eduskrypt.pl - platforma nominowana do WORLD SUMMIT AWARD 2007

Informacje - szczegóły

«  Dodaj Informację


Antropologia (74) | Archeologia (8888) | Astronomia (1511) | Biologia (362) | Biotechnologia (126) | Chemia (247) | Ciekawostki (3645) | Ekologia (667) | Ekonomia i Biznes (686) | Etnologia (72) | Filozofia (92) | Fizyka (270) | Fundusze, granty, stypendia (354) | Genetyka (339) | Geografia (149) | Geologia (133) | Gimnazjum (62) | Historia (1237) | Historia sztuki (167) | Imprezy kulturalne (541) | Informatyka (552) | Inne (634) | Językoznawstwo i filologie (142) | Konferencje i imprezy naukowe (1080) | Konkursy (939) | Kształcenie zintegrowane (53) | Kursy i szkolenia (80) | Liceum / Technikum (184) | Literatura (115) | Ludzie nauki (489) | Matematyka (162) | Medycyna (3303) | Miasta i regiony (104) | Muzyka (111) | News bulletin - English (838) | Paleontologia (164) | Prawo (165) | Projekty edukacyjne (74) | Przyroda (1172) | Psychologia (439) | Religie (128) | Rozrywka (133) | Socjologia (510) | Sport (143) | Studia wyższe (580) | Szkoła podstawowa IV-VI (50) | Sztuka (71) | Świat (1786) | Targi (115) | Technika i technologie (1330) | Turystyka (86) | Uczelnie wyższe (1811) | Unia Europejska (154) | Współpraca naukowa (148) | Wszystkie etapy szkolne (204) | Wychowanie przedszkolne (73) | Z życia szkoły (103) | Żywienie (234)

  

Doświadczenia w służbie fizyki teoretycznej doprowadziły do "rozbicia atomu"
2007-09-26 09:43:04

Do "rozbicia atomu" czy poznania jego wewnętrznej struktury doprowadziły obliczenia teoretyków. Ale ich rozważania oparte były na wieku eksperymentach praktycznych. W ten sam sposób potwierdzono prawdziwość tych teorii. O doświadczeniach, które pozwoliły odkryć z czego składa się atom, opowiadał mgr Tomasz Sowiński podczas wykładu "Wyprawa w głąb materii" w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w ramach XI Festiwalu Nauki w Warszawie. Jak mówił Sowiński, na trop tego, że materia nie jest jednolita, ale składa się z niewidocznych gołym okiem drobin, naprowadziło naukowców zjawisko "kontrakcji cieczy", widoczne w doświadczeniach polegających na mieszaniu dwóch różnych płynów, np. wody i alkoholu. Zjawisko to polega na tym, że objętość mieszaniny wody i alkoholu jest mniejsza niż suma objętości obu płynów, kiedy jeszcze są oddzielnie.


Z takiego doświadczenia fizycy wysnuli wniosek, że drobiny, z których składają się różne ciecze, mają różną wielkość i dlatego, kiedy mieszają się ze sobą, mniejsze wchodzą pomiędzy większe i w ten sposób mieszanina zajmuje mniej miejsca.

Kolejnym krokiem były badania gazów, z których wynikało m.in. to, że aby powstała woda - wodór musi się łączyć z tlenem w proporcji jeden do ośmiu, jeśli brać pod uwagę masę i w stosunku dwa do jednego, jeśli brać pod uwagę objętość. Późniejsze badania dowiodły, że rzeczywiście, cząsteczka wody powstaje z dwóch małych atomów wodoru i jednego dużego atomu tlenu. W ten sposób w XIX wieku ustalono, że materia składa się z cząsteczek, one zaś z atomów.

Ja mówił Sowiński, kolejne lata udoskonalania eksperymentów fizycznych przyniosły nowe wyniki, które pomogły naukowcom zagłębić się w strukturę atomu.

"Takim eksperymentem, który zrewolucjonizował koncepcję budowy materii było doświadczenie Johna J. Thomsona (...) Zauważył on, że jeżeli weźmiemy trochę jakiegoś tworzywa i w jakiś sposób dostarczymy do niego energię, to może się okazać, że ta energia zostanie pochłonięta przez tę substancję a ponadto, substancja wyemituje jakieś cząstki, które do tej pory nie były znane" - opowiadał fizyk.

