Hipoteza o atomowej strukturze materii jest bardzo stara. Filozof grecki Demokryt, ┐yj╣cy oko│o 400 lat przed narodzeniem Chrystusa, twierdzi│, ┐e ca│a materia jest zbudowana z male±kich cz╣steczek. Te cz╣steczki - jego zdaniem - by│y niezniszczalne i niepodzielne, a pomiΩdzy nimi mia│a znajdowaµ siΩ pr≤┐nia. Arystoteles z kolei twierdzi│, ┐e pr≤┐nia nie mo┐e istnieµ i tym samym podwa┐y│ hipotezΩ Demokryta.

W 1802 roku angielski badacz John Dalton zdoby│ pierwsze dowody na to, ┐e atomy rzeczywi£cie istniej╣. Wyobrazi│ je sobie jako ma│e kule bilardowe. Podobnie jak Demokryt twierdzi│, ┐e s╣ one niepodzielne i niezniszczalne. Zmierzy│ masΩ niekt≤rych atom≤w i wyja£ni│ mechanizm powstawania cz╣steczek.

W roku 1897 inny angielski naukowiec, Joseph John Thomson, podwa┐y│ teoriΩ niepodzielno£ci atom≤w. Odkry│ on w atomach jeszcze mniejsze ujemnie na│adowane cz╣steczki, kt≤re nazwa│ elektronami. S╣dzi│, ┐e elektrony s╣ rozrzucone w atomach jak rodzynki w cie£cie.

J╣dro atomowe

Dalszy postΩp w badaniach atom≤w nast╣pi│ w 1911 roku dziΩki pracom Nowozelandczyka Ernesta Rutherforda, zatrudnionego w anglii. Bombardowa│ on cienk╣ z│ot╣ foliΩ cz╣steczkami alfa. Jest to promieniowane wysy│ane przez niekt≤re substancje promieniotw≤rcze, jak na przyk│ad rad. Rutherdford by│ zdumiony stwierdziwszy, ┐e tylko nieliczne cz╣steczki alfa odbija│y siΩ od folii, niewielka ich ilo£µ zakrzywia│a sw≤j tor, natomiast wiΩkszo£µ przechodzi│a przez ni╣ swobodnie.

Wyja£nienie tego zjawiska wymaga│o za│o┐enia, ┐e wiΩkszo£µ masy atomu z│ota jest skupiona na bardzo ma│ym obszarze, kt≤ry nazywamy obecnie j╣drem atomu. Rutherford uzna│ ┐e elektrony otaczaj╣ce j╣dra tworz╣ co£ w rodzaju chmury. W roku 1913 du±ski badacz Niles Bohr zaproponowa│ bardziej uporz╣dkowany model, w kt≤rym elektrony kr╣┐╣ wok≤│ j╣dra - podobnie jak planety i inne cia│a niebieskie obiegaj╣ S│o±ce - po orbitach o okre£lonych promieniach.

Dzi£ wiemy ju┐, ┐e j╣dro atomu z│o┐one jest z dw≤ch rodzaj≤w cz╣steczek - proton≤w i neuron≤w. Protony, podobnie jak elektrony, obdarzone s╣ niewielkim │adunkiem elektrycznym. Jest to jednak┐e │adunek przeciwny do │adunku elektron≤w. úadunek protonu nazywamy dodatnim, a elektrony ujemnym. Neutrony znajduj╣ce siΩ w j╣drze atomu nie maj╣ ┐adnego │adunku elektrycznego - s╣ cz╣steczkami neutralnymi.

Niels Bohr wyobra┐a│ sobie, ┐e elektrony poruszaj╣ siΩ wok≤│ j╣der po £ci£le ustalonych orbitach. Wed│ug jego teorii pozostawieni elektronu na ka┐dej z tych orbit oznacza, ┐e posiada on okre£lon╣ energiΩ kinetyczn╣, dziΩki kt≤rej nie spada na j╣dro.

NajwiΩksz╣ energiΩ kinetyczn╣ ma elektron na orbicie po│o┐onej najbli┐ej j╣dra. Ze wzrostem odleg│o£ci od j╣dra jego energia kinetyczna maleje, natomiast wzrasta jego energia potencjalna w konsekwencji jego energia ca│kowita. Przej£cie elektronu z jednej orbity na drug╣ wymaga poch│oniΩcia lub emisji energii w postaci impulsu £wiat│a, czyli fotonu.

