто оказывается полезным.

    «При нагревании воды можно заприметить, как только ее атомы принимают неупорядоченную конфигурацию, — говорит Скиппер. — Вы сможете узреть это же конкретно из структурной карты».

    Скиппер и альтернативные физики а также умеют ишачить с атомами, используя нейтронные пучки, в первый раз обнаруженые Чедвиком в 1930-х.

    «Мы запускаем не мало пучков нейтронов в эталоны материалов, и из возникающего паттерна рассеяния можно осознать, что вы рассеиваете нейтроны в ядрах, — говорит он. — Можно грубо прикинуть толпу и объем объекта, который просвечивался».

    Однако атомы и не все время ординарно присутствуют там, в размеренном состоянии, ждя, пока что них исследуют. Время от времени они разлагаются — то существуют являются радиоактивными.

    Бытует огромное количество естественных радиоактивных частей. Этот процесс генерирует энергию, которая легла в базу ядерной энергетики — и ядерных бомб. Физики-ядерщики, обычно, пробуют предпочтительнее осознать реакции, при которых ядро проходит сквозь фундаментальные конфигурации вроде этих.

    Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

    Лаура Харкнесс-Бреннан из Ливерпульского вуза практикуется на исследовании гамма-лучей — типа излучения, испускаемого распадающимися атомами. Радиоактивный атом конкретного типа излучает особенную форму гамма-луча. Это же означает, вы сможете идентифицировать атомы, лишь регистрируя энергию гамма-лучей — сиим, фактически, Харкнесс-Бреннан и занимается в собственной лаборатории.

    «Типы сенсоров, кои вы обязаны применять, представлены сенсорами, кои дозволят для вас мерить сразу присутствие излучения и энергии радиации, которая существовала отложена, — разговаривает она. — Все поэтому, что у любых ядер существуют особенный отпечаток».

    Так как в области, где существовала найдена радиация, умеют находиться все типы атомов, в особенности опосля большой ядерной реакции, немаловажно определенно аристократию, какие радиоактивные изотопы находятся. Этакое обнаружение привычно проводится на ядерных станциях либо в зонах, где произошла ядерная трагедия.

    Харкнесс-Бреннан и ее коллеги ныне ишачят над системами обнаружения, кои можно расположить в этаких пространствах, дабы отобразить в трех измерениях, где может находиться радиация в заядлом помещении. «Вам надобны техники и инструменты, кои дозволят составить трехмерную карту места и подскажут, где в данной комнате, в данной трубе радиация», — говорит она.

    А также можно визуализировать излучение в «камере Вильсона». В рамках сего специального опыта охлажденный перед началом -40 градусов по Цельсию спиртовый пар распыляется облаком над радиоактивным родником. Заряженные крупицы радиации, парящие от родника излучения, выбивают электроны из молекул спирта. Спирт конденсируется в жидкость рядом с дорожкой излучаемых частиц. Результаты этакого типа обнаружения впечатляют.

    Мы не достаточно ишачили конкретно с атомами — разве что сообразили, что это же красивые сложноватые структуры, кои умеют претерпевать умопомрачительные конфигурации, почти все из которых происходят в природе. Изучая атомы таким макаром, мы улучшаем собственные технологии, извлекаем энергию из ядерных реакций и предпочтительнее осознаем природный окружающий мир. Мы а также получили вероятность предохранять себя от радиации и учить, как только изменяются вещества в экстремальных критериях.

    «Учитывая, как минимален атом, ординарно неописуемо, как только не мало физики мы можем извлечь из него», — метко подмечает Харкнесс-Бреннан. Все, что мы лицезреем вокруг себя, состоит из этих мелких частиц. И ладно аристократию, что они там существуют, так как конкретно благодаря им же все вокруг предстало вероятным.

    По материалам BBC