Tabuľky čokolády nám naznačujú, že je možné sa o ňu podeliť. No čo vtedy, keď zostane posledný kúsok? Ak máme nôž, tak nie je problém rozdeliť ho na dva menšie. A potom ešte menšie. Existuje posledný kúsok?
Starogrécky filozof Demokritos si predstavoval svet, v ktorom posledný nedeliteľný kúsok existuje, a pomenoval ho nekrájateľný, nedeliteľný, po grécky atomos. Tvrdil tiež, že atómy nie sú spolu natesno pozliepané, ale priestor medzi nimi vypĺňa prázdno.
Od tvaru k náboju jadra
Vlastnosti látok podľa Demokritovej filozofie určovali tvary atómov – napríklad atómy ohňa boli ostré. Začiatkom 19. storočia myšlienka atómov pomohla vedcom pochopiť pravidlá chemických procesov. V roku 1808 John Dalton na základe svojich pozorovaní sformuloval teóriu, podľa ktorej sú chemické látky zoskupeniami elementárnych prvkov vyskytujúcich sa v zlúčeninách v celočíselných pomeroch. Vediac o Demokritovi ich pomenoval atómy. Pri chemických reakciách prichádza k preskupovaniu týchto atómov, čím sa menia ich pomery a aj chemické zlúčeniny.
Počas 19. storočia sa postupne podarilo identifikovať rôzne atómy. Analýzou chemických reakcií sa určili ich relatívne hmotnosti. Chemici si ďalej všimli, že v usporiadanom zozname atómov podľa ich hmotnosti sa isté chemické vlastnosti prvkov opakujú. V roku 1869 Dmitrij I. Mendelejev publikoval periodickú tabuľku chemických prvkov. Periodicita chemických vlastností naznačuje, že svet atómov má nejaké pravidlá. Pochopiť ich pomohla až kvantová fyzika o 57 rokov neskôr.
V roku 1897 Joseph J. Thomson experimentálne potvrdil, že katódové žiarenie má hmotnosť a je zložené z korpuskúl, ktoré majú 1 800-krát menšiu hmotnosť ako najľahší známy atóm – vodík. Korpuskuly sú elektricky nabité a správne ich identifikoval s elektrónmi, časticami elektrického prúdu, ktoré predpovedal George J. Stoney v roku 1874. Keďže katódové žiarenie je emitované atómami katódy, elektróny sa musia v týchto atómoch nachádzať a z atómu sa dá niečo odkrojiť.
Otázku, akým spôsobom sú elektróny obsiahnuté v atómