30th Νοέμβριος 2020

ScienceLab.Gr

Science Communication

Πως άλλαξε η αντίληψη του ανθρώπου για το άτομο;

Από τα αρχαία χρόνια η αντίληψη που είχαν οι άνθρωποι για τα άτομα αλλάζει. Με τα χρόνια επιστήμονες έφτιαχναν διάφορα μοντέλα για να απεικονίσουν τα άτομα, βασιζόμενοι στις γνώσεις που είχαν κάθε φορά. Ας δούμε πως άλλαξε η άποψη που είχε ο άνθρωπος για το σχήμα του ατόμου:

5ος αιώνας π.Χ.: Λεύκιππος και Δημόκριτος έκαναν την αρχή

Τον 5ο αιώνα π.Χ., στην αρχαία Ελλάδα ο Λεύκιππος και ο μαθητής του ο Δημόκριτος αναρωτήθηκαν το εξής: «Τι θα συνέβαινε αν έπαιρνες ένα αντικείμενο και το διαιρούσες σε όλο και μικρότερα μέρη; Θα μπορούσες να το διαιρείς για πάντα ή θα έφτανες σε κάποιο σωματίδιο το οποίο δε θα έσπαγε σε άλλα κομμάτια;»

Μετά από πολύ έρευνα και δεδομένου της εποχής, η απάντησή στο ερώτημά τους ήταν το δεύτερο και έτσι ονόμασαν αυτό το σωματίδιο «άτομο», το οποίο ετυμολογικά σημαίνει αυτό που δεν μπορεί να διαιρεθεί. Κατά τον Λεύκιππο και τον Δημόκριτο τα άτομα εμφανίζονταν σε άπειρα σχήματα και μεγέθη και ήταν αόρατα, αιώνια, άφθαρτα, αμετάβλητα και αδιαίρετα.

Λεύκιππος

Δημόκριτος
Ο Αριστοτέλης κατέρριψε την άποψη για το άτομο

Η υπόθεση του ατόμου όπως διατυπώθηκε από τους Λέυκιππο και Δημόκριτο δεν επικράτησε, επειδή ο Αριστοτέλης είχε διαφορετική γνώμη. Οι άνθρωποι είχαν σε μεγάλη εκτίμηση τον Αριστοτέλη, οπότε η άποψή του έφερνε ιδιαίτερο βάρος. Όλα αυτά βέβαια είχαν νόημα μόνο μέσα σε ένα φιλοσοφικό πλαίσιο καθώς η ανθρωπότητα απείχε πάρα πολύ ακόμα από το να διαθέτει την τεχνολογία για να ελέγξει αυτούς τους ισχυρισμούς.

Ο J. Dalton επανέφερε την ιδέα των ατόμων τον 17ο αιώνα μ.Χ.

Τον 17ο αιώνα άρχισε να επανεμφανίζεται η ιδέα πως η ύλη αποτελείται από σωματίδια. Στις αρχές του 1800 ο Άγγλος χημικός και φυσικός John Dalton επανάφερε την ιδέα των ατόμων και υποστήριξε πως τα άτομα είναι σφαιρικά, αδιαίρετα κομμάτια ύλης τα οποία δεν μπορούν να καταστραφούν ούτε να δημιουργηθούν. Υποστήριξε επίσης πως όλα τα άτομα ενός χημικού στοιχείου είναι τα ίδια, έχουν δηλαδή την ίδια μάζα, και οι χημικές ενώσεις είναι ο συνδυασμός διάφορων τέτοιων ατόμων.

Το άτομο σύμφωνα με τον Dalton.
Ο πρώτος πειραματικός έλεγχος από τον J.J. Thomson το 1987

Η ιδέα του Dalton είναι σημαντική, όχι γιατί ήταν σωστή, αλλά γιατί ήταν ουσιαστικά η πρώτη επιστημονική υπόθεση για τη φύση της ύλης. Όλοι οι ισχυρισμοί του μπορούσαν να ελεγχθούν πειραματικά. Και ο πρώτος έλεγχος έγινε από τον Άγγλο φυσικό J.J. Thomson το 1897. Ο Thomson μελετώντας τις ιδιότητες της καθοδικής ακτινοβολίας (η οποία βασικά είναι ακτινοβολία ηλεκτρονίων) διαπίστωσε ότι τα άτομα στην πραγματικότητα δεν ήταν…άτομα αλλά αποτελούνταν από ακόμα μικρότερα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια.

