Ludzie wiedzieli o występowaniu atomów w przyrodzie już prawie 2,5 tys. lat temu. Jednak dopiero pod koniec XIX w. udało się naukowo udowodnić ich istnienie. Historia atomu to jedna z najbardziej skomplikowanych opowieści naszej cywilizacji, której ostatni rozdział nie został jeszcze z pewnością napisany. Jest pełna nagłych zwrotów, olśniewających odkryć i znakomitych postaci. A było to tak…

Pierwsze koncepcje świata atomowego

Historia koncepcji atomu rozpoczęła się w starożytności. W 480 roku p.n.e. Leucyp z Miletu wysnuł teorię, że materia składa się z maleńkich ziarenek o różnych kształtach i rozmiarach, które łączą się w formy i tworzą wszystkie przedmioty. Jego myśl kontynuował Demokryt z Abdery, który stwierdził, że nie tylko przedmioty składają się z takich małych cząsteczek, ale także światło, dźwięk, a nawet dusza. On też wprowadził nazwę atomos, czyli niepodzielny. Idea najmniejszej części, tworzącej wszelką materię stała się podstawą systemu filozoficznego epikurejczyków, będących naśladowcami Epikura z Samos (341–270 p.n.e.). Uznawani za pierwszych materialistów i ateistów, przekonywali, że do poznania świata konieczne jest poznanie praw rządzących atomami, gdyż daje to człowiekowi pełną władzę nad otoczeniem. Dla epikurejczyków każda materia, w tym ciało i dusza człowieka, składała się z atomów.

Odkrycie elektronu

Pogłębianie wiedzy na temat chemii zaowocowało odkryciem w 1897 roku przez Brytyjczyka Josepha Johna Thomsona elektronu, który został uznany za jedyną najmniejszą część składową atomu. Thomson stworzył też pierwszy model struktury atomu, który jednak w 1910 roku został odrzucony przez nowozelandzkiego naukowca Ernesta Rutherforda. Na podstawie bombardowania cząstkami alfa złotej folii Rutherford doszedł do wniosku, że w atomie oprócz ujemnego elektronu musi znajdować się także cząstka dodatnia i bardzo masywna – jądro atomowe.

Promieniotwórczość

Promieniotwórczość to zjawisko związane ze zdolnością jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, najczęściej poprzez emisję cząstek alfa (α), beta (β) lub promieniowania gamma (γ). Przełom XIX i XX wieku to okres pierwszych badań nad promieniotwórczością, której prekursorami byli Henri Becquerel oraz Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem Piotrem Curie. Bequerel w 1896 roku przypadkowo odkrył radioaktywność, badając fosforescencję, czyli zjawisko świecenia niektórych przedmiotów światłem własnym pod wpływem uprzedniego naświetlenia. Dalsze badanie swojego odkrycia Bequerel zlecił Marii Skłodowskiej-Curie. Polska doktorantka wraz z Piotrem Curie w ciągu czterech lat pracy odkryła i wydzieliła pierwiastki polonu, radu oraz doprowadziła do wyjaśnienia przyczyn radioaktywności jako efektu rozpadu jąder atomów. W 1903 roku Skłodowska-Curie za swoją pracę wraz z mężem otrzymała Nagrodę Nobla. W 1913 roku Frederic Soddy, badając produkty rozpadu promieniotwórczego, odkrył, że atomy każdego pierwiastka mogą występować w kilku odmianach różniących się masą atomową. Dzięki temu świat poznał izotopy, zaś późniejsze prace doprowadziły do rozróżnienia izotopów niestabilnych i stabilnych, których czas rozpadu jest bardzo długi.

Jak wygląda atom?

W tym samym czasie naukowcy zaczęli zastanawiać się nad wyglądem samego atomu. W 1912 roku duński fizyk Niels Bohr stworzył tzw. model planetarny, w którym jądro atomu otoczone jest elektronami krążącymi po jego orbicie. Mimo późniejszych badań obalających tę teorię właśnie taka wizja atomu utarła się w powszechnej świadomości. Z kolei w 1927 r. austriacki fizyk Werner Heisenberg odkrył zasadę nieoznaczoności, która stwierdzała, że w przypadku cząstek o rozmiarach porównywalnych lub mniejszych od średnicy atomu niemożliwe jest jednoczesne i dokładne ustalenie ich położenia oraz pędu. Odkrycie to sprawiło, że wizja atomu zmieniła się z uporządkowanej dotąd struktury w rozmazaną chmurę otaczającą jądro.