Cząstki odkryte przez Thomsona były badane w kolejnych doświadczeniach. Okazało się, że są bardzo lekkie (mają o wiele mniejszą masę niż szacowana przez teoretyków masa atomu). Ponadto cząstki te miały ładunek elektryczny ujemny. Nazwano je później elektronami.

Już wtedy naukowcy wiedzieli, że atomy są obojętne elektrycznie. Zatem skoro materia składa się tylko z atomów, atomy zaś są elektrycznie obojętne, elektrony muszą pochodzić z wnętrza atomu. Pozostała zaś część atomu musi być naładowana dodatnio. Zaczęto pracować nad teorią budowy atomu.

"Pierwszą koncepcją, którą zaproponował John Thomson, była tzw. koncepcja ciasta z rodzynkami. Thomson uważał, że atom to jakby kulka +ciasta+, w którym tkwią elektrony jak rodzynki. Ponieważ cały atom musi być elektrycznie obojętny, a elektrony są naładowane ujemnie, +ciasto+ musi być naładowane dodatnio" - opisywał Sowiński.

Ta koncepcja została zmodyfikowana po eksperymentach przeprowadzonych w ramach badań Ernesta Rutherforda i Johannesa Geigera. Eksperymenty te wykazały, że materia w atomie nie jest luźnym "ciastem", ale jest skoncentrowana w jednym miejscu. Stąd wzięła się idea naładowanego dodatnio jądra atomu, wokół którego, jak planety wokół słońca, krążą ujemne elektrony.

Postęp w dalszym poznaniu materii był możliwy dzięki doświadczeniom wykonanym przez Jamesa Chadwicka. Znalazł on sposób na to, aby zderzać ze sobą jądra atomów helu i berylu oraz na to, aby obserwować skutki tych zderzeń.

Jądro helu, jak każde jądro atomu, jest naładowane dodatnio i ma ładunek o wartości dwa, jądro berylu ma ładunek dodatki o wartości cztery. Zderzenie tych jąder powoduje, że łączą się one ze sobą, tworząc jądro atomu węgla o ładunku dodatnim, o wartości sześć. Jednak, jak zaobserwowali fizycy, powstałe ma skutek zderzenia jądro węgla poruszało się zaskakującym torem, tak jakby nie obowiązywała znana już wcześniej zasada zachowania pędu.

"Jeżeli bombardujemy w jednym kierunku, to wszystko powinno dalej lecieć w tym samym kierunku, z inną prędkością, ale pęd powinien się zachowywać. Chadwick zaproponował, że być może podczas tego zderzenia emitowana jest jeszcze jedna cząstka, odlatująca od miejsca zderzenia w innym kierunku. Dzięki temu nadal obowiązuje zasada zachowania pędu. Ta cząstka powinna być obojętna elektrycznie, ponieważ w powstałym po zderzeniu jądrze węgla mieszczą się wszystkie ładunki mniejszych jąder berylu i helu" - mówił Sowiński.

James Chadwick wykonał eksperymenty, które potwierdziły istnienie nieznanej dotąd cząstki, będącej składnikiem jądra atomu. W ten sposób odkryto neutron. Cząstka ta była obojętna elektrycznie, całe jądro zaś jest naładowane dodatnio. Z doświadczeń Chadwicka płynął więc wniosek, że w jądrze atomu muszą znajdować się dwa rodzaje cząstek - obojętne i naładowane.

Anglik James Chadwick dostał za swoje odkrycie nagrodę Nobla w 1935 r.

Analogiczne doświadczenie przeprowadził w tym samym czasie niemiecki naukowiec Hans Falkenhagen. Nie ujawnił jednak jego wyników, obawiając się, że władze III Rzeszy użyją tej wiedzy w celach militarnych; ominęły go więc sława i pieniądze związane z nagrodą. "Kiedy Chadwick dowiedział się o tym po wojnie, zaproponował Falkenhagenowi, że odda mu połowę swojej nagrody i pół medalu. Falkenhagen odmówił. Obaj fizycy byli przyjaciółmi do końca życia" - opowiadał Sowiński.

Rozbicie atomu na neutrony i protony nie zakończyło podróży w głąb materii. Kolejne odkrycie przyniosły obserwacje rozpadu promieniotwórczych pierwiastków.

"Jest taki izotop węgla C14, który, pozostawiony sam sobie, po pewnym czasie zmieni się w jądro azotu i wyemituje jeden elektron. Takie zjawisko nazywane jest rozpadem beta" - mówił Sowiński.