Το ατομικό μοντέλο «σταφιδόψωμο»

Ο Thomson γνώριζε πως τα άτομα γενικά ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα, δεν γνώριζε όμως πώς κατανέμονταν η μάζα στο εσωτερικό τους. Πρότεινε έτσι ένα μοντέλο το οποίο έμεινε στην ιστορία ως «μοντέλο-σταφιδόψωμο»: Το άτομο είναι κάποιου είδους σφαιρική σούπα θετικού φορτίου και μέσα σ’ αυτή τα ηλεκτρόνια είναι ενσωματωμένα σα σταφίδες σε ένα σταφιδόψωμο.

Το ατομικό πρότυπο του Thomson.
Η κατάρριψη του ατομικού μοντέλου «σταφιδόψωμο» από τον E. Rutherford

Tο 1909, ο Άγγλος φυσικός Ernest Rutherford μαζί με δύο μαθητές του (Hans Geiger και Ernest Marsden), έβαλαν το μοντέλο του Thomson στο μικροσκόπιο. Στην παρέα του Rutherford άρεσε γενικά να κουτουλάει σωματίδια άλφα με διάφορα αντικείμενα, έτσι σ’ ένα από τα πιο διάσημα πειράματα στη φυσική, έστειλαν σωματίδια άλφα πάνω σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού. Σύμφωνα με το μοντέλο του Thomson, όλα τα σωματίδια έπρεπε να περάσουν μέσα από το φύλλο με καθόλου έως ελάχιστη απόκλιση στην πορεία τους. Αν το φορτίο του ατόμου ήταν τόσο διάχυτο μέσα στη σφαίρα, το ηλεκτρικό του πεδίο δεν θα έπρεπε να επηρεάζει ιδιαίτερα τα σωματίδια άλφα. Με την εκτέλεση του πειράματος λοιπόν, παρατήρησαν δύο πράγματα:

  • η πλειοψηφία των σωματιδίων περνούσαν όντως ανεμπόδιστα μέσα από το φύλλο χρυσού.
  • κάποια λίγα σωματίδια εκτρέπονταν σε πολύ μεγάλο βαθμό, μεγαλύτερο και από 90 μοίρες!

Το αποτέλεσμα αυτό προκάλεσε τρομερή έκπληξη στην ομάδα. Όπως το έθεσε ο ίδιος ο Rutherford: «Ήταν σαν να ρίχναμε οβίδες σε ένα χαρτομάντηλο και αυτές να επέστρεφαν πίσω σε εμάς». Ο Rutherford λοιπόν συνειδητοποίησε πως όλο το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου βρίσκεται σε μια πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του, η οποία ονομάστηκε πυρήνας του ατόμου. Υπήρχε όμως δυσκολία στο να εξηγηθεί ο ρόλος των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο. Αν τα ηλεκτρόνια παρέμεναν ακίνητα τότε θα έλκονταν από τον πυρήνα και θα γινόταν κομμάτι του.

Το «πλανητικό μοντέλο» του E. Rutherford και τα… προβλήματά του
Ο Rutherford πρότεινε πως τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Το μοντέλο του έμεινε γνωστό ως «πλανητικό μοντέλο» και είναι ίσως η πιο διαδεδομένη εικόνα για τα άτομα.

Και το πλανητικό μοντέλο όμως είχε προβλήματα. Σύμφωνα με την κλασική φυσική ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρόνιο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Αυτό σημαίνει πως τα ηλεκτρόνια καθώς βρίσκονται σε τροχιά θα έπρεπε να χάνουν ενέργεια, ταχύτητα και τελικά να πέφτουν στον πυρήνα μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου, προκαλώντας την κατάρρευση του ατόμου. Προφανώς αυτό δε συμβαίνει αλλιώς εγώ δε θα βρισκόμουν εδώ να σου διηγούμαι αυτή την ιστορία και εσύ δε θα υπήρχες για να τη διαβάσεις.