Obrazy falowe

P≤ƒniejsi badacze atom≤w wziΩli pod uwagΩ koncepcjΩ Bohra, jednak uwzglΩdnili ponadto falowe w│asno£ci elektronu. Elektrony mog╣ bowiem zachowywaµ siΩ jak fale. Na przyk│ad przechodz╣c przez bardzo w╣sk╣ szczelinΩ uginaj╣ siΩ i rozchodz╣ w r≤┐nych kierunkach. Falowe w│asno£ci elektronu wewn╣trz atomu nale┐y rozumieµ w ten spos≤b, ┐e nie mo┐na precyzyjnie okre£liµ miejsca jego przebywania. Zamiast m≤wiµ ┐e nie mo┐na precyzyjnie okre£liµ miejsca jego przebywania. Zamiast wiΩc m≤wiµ, ┐e elektrony znajduj╣ siΩ na konkretnych orbitach, mo┐emy wykre£liµ mapy prawdopodobie±stwa ich znalezienia. Przypomina to nocne zdjΩcia miast, na kt≤rych co prawda nie mo┐na dostrzec poszczeg≤lnych samochod≤w, lecz widaµ natΩ┐enie ich ruchu.

Obszar przestrzeni zajmowany przez elektrony nazywamy pow│ok╣. Najprostsza z nich ma kszta│t kuli i mog╣ na niej znajdowaµ siΩ dwa elektrony. Inne pow│oki s╣ bardziej skomplikowane i mog╣ przybieraµ kszta│t hantli lub klepsydry. Odkrycie sposobu zape│niania pow│ok atomowych przez elektrony pozwoli│o fizykom wyja£niµ w│asno£ci chemiczne atom≤w.

Badania cz╣steczek, kt≤re tworz╣ j╣dra atomowe, prowadzi siΩ za pomoc╣ akcelerator≤w. S╣ to ogromne urz╣dzenia, w kt≤rych cz╣steczki elementarne przyspiesza siΩ do wielkich prΩdko£ci, bliskich nawet prΩdko£ci £wiat│a.

Tak rozpΩdzone cz╣steczki zderzaj╣ siΩ z j╣drami tarczy, wytwarzaj╣c kaskadΩ innych cz╣steczek o bardzo kr≤tkich czasach ┐ycia. Tory tych cz╣steczek rejestruje siΩ za pomoc╣ wielu rodzaj≤w detektor≤w, takich na przyk│ad jak komory pΩcherzykowe. Cz╣steczki lec╣ce przez tΩ komorΩ pozostawiaj╣ w niej bowiem w postaci drobnych pΩcherzyk≤w pary u│o┐onych wzd│u┐ swego toru. Magnesy umieszczone wok≤│ komory zakrzywiaj╣ tory cz╣steczek obdarzonych │adunkiem elektrycznym. Szczeg≤│owa analiza tych tor≤w - ich d│ugo£ci i odchyle± - umo┐liwia identyfikacjΩ cz╣steczek.

Eksperymenty w akceleratorach dowiod│y istnienia wielu r≤┐nych cz╣steczek elementarnych, w£r≤d kt≤rych wyr≤┐niamy cz╣stki ciΩ┐kie, takie jak piony i kaony. Cz╣steczki te podobnie jak protony i neurony zbudowane s╣ z elementarnych cegie│ek, kt≤re zosta│y nazwane kwarkami. Protony i neurony z│o┐one s╣ z trzech r≤┐nych kwark≤w, piony i kaony z par kwark≤w.

Istniej╣ r≤wnie┐ cz╣steczki lekkie, jak na przyk│ad neutrino. Cz╣steczka ta wydaje siΩ nie mieµ w og≤le masy. Nie jest r≤wnie┐ zbudowana z kwark≤w. Podobnie nie s╣ zbudowane z kwark≤w elektrony oraz inne, nieco ciΩ┐sze, obdarzone │adunkiem elektrycznym cz╣steczki nazywane tau i mion. Badania cz╣steczek nie zosta│y jeszcze zako±czone; fizycy wci╣┐ maj╣ bardzo wiele do odkrycia w tej dziedzinie.