V tomto blogovom príspevku preskúmam históriu atómového konceptu a význam moderných atómových modelov, pričom začnem otázkou, ktorá mi napadla pri grilovaní bravčového brucha.
Prskanie~ Mmm~ Ach, je to naozaj radosť jesť toto, nech je to kedy (slzy radosti). Práve som dogrilovala a dojedla bravčovú brušinu a teraz, keď sedím za stolom, mám tú pikantnú scénu stále v živej mysli. Pri jedení mäsa mi zrazu prebleskla myseľ. Tak ako pozorujeme, ako sa mäso mení pod vplyvom tepla, mohla by Aristotelova teória štyroch elementov vzniknúť z opakovaných chemických objavov – napríklad voda hasiaca oheň alebo voda vyparujúca sa? Premena hmoty musela byť fascinujúcou témou aj medzi starovekými filozofmi. Avšak samotná zvedavosť o fenoméne zmeny hmoty nestačila na to, aby niekto ponúkol koherentné vysvetlenie. Trvalo veľmi dlho, kým sme dospeli k myšlienke, že do toho všetkého sú zapojené nejaké extrémne malé častice – že existuje najmenšia jednotka hmoty a že všetky javy sa dejú zmiešaním týchto jednotiek. Kedysi dávno chemici pomenovali tieto častice „atómy“. Pozrime sa na proces, prostredníctvom ktorého sa atómy študovali a aký význam majú v modernej chémii.
Prvým, kto spomenul existenciu atómov, bol grécky filozof Demokritos, ktorý žil v 5. storočí pred n. l. Tvrdil, že ak by niekto neustále delil hmotu na polovicu pomocou magického noža – takého, ktorý by ju dokázal rozdeliť presne na polovicu – nakoniec by dosiahol stav pevných atómov, ktoré by sa už nedali deliť. Toto bola najstaršia koncepcia atómu. Ľudstvo si však muselo počkať až do začiatku 17. storočia a vzniku Daltona, kým sa z toho stal chemicky významný problém.
Podobne ako Demokritos, aj Dalton definoval atóm ako najmenšiu jednotku hmoty. Zašiel však ešte o krok ďalej a veril, že existujú rôzne typy atómov a že jedinečné vlastnosti každej látky vyplývajú z charakteristík týchto jednotlivých atómov. Predstavil tiež revolučnú myšlienku, že vodík a kyslík sa skladajú z atómov vodíka a kyslíka a že voda – ktorá sa skladá z týchto atómov – vykazuje nové vlastnosti, pretože tieto dva atómy sa spájajú. Atómy chápal ako tvrdé gule – nedeliteľné, nemenné a absolútne entity – hoci je dnes známe, že nie všetky Daltonove myšlienky boli správne. Jeho teória však zohrala kľúčovú úlohu v dejinách chémie tým, že slúžila ako východiskový bod pre moderné experimenty a objavy, o ktorých sa bude diskutovať neskôr.
Podľa Daltonovho modelu ľudia verili, že atómy sú nedeliteľné základné jednotky hmoty. Túto vieru však v roku 1899 vyvrátil britský fyzik J. J. Thomson. V tom čase študoval jav známy ako „svetelné lúče“, ktoré boli veľmi zaujímavé. Tieto lúče boli ovplyvnené magnetickými a elektrickými poľami a, čo je pozoruhodné, mali hmotnosť. Thomson predpokladal, že tieto lúče sú prúdom veľmi malých častíc. Toto svetlo vznikalo, keď boli silné elektromagnetické vlny nasmerované na kov, a zistil, že vlastnosti svetla zostávali nezmenené, aj keď menil typ kovu použitého vo svojich experimentoch. Thomson následne dospel k záveru, že tieto častice existujú vo všetkých kovoch a navyše, že sú prítomné aj vo všetkých ostatných atómoch. Inými slovami, navrhol „model slivkového pudingu“, v ktorom sa predpokladalo, že elektróny sú rozmiestnené po celom atóme, a táto myšlienka dominovala mysliam ľudí na celom svete, až kým nebola neskôr revidovaná.
Thomsonov experiment bol kľúčový, podnietil výskum atómových modelov a slúžil ako atraktívna výskumná téma aj pre vášnivých výskumníkov, ako bol Rutherford.
Počas experimentu, v ktorom vystreľoval lúče (neskôr identifikované ako jadrá hélia) na extrémne tenkú kovovú fóliu, objavil zvláštny jav, ktorý sa nedal vysvetliť Thomsonovým pudingovým modelom. Bol to jav, pri ktorom sa lúče zrážali s atómami a odchyľovali sa takmer opačným smerom. Rutherford bol ohromený a na experiment spomínal takto: „Bol to ohromujúci jav, ako keby ste vystrelili náboj na list papiera a náboj sa od neho odrazil.“ Prostredníctvom tohto experimentu dospel k záveru, že v strede atómu musí byť jadro, ktoré nesie kladný náboj a obsahuje väčšinu hmotnosti atómu. Toto bol jediný spôsob, ako vysvetliť, prečo sa častice odchyľujú. Navrhol tiež nový model, v ktorom si predstavoval, že okolo tohto jadra obiehajú elektróny. Toto je Rutherfordov planetárny model. V nadväznosti na jeho teóriu sa výskum atómového jadra stal aktívnejším a americký fyzik Chadwick experimentálne objavil existenciu neutrónu, ktorý nenesie žiadny náboj. Tým sa dokončila štruktúra atómového jadra modernej chémie.
Až po dôkladnej identifikácii prvkov, ktoré tvoria atóm, sa začal aktívny výskum atómovej štruktúry. Jedným z najzaujímavejších problémov pre vedcov bolo pozorovanie čiarového spektra atómu vodíka. Vedci boli hlboko zmätení, pretože keď atóm vodíka absorboval energiu a vyžaroval svetlo, pozoroval iba niekoľko špecifických energetických hodnôt. Bolo to preto, že tento jav nebolo možné vysvetliť ani úplným použitím Rutherfordovho modelu a tradičnej klasickej mechaniky. V dôsledku toho ľudia cítili potrebu objaviť nový atómový model.
V 10. rokoch 20. storočia, keď bol výskum nového modelu v plnom prúde, dánsky fyzik Niels Bohr vyriešil problém jedným ťahom pomocou zdanlivo absurdného predpokladu: že okolo jadra existujú dráhy, po ktorých sa elektróny môžu pohybovať bez zrážok. Predpokladal existenciu viacerých takýchto dráh a že elektróny môžu pri pohybe medzi nimi zaujímať rôzne energetické stavy. Vysvetlil tiež, že svetlo sa vyžaruje v množstvách zodpovedajúcich energetickému rozdielu generovanému počas tohto prechodu medzi dráhami. Inými slovami, toto umožnilo vysvetliť spektrálne čiary. Toto je známe ako Bohrov model škrupiny.
Vedci začali podľa Bohrovho modelu analyzovať štruktúru atómu pomocou nového nástroja: kvantovej mechaniky. Schrödinger chcel vytvoriť model, ktorý by odrážal Heisenbergov princíp neurčitosti, ktorý hovorí, že presnú polohu elektrónu nemožno poznať. Keďže Einsteinova teória, že hmota a svetlo sa môžu vzájomne premieňať, už v tom čase získala na význame, Schrödinger použil vlny na vyjadrenie polohy elektrónu ako pravdepodobnosti. Už sa nepokúšal určiť presný stav elektrónu. Namiesto toho veril, že je najrozumnejšie znázorniť body v atóme, kde sa elektrón s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza, ako bodky. Model vytvorený spojením týchto oblastí, kde sa elektrón s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza, sa nazýva orbitálny model. Tým sa dokončil moderný atómový model.
Doteraz sme skúmali históriu atómových modelov. Na vysvetlenie vlastností zlúčenín vznikajúcich kombináciou špecifických látok, ako aj na vysvetlenie ich určitého správania, je nevyhnutné pochopenie samotného atómu. Aj po objavení orbitálneho modelu výskum atómovej štruktúry neustále pokračoval, čo viedlo k objavu rôznych subatomárnych častíc, ktoré tvoria atómové jadro a elektróny. Považujem za skutočne fascinujúce, že existujú častice ešte menšie ako elektróny, protóny a neutróny. Týmto spôsobom sa atómové modely neustále vyvíjajú. V budúcnosti môžu byť tieto subatomárne častice uznané ako základné stavebné kamene hmoty a éra atómu môže upadnúť do análov histórie. Jedna vec je však istá: túžba pochopiť skutočnú podstatu atómovej štruktúry – konečný cieľ, ktorý sa snažilo dosiahnuť nespočetné množstvo vedcov – sa nikdy nezmení. Venujme chvíľu zamysleniu sa nad ich myšlienkami a ešte raz si vážme ich úsilie a odhodlanie.
