Atómy sa skladajú z jadra a elektrónov, jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Pod mikroskopom nie je vidieť ani len samotné atómy. Ako sa teda podarilo zistiť, z čoho a ako sa skladajú?
Nechýbalo veľa, a ľudia by objavili štruktúru atómov skôr, ako bola definitívne potvrdená ich samotná existencia. Prelom 19. a 20. storočia bol obdobím rýchleho pokroku, a tak sa stalo, že atómové jadro bolo objavené v roku 1911, iba tri roky po Perrinovom experimente, ktorý potvrdil existenciu atómov. Ale pekne po poriadku.
Periodická tabuľka prvkov
Podobne ako existencia atómov, aj ich vnútorné zloženie dáva o sebe vedieť nepriamo. Indíciou, že atómami sa štruktúra hmoty nekončí, sú atómové hmotnosti prvkov a Mendelejevova periodická tabuľka.
Už v prvej polovici 19. storočia chemici vedeli, že hmotnosti chemických prvkov nie sú ľubovoľné, ale sú násobkom hmotnosti najľahšieho prvku – vodíka. Toto pravidlo má síce výnimky, ale aj tak je pravidelnosť v hmotnostiach, ktoré by mohli byť v princípe ľubovoľné, pozoruhodná.
Aby toho nebolo málo, chemické vlastnosti sa medzi prvkami periodicky menia. Po mnohých pokusoch viacerých bádateľov ako prvý v roku 1869 úspešne zostavil tabuľku, ktorá tento fakt zohľadňuje, ruský chemik Dmitrij I. Mendelejev (1834 – 1907). V jeho tabuľke sú chemické prvky usporiadané do skupín podľa hmotnosti a vlastnosti prvkov sa s rastúcou atómovou hmotnosťou opakujú. To je bez hlbšej štruktúry vnútri atómov veľmi nepravdepodobné. Je to podobná situácia ako pri chemických reakciách. Aj tam striktné pravidlá viedli chemikov k predstave o akejsi neviditeľnej štruktúre v hmote, o čom sme písali v Quarku 1/2019.
Podobne pravidlá periodickej tabuľky prvkov vedú k predstave o zatiaľ neobjavenej štruktúre vnútri atómov. Ako prvý si to krátko po svojom objave všimol aj samotný Mendelejev. Pri chýbajúcich experimentálnych dôkazoch však zostalo veľmi dlho iba pri hypotéze.
Katódové žiarenie
Prvý raz ľudia skutočne narazili na časticu menšiu ako atóm ešte bez toho, aby si to uvedomili. V roku 1858 nemecký fyzik Julius Plücker (1801 – 1868) objavil jav, ktorý nazývame katódové žiarenie. Vzniká v sklenej nádobe s vytvoreným dostatočným vákuom, a do ktorej vložíme elektródy pod napätím. Na stenách nádoby vznikne charakteristická žiara.
Neskorším štúdiom vlastností tohto žiarenia sa zistilo, že vychádza z katódy a že dokáže preniknúť cez veľmi tenkú zlatú aj hliníkovú fóliu, pričom cez hrubšie telesá neprejde. Tiež sa zistilo, že sa žiarenie vychyľuje v elektrickom aj magnetickom poli a jeho vlastnosti nezávisia od materiálu elektród.
Myšlienku, že by mohlo ísť o dosiaľ neznámu nabitú časticu, potvrdil v roku 1897 anglický fyzik J. J. Thompson (1856 – 1940). Dvomi rôznymi spôsobmi – zo zakrivenia dráhy lúčov v magnetickom poli a z ohrievania sklenej nádoby – sa mu podarilo dokázať, že častice tohto žiarenia majú záporný náboj a hmotnosť takmer 2 000-krát menšiu ako atóm vodíka. Objavil tak prvú subatomárnu časticu, ktorá neskôr dostala meno elektrón.
Rádioaktivita
O rok skôr, ako Thomson potvrdil existenciu objektov menších ako atóm, objavil francúzsky fyzik Henri Becquerel (1852 – 1908) prvý subatomárny proces. Jeho objav bol trochu náhodný. Ale tak, ako pri všetkých náhodách vo vede, šťastie praje pripraveným a Becquerelova genialita sa prejavila, keď si uvedomil dôležitosť toho, čo pozoroval. Aj iní ľudia súčasne, a dokonca aj pred Becquerelom, pozorovali podobné vlastnosti uránu, neuvedomili si však ich význam a ďalej ich neštudovali.
H. Becquerel začiatkom roku 1896 skúmal vlastnosti žiarenia, ktoré rok predtým objavil nemecký fyzik Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923). Nemec používal fosforescenciu látok, najmä uránových solí. Keď mu neprialo počasie a niekoľko dní bolo zamračené, odložil fotografické dosky spolu s kúskami uránu do zásuvky. Tieto dosky neskôr vyvolal a aj tak sa na nich objavilo výrazné osvietenie. Neskôr zistil, že rovnako sa správajú soli uránu, ktoré vlastnosť fosforescencie nemajú a že nevyhnutne ide o žiarenie, ktoré vychádza priamo z atómov.
Poľská fyzička a chemička Maria Curie-Skłodowska (1867 – 1934) a jej manžel, francúzsky fyzik Pierre Curie (1859 – 1906), neskôr objavili rádioaktivitu tória a aj dva úplne nové rádioaktívne prvky: polónium a rádium.
Postupne sa zistilo, že v procese rádioaktivity vylietavajú z atómov tri rôzne druhy častíc, ktoré dostali meno alfa, beta a gama. V roku 1900 H. Becquerel zistil, že častice beta sú rovnaké ako častice katódového žiarenia, v roku 1909 novozélandský fyzik Ernest Rutherford (1871 – 1937) dokázal, že častice alfa sú jadrá hélia. Častice gama na svoju identifikáciu ako vysokoenergetické fotóny čakali do roku 1914.
Prelomový objav urobili v roku 1903 E. Rutherford, ktorý väčšinu života pracoval v Británii, a britský chemik Frederick Soddy (1877 – 1956). Dokázali, že pri rádioaktivite dochádza k zmene chemických prvkov na iné, pričom pozorované žiarenie je výsledkom tejto premeny.
Na začiatku 20. storočia teda bolo jasné, že hypotézu o nedeliteľnosti a stálosti atómov treba opustiť a že v atómoch sa toho môže veľa diať. Nasledovalo rušné obdobie skúmania týchto dejov.
Prelomový moment
Najúspešnejším bol opäť E. Rutherford. V roku 1909 začal spolu so svojimi spolupracovníkmi, už ako čerstvý laureát Nobelovej ceny za chémiu, študovať vlastnosti atómov bombardovaním veľmi tenučkej fólie zlata časticami alfa. Ak sa totiž chcel pozrieť dovnútra atómu, potreboval niečo dostatočne malé a rýchle namieriť na atóm a sledovať, čo sa stane. Na podobnom princípe fungujú časticové experimenty doteraz.
Autor: Mgr. Juraj Tekel, PhD., Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave
Ilustračné foto: Pixabay.com
Uverejnila: VČ
Viac o tom ako sa skúmali a skúmajú atómy, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 02/2019), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.