Z teoretycznych wyliczeń wynikało, że rozpad beta polega na tym, że neutron zamienia się nagle w proton i elektron. Emitowane w ten sposób cząstki powinny poruszać się za każdym razem z taką samą prędkością. Jednak doświadczenia pokazały, że elektrony emitowane przy rozpadzie węgla C14 poruszają się z różnymi prędkościami. Ponownie fizycy stanęli przed problemem pogodzenia wyników eksperymentu z zasadą zachowania pędu. I po raz drugi doprowadziło to do odkrycia nieznanego wcześniej składnika materii.

"Wolfgang Pauli postawił hipotezę, że podczas takiego rozpadu neutronu na proton i elektron powstaje jeszcze jedna cząstka. Z wyliczeń teoretycznych pokazał, jaka ta cząstka by musiała być. Było to w roku 1930" - tłumaczył Sowiński.

Według obliczeń Pauliego, nowa cząstka (obecnie nazywana neutrino) powinna mieć bardzo małą masę, być obojętna elektrycznie i bardzo słabo oddziaływać na otaczającą ją materię, ponieważ trudno ją wykryć. To okazało się prawdą i dlatego doświadczalnie udało się potwierdzić, że neutrino istnieje dopiero w 1956 roku, czyli 26 lat po postawieniu hipotezy przez Pauliego.

Rozpad beta nadal jednak stwarzał problemy naukowcom. Najprostsze wyjaśnienie, że neutron składa się z protonu, elektronu i neutrino nie mogło być prawdziwe, ponieważ zachodziła również reakcja analogiczna, czyli rozpad protonu na neutron, neutrino i tajemniczą cząstkę o masie elektronu, ale o dodatnim ładunku, nazwaną pozytronem lub antyelektronem. Czyli zarówno proton musiałby być składnikiem neutronu, jak i neutron składnikiem protonu, co się wzajemnie wyklucza.

Do dalszych badań nad strukturą protonu i neutronu potrzebne były akceleratory cząstek elementarnych, dzięki którym rozpędzano cząstki i doprowadzano do ich zderzeń, aby wywołać reakcję protonów i neutronów na te zderzenia. W wyniku tych eksperymentów, fizycy odkryli, że ładunek elektryczny wewnątrz protonu nie jest rozłożony równomiernie, ale skupia się w trzech miejscach. Miejsca te zaś mają ładunki o różnych znakach i o różnych wartościach. Naładowane elektrycznie "punkty" odkryto też wewnątrz obojętnych elektrycznie neutronów.

"Protony oraz neutrony składają się z trzech mniejszych cząstek, nazwanych kwarkami. Neutron składa się z trzech kwarków, z których dwa nazywamy dolnymi, a jeden górnym. Kwark dolny ma ładunek minus jedna trzecia, a kwark górny plus dwie trzecie. Zsumowane ładunki dają zero. Proton składa się natomiast z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, ich ładunki dają łącznie ładunek protonu plus jeden" - wyjaśnił Sowiński.

Odkrycie kwarków wyjaśniło zagadkę rozpadu beta. "Rozpad beta polega na spontanicznej zmianie kwarku dolnego na kwark górny i wyemitowaniu elektronu. Wtedy rzeczywiście neutron przejdzie w proton. Jeśli weźmiemy proces odwrotny, czyli kiedy kwark górny w protonie zamieni się w kwark dolny, to proton zamieni się w neutron i zamiast elektronu wyemitowany zostanie pozytron" - mówił fizyk.

Być może przyszłe eksperymenty doprowadzą do odkrycia, że kwarki również składają się z mniejszych elementów. Fizycy już teraz przypuszczają, że także elektron, który ma masę zbliżoną do kwarków, nie jest jednolity, ale ma jakąś wewnętrzną strukturę.

PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka

Jeżeli nie znalazłeś tego czego szukasz skorzystaj z poniższej wyszukiwarki.

  Google
 
 
Web www.eduskrypt.pl



Koszyk jest pusty
Zaloguj się:

adres e-mail:

hasło:
   
« Zarejestruj się
Wpisz pobrany
kod dostępu:
 
Polecamy:
















    
UWAGA! Ten serwis używa plików cookies i podobnych technologii, proszę zapoznać się z polityką prywatności platformy edukacyjnej eduskrypt.pl
ZAMKNIJ