Atom w służbie człowieka

Pomimo że naukowcy nie poznali do końca wszystkich własności atomu, dotychczasowe odkrycia otworzyły drogę do praktycznego zastosowania posiadanej wiedzy. W 1919 roku John Cockcroft oraz Ernest Thomas Sinton Walton pod kierunkiem Ernesta Rutherforda rozbili jądro atomowe za pomocą akceleratora cząstek. Sam Rutherford w tym samym roku odkrył reakcję jądrową. W 1938 roku niemieccy chemicy Lise Meitner i Otto Frisch dokonali pierwszego indukowanego rozbicia jądra atomowego uranu. W 1942 roku w pierwszym eksperymentalnym reaktorze atomowym Chicago Pile-1, nazywanym wówczas stosem atomowym, osiągnięta została masa krytyczna, czyli minimalna ilość materiału rozszczepialnego potrzebnego do zapoczątkowania reakcji łańcuchowej. Dzięki temu pod koniec lat 30. XX w. pojawiła się możliwość stworzenia broni o niespotykanej dotąd sile rażenia, opierającej się na wykorzystaniu energii powstałej w procesie niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepiania jąder ciężkich pierwiastków, takich jak uran czy pluton.

Pierwsza energia z atomu

W okresie powojennym zaczęto zastanawiać się nad innym niż wojskowe użyciem energii jądrowej. W 1951 roku w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy wykorzystano ciepło z reaktora do wytworzenia pary i napędu turbiny. Otworzyło to drogę do rozwoju energetyki jądrowej. W 1954 roku w ówczesnym Związku Radzieckim, w Obnińsku, została otwarta pierwsza elektrownia atomowa wytwarzająca energię elektryczną z energii pochodzącej z rozszczepiania jąder atomu, głównie uranu. Zimna wojna oraz militarne pochodzenie pierwszych reaktorów zadecydowały jednak o tym, że początkowo głównym zadaniem elektrowni jądrowych była produkcja wzbogaconego materiału rozszczepialnego na potrzeby wojskowe. Dopiero w latach 70. elektrownie jądrowe, projektowane już ściśle na potrzeby cywilne, zaczęły odgrywać istotną rolę w energetyce.

Dalsze prace nad atomem

Dalsze eksperymenty doprowadziły do odkrycia w latach 50. i 60. XX wieku jeszcze mniejszych cząsteczek w ramach atomu – kwarków. Kwarki to, obok leptonów i bozonów, cząstki fundamentalne stanowiące budulec całej znanej nam materii. Kwarki są najmniejszymi znanymi składnikami materii, mają swoje nazwy (tzw. „zapachy”) oraz tzw. ładunek kolorowy. Kwarki wraz z towarzyszącymi im gluonami są budulcem wszystkich hadronów, czyli m.in. protonów i neutronów. Opisany wyżej schemat pobieżnie charakteryzuje obowiązujący obecnie model cząstek i oddziaływań między nimi, tzw. Model Standardowy. Niestety, w dalszym ciągu ma on wiele słabych punktów.

Mimo poznania coraz subtelniejszych struktur atomowych i praw nimi rządzących nie zaprzestano dalszych badań w dziedzinie fizyki jądra i cząstek elementarnych. W 1968 roku powstała teoria strun, zgodnie z którą u podstaw budowy atomu leżą struny, czyli bardzo małe porcje energii o różnych rozmiarach, częstotliwościach i kształtach. Jej twórca, młody włoski fizyk Gabriele Veneziano, opracował ją na podstawie wzorów matematycznych, odnalezionych w książce sprzed 200 lat. Teoria ta zyskała sobie ogromną popularność i przez długi czas pretendowała do miana Teorii Wszystkiego, czyli fizycznego modelu wyjaśniającego działanie wszechświata i eliminującego sprzeczności między klasyczną fizyką Einsteina a fizyką kwantową. Teoria strun nie została jednak ostatecznie potwierdzona, zaś niektórzy naukowcy udowadniają wręcz jej absurdalność. Obecnie jedną z najpoważniejszych teorii pretendujących do miana najwyższej jest teoria supersymetrii. Zakłada ona, iż każdej cząstce elementarnej przypisana jest jej cząstka supersymetryczna, zazwyczaj o zdecydowanie większej energii. Aby to sprawdzić, naukowcy przeprowadzają eksperymenty przy użyciu coraz to potężniejszych akceleratorów zwiększających możliwość zobaczenia tak rzadkich i masywnych cząstek. Na wyniki eksperymentów musimy jednak jeszcze trochę poczekać.

 

Share on FacebookTweet about this on TwitterGoogle+Print this page