Sadržaj
- Demokritova teorija čestica
- Democritusov eksperiment za dokazivanje postojanja atoma
- John Dalton i moderna atomska teorija
- Teorija čestica zadovoljava kvantitet
- Moderni Atom
Teorija čestica materije nije toliko otkrivena koliko je bila formulirana, a ta je formulacija započela u drevnoj Grčkoj.
Osoba koja je zaslužna za ideju da se svijet sastoji od sićušnih, nedjeljivih čestica je filozof Demokrit, koji je živio od 460. do 370. godine prije Krista. Osmislio je eksperiment kako bi dokazao svoju ideju, a iako se Democritus eksperiment danas može činiti pretjerano pojednostavljenim, pomogao je da se rodi koncept atoma, koji je središnji u modernom razumijevanju materije.
U stoljećima koja su uslijedila nakon eksperimenta, teorija čestica Democritus nije postigla značajan napredak, ali na prelazu devetnaestog stoljeća, zauzeo ga je engleski kemičar i fizičar John Dalton (1766. - 1844.).
Daltonov rad ostao je gotovo nepromijenjen veći dio stoljeća dok se ekipa modernih fizičara koja je uključivala takva imena kao što su Thompson, Rutherford, Bohr, Planck i Einstein nije uključila. To je kad su iskre počele letjeti, a svijet je ušao u nuklearno doba.
Demokritova teorija čestica
Zvuči kao da je riječ "demokracija" možda nastala iz njegovog imena, ali Demokrit nije bio politički filozof. Riječ zapravo dolazi od grčkih riječi demos, što znači "narod" i kratein, što znači "vladati".
Poznat i kao "filozof koji se smije" zbog velike važnosti koju je stavio veselju, Demokrit je skovao još jednu važnu riječ: atom, Pozvao se na male čestice koje čine sve u svemiru kao atomos, što znači neizrecivo ili nedjeljivo.
Ovo mu nije bio jedini pionirski doprinos znanosti. Demokrit je također prvi tvrdio da je svjetlost koju vidimo iz Mliječnog puta kombinirano svjetlo mnoštva pojedinih zvijezda. Također je predložio postojanje drugih planeta, pa čak i postulirao postojanje više svemira, što je ideja koja je danas u vrhunoj znanosti.
Prema Aristotelu (384. - 322. pr.n.e.) Demokrit je vjerovao da je ljudska duša sastavljena od atoma vatre i tijela zemeljskih atoma. To je bilo u suprotnosti s Aristotelovim uvjerenjem da se svijet sastoji od četiri elementa zraka, vatre, zemlje i vode i da je omjer elemenata odredio karakteristike materije.
Aristotel je čak vjerovao da se elementi mogu pretvoriti jedni u druge, ideja koja je potaknula potragu za kamenom filozofa tijekom srednjeg vijeka.
Democritusov eksperiment za dokazivanje postojanja atoma
Ni Aristotel, niti jednako utjecajni Platon (oko 429. - 347. godine prije Krista) nisu se pretplatili u teoriju čestica Demokrita i trebalo bi 2.000 godina da se "filozof koji se smije" shvati ozbiljno. To bi moglo imati neke veze s eksperimentom koji je Demokrit smislio kako bi dokazao svoju teoriju, a koji je bio manje nego uvjerljiv.
Demokrit je obrazložio da ako uzmete kamen ili neki drugi predmet i nastavite ga dijeliti na pola, na kraju dođete do toliko malog da se više ne može podijeliti. Kaže se da je ovaj eksperiment izveo s školjkom, a kad je smanjio ljusku na fini prah koji više nije mogao izrezati na manje komade, smatrao je to dokazom svoje teoreme.
Demokrit je bio materijalista, za razliku od Platona i Aristotela, koji su vjerovali da su svrhe događaja važnije od njihovih uzroka. Bio je pionir u matematici i geometriji i bio je među nekolicinom ljudi u to vrijeme koji su vjerovali da je zemlja sferna. Čak i ako to nije mogao uvjerljivo dokazati, njegova predodžba o atomima koji uglavnom postoje u praznom prostoru, a svaki je imao malu kukicu u obliku čičak koja mu je omogućila da se poveže s drugim atomima, ali nije toliko udaljen od modernog znanstvenog modela atoma.