Η διαφορά στα ατομικά πρότυπα Thomson και Rutherford.

Το ατομικό πρότυπο του N. Bohr

Τη λύση την έδωσε το 1913 ο Δανός φυσικός Neils Bohr με κάπως «πλάγιο τρόπο». Θεώρησε πως οι τροχιές των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένες, δηλαδή υπάρχουν τροχιές σε συγκεκριμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες ενέργειες, στις οποίες όταν βρίσκονται τα ηλεκτρόνια δεν ακτινοβολούν. Ακτινοβολούν μόνο όταν μεταβαίνουν από μία στάθμη με μεγαλύτερη ενέργεια σε μία με μικρότερη, ενώ για να γίνει το ανάποδο τα ηλεκτρόνια πρέπει να απορροφήσουν ενέργεια. Οι φυσικοί βρισκόταν σε δίλημμα. Από τη μία η λύση που έδινε ο Bohr ήταν απλή, κομψή και συμφωνούσε με τα δεδομένα. Από την άλλη έπρεπε να δεχθούν πως η φυσική που γνώριζαν φαινόταν να κάνει εξαιρέσεις για τα άτομα.

Το μοντέλο του Bohr χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα, πρώτον, για να δείξουμε πως τα ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να έχουν μόνο συγκεκριμένες ενέργειες και δεύτερον επειδή είναι εύκολο να το κατανοήσουμε… και να το σχεδιάσουμε!

Το ατομικό πρότυπο του Bohr.

Η κβαντική φυσική καταρρίπτει και το ατομικό πρότυπο του Bohr

Με την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής όμως, ακόμη και αυτό το μοντέλο έχει πια ξεπεραστεί. Για τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος μπορούμε να σχεδιάσουμε την τροχιά τους και μπορούμε να προβλέψουμε που ακριβώς θα βρίσκονται αύριο, σε μια εβδομάδα ή σε 100 χρόνια. Στα άτομα τα πράγματα είναι διαφορετικά.

Τα ηλεκτρόνια δεν έχουν αυστηρά καθορισμένες τροχιές. Δεν μπορούμε να ξέρουμε που ακριβώς είναι ένα ηλεκτρόνιο, προς τα που πηγαίνει και πόσο γρήγορα. Αν δεν γνωρίζουμε αυτά είναι αδύνατο να γνωρίζουμε τι ακριβώς κάνει ένα ηλεκτρόνιο μέσα στο άτομο. Αυτό που μπορούμε να ξέρουμε είναι που είναι πιο πιθανό να το βρούμε, αν το ψάξουμε, και πόση ενέργεια θα έχει εκεί που θα το βρούμε. Η κυματική εξίσωση (κυματοσυνάρτηση) του Schrödinger περιγράφει τις πιθανές θέσεις ενός ηλεκτρονίου στο άτομο. Και αυτές οι πιθανές θέσεις αποτελούν το λεγόμενο «ηλεκτρονιακό νέφος».

Τελικά πως μοιάζει ένα άτομο; Η απάντηση προς το παρόν είναι «Να! Έτσι!». Ας δούμε αυτή την εικόνα.

Τροχιακά – Ηλεκτρονιακά νέφη.

Οι χρωματιστές περιοχές ονομάζονται τροχιακά και είναι οι περιοχές μέσα στις οποίες ένα ηλεκτρόνιο θα βρεθεί με πιθανότητα 95%. Όσο πιο ανοιχτό είναι το χρώμα τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να βρεθεί εκεί. Αν θέλουμε να είμαστε 100% σίγουροι για το που μπορεί να είναι, θα πρέπει να φτιάξουμε ένα τροχιακό που να εκτείνεται σε όλο το σύμπαν! Θεωρητικά, το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί και στην άλλη άκρη της Γης! Προσοχή όμως, αυτό δε σημαίνει πως το ηλεκτρόνιο είναι μια μικρή μπαλίτσα της οποίας της αρέσει να αράζει εδώ κι εκεί αλλά σε κάποια μέρη περισσότερο από κάποια άλλα. Το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει όλο το τροχιακό. Κατά μία έννοια, το ηλεκτρόνιο είναι το τροχιακό.

Πηγή: kathimerinifysiki.gr