Istoria Descoperirilor Științifice în Domeniul Fizicii Atomice

Deşi primele idei referitoare la faptul că materia ar putea fi compusă din atomi datează din secolul al V-lea î.Hr., datorându-i-se lui Leucip din Millet, abia în secolul al XVII-lea au în ceput să se strângă dovezi ale existenţei lor reale. Robert Boyle de exemplu, a consderat că subsanţele gazoase trebuie să fie compus din particule mici, din moment ce ele se comportă la compresiune aşa cum o fac. În general, pe parcursul secolului al XVIII-lea teoria atomică a făcut puţine progrese, dar în 1797, Joseph Proust a constat că, într-un compus chimic, raportul dinre două elemente este întotdeauna acelaşi. Această lege a proporţiilor definite, i-a sugerat lui John Dalton ideea că, la fel ca subtanţele gazoase şi substanţele solide şi lichide trebuie să fie formate din atomi. În 1803, Dalton a arătat că teoria atomică este cea care ar putea explica legea proporţiilor definite. Un „atom” al unui compus, ceea ce numim astăzi moleculă, conţine întotdeauna un număr de atomi mai mici, aparţinând fiecăruia dintre elementele din care este format compusul. În 1816, William Prout a făcut un pas în plus, explicând că atomii elementelor, la fel ca „atomii” compuşilor, pot fi formaţi din particule şi mai mici. Observând că masele atomice ale elementelor chimice cunoscute sunt aproape multipli întregi ai masei atomice a hidrogenului, elementul cel mai uşor, Prout a emis ipoteza că un atom, de exemplu, de oxigen, cu o masă atomică egală aproximativ cu 16 este compus din 16 atomi de hidrogen. Din nefericire, pe măsură ce s-au descoperit noi elemente, s-a constat că multe dintre acstea aveau masele egale cu aproximativ un multiplu şi jumătate al masei hidrogenului. Cu toate acestea, chimiştii au sesizat că în jur de 50% dintre elementele cunoscute aveau masele atomice foarte apropiate de multiplii întregi ai masei hidrogenului, ori acest procentaj li s-a părut mult prea mare pentru a fi o simplă coincidenţă.

În 1854, o serie de descoperiri nelegate între ele au scos la iveală adevărul care se ascundea în spatele ipotezei lui Prout. Heinrich Geissler a găsit o cale de a obţine un vid destul de bun, cu ajutorul unui tub de sticlă. Experimentele au arătat repede că un curent electric aplicat la un capăt produce o luminescenţă la celălalt capăt. Deci, aparent, prin spaţiul aproape vid treceau nişte radiaţii invizibile. Apoi s-a aratat că, introducând în tub nişte măşti, aceste radiaţii duceau la formarea unor umbre bine delimitate. În 1869, radiaţiile în cauză au fost numite catodice deoarece se formau la polul electric numit catod. În anul 1881, fizicianul englez George Stoney a denumit electron particula care stătea la baza acestui tip de radiaţie.

În final, în 1897, J.J.Thompson a reuşit să aplaneze pentru câţiva ani conflictul particulă – undă. El a măsurat devierea radiaţiilor catodice într-un câmp electric, demostrând pin aceasta că, ele fiind deviate, acestea sunt compuse din particule. Mai mult decât atât, măsurând valoarea devierii, el a fost capabil să determine masa electronilor, carre s-a demonstrat că este de 2000 de ori mai mică decât cea a atomului de hidrogen.

Din moment ce electronii provenea din componenţa uno materiale, s-a făcut repede presupunerea că aceştia făceau parte integrantă din atomi. În 1898, Thomson a lansat modelul de atom tip „budincă de stafide”, adică o sferă cu sarcină electrică pozitivă este plină cu electroni ca o budincă cu stafide. Alţi fizicieni au venit cu alte idei. Philli Lenard a găsit pe cale experimentală o dovadă cum că atomii au în structură foarte mult spaţiu gol. Drept rezultat, în 1903, el a emis ansamblul electron – sarrcină formând un corp aproape gol. În anul următor, japonezul Hantaro Nagaoka afirma că atomii arată ca planeta Saturn, fiind compuşi din nişte inele care înconjoară un miez cu sarcină electică pozitivă.