John Dalton i moderna atomska teorija
Je li Democritusova teorija bila točna? Odgovor je kvalificirano da, ali to se čak nije smatralo mogućnošću sve do 1800. To je bilo kad ga je John Dalton revidirao dok je radio na Zakonu o stalnom sastavu koji je izradio francuski kemičar Joseph Proust. Zakon Prousts uslijedio je izravno iz Zakona o očuvanju mase, koji je otkrio drugi francuski kemičar, Antoine Lavoisier.
Zakon stalnog sastava kaže da uzorak čistog spoja, bez obzira na način dobivanja, uvijek sadrži iste elemente u istim omjerima mase. Dalton je shvatio da bi to moglo biti istinito samo ako se tvar sastoji od nedjeljivih čestica, koje je nazvao atomima (kimanjem glave prema Demokritu). Dalton je napravio četiri izjave o materiji koje zajedno čine njegovu atomsku teoriju:
Daltonska atomska teorija ostala je gotovo nepromijenjena veći dio devetnaestog stoljeća.
Teorija čestica zadovoljava kvantitet
Kroz devetnaesto stoljeće vodila se rasprava o prirodi svjetlosti - bilo da se širi kao val ili kao čestica. Mnogi su eksperimenti potvrdili hipotezu o valovima, a još mnogo njih je potvrdilo korpuskularnu. Godine 1887. njemački fizičar Heinrich Hertz otkrio je fotoelektrični učinak dok je obavljao eksperimente s generatorom iskre. Ovo se otkriće pokazalo daleko važnijim nego što je Hertz shvatio.
Otprilike u to vrijeme engleski fizičar J.J. Thompson je otkrio prvu subatomsku česticu, elektron, ispitivanjem ponašanja katodnih zraka. Njegovo otkriće pomoglo mu je objasniti što je električni iscjedak iz vodeće ploče kada svijetlite na njemu - što je fotoelektrični učinak - ali ne i ono što uzrokuje pražnjenje niti zašto je jačina električnog impulsa povezana sa frekvencijom svjetlosti. Na rješenje je trebalo pričekati do 1914. godine.
Nitko drugi osim Alberta Einsteina nije objasnio fotoelektrični učinak u smislu malih zvanih paketa energije kvanti. To je predložio njemački fizičar Max Planck 1900. Einsteinovo objašnjenje dokazalo je kvantnu teoriju i za njega je dobio Nobelovu nagradu.
Quanta, kako ih je zamislio Planck, istovremeno su bile i čestice i valovi. Prema Plancku, svjetlost se sastojala od kvante zvane fotoni, od kojih je svaki imao određenu energiju određenu svojom frekvencijom. Godine 1913, danski fizičar Neils Bohr upotrijebio je Plancksovu teoriju za davanje planetarnog modela atoma, koji je 1911. godine predložio novozelandski fizičar Ernest Rutherford, kvantno nadvladavanje.
Moderni Atom
U Bohrs-ovom modelu atoma, elektroni mogu mijenjati orbite emitiranjem ili apsorpcijom fotona, ali budući da su fotoni diskretni paketi, elektroni mogu mijenjati orbite samo u diskretnim količinama. Dvojica eksperimenata, James Franck i Gustav Hertz, osmislili su eksperiment koji je potvrdio Bohrsovu hipotezu bombardiranjem atoma žive žive elektronima, a oni su to učinili a da nisu ni znali za Bohrov rad.
S dvije modifikacije Bohrsov je model preživio do današnjih vremena, iako ga većina modernih fizičara smatra aproksimacijom. Prva modifikacija bilo je otkriće protona od strane Rutherforda 1920. godine, a druga je otkriće neutrona britanskog fizičara Jamesa Chadwicka 1932. godine.
Moderni atom potvrda je Democritusove teorije čestica, ali je i nešto odbacivanje. Ispada da atomi nisu nedjeljivi, a isto vrijedi i za elementarne čestice koje ih čine. Možete podijeliti elektrone, protone i neutrone na manje čestice koje se nazivaju kvarkovi, a čak je moguće i podijeliti kvark. Putovanje niz zečju rupu još nije kraj.