Prin 1911, Ernest Rutherford şi asociaţii săi au obţinut experimental că Nagaoka se apropiase de adevăr. Dar modelul lui Nagaoka presupunea ca fiecare atom să conţină mii de electroni, ori alte dovezi evidenţiaseră faptul că nu pot exista decât câţiva electroni în fiecare atom. De aceea Rutherford a propus un model care semăna mai degrabă cu sistemul solar decât cu planeta Saturn: un miez central sau un nucleu cu sarină pozitivă, în jurul căruia se învârtesc pe orbite circulare numai câţiva electroni. Aceasta este şi imaginea pe care o au astăzi despre atom majoritatea oamenilor.

Din nefericire, s-a dovedit că natura este mult mai complicată. Atomul lui Rutherford nu era stabil, motiv pentru care modelul lui a suferit, de-a lungul timpului, mai multe modificări. În zilele noastre imaginea cea mai comună a unui atom regiuni înceţoşate în care, potrivit legilor probablităţii şi mecanicii cuantice, se pot găsi electroni „undo-particulă”.

Pentru a salva teoria atomului, Niels Bohr şi-a concentrat atenţia asupra cuantei lui Planck. Începând cu 1913, Bohr a început să calculeze cuantele, primul caz de care s-a ocupat fiind cel al atomului de hidrogen, care are un singur electron ce se roteşte în jurul unui proton. Astfel, el a arătat că teoria poate fi reconciliată cu observaţiile experimentale dacă se consideră că aşa-numita cuantă este cea care limitează posibilităţile de mişcare ale elctronului, la una sau mai multe orbite particulare. Pentru fiecare număr natural exista numai o singură orbită permisă. Deci, orbitei pe care se mişca un electron dat i se putea atribui numărul respectiv, numit număr cuantic. Bohr şi-a bazat calculele pe liniile care formază spectrul hidrogenului gazos. El a explicat existenţa acestor linii separate afirmând că radiaţiile sunt emise numai atunci când electronul se mută de pe o orbită pe alta cuu număr cuantic mai mare pe o orbită cu număr cuantic mai mic. Spectul nu putea fi continuu deoarece electronul se deplasa de pe o orbită pe alta prin „salturi cuantice”. Atomii mai complecşi decât cel de hidrogen necesitau mai complicate, dar aproximările au indicat că, în cazul lor, aplicarea unei teorii similare era corectă.

1. 600 î.Hr. – 529 d.Hr.

Conceptul de atom ca cea mai mică şi indivizibilă entitate este unul dintre cele mai vechi din istoria ştiinţei. Originea sa se află într-o problemă filozofică pe care grecii au încercat să o soluţioneze: Heraclit a fost convins că la baza tuturor lucrurilor stă „schimbarea”; Parmenide, în schimb, l-a contrazis pe Heraclit, afirmând că realitatea este imuabilă, schimbarea nefiind decât o iluzie.

Democrit, dacă nu şi Leucip, tatăl teoriei atomice, despre care se ştie însă prea puţin, a văzut schimbarea ca făcând parte din realitate, dar a susţinut că ea are loc în contextul enunţat de Parmenide. Schimbarea consta pentru Democrit în mişcările locale ale unor entităţi invizibile şi imuabile: atomii.

El a încercat astfel să explice diferitele forme sub care există materia. Unele dintre ideile lui par a fi destul de moderne, deşi perspectiva sa nu corespunde în realitate cu cea a atomiştilor de astăzi. De exemplu, Democrit a considerat că substanţele diferă una de alta prin forme, poziţii şi moduri de grupare a atomilor constituienţi. În corpurile solide, atomii nu stau lipiţi unii de alţii, ci se deplasează în direcţii întamplătoare, ricoşând din cauza ciocnirilor dintre ei. De asemenea, o altă idee care îi aparţine este aceea că substanţele maii dense sunt făcute din atomi mai mari, dar tot indivizibili. În teoria lui nu existau limite de dimensiuni pentru un atom; el a crezut că atomii pot fi mari cât o lume întreagă care, cine ştie poate exista undeva, în interiorul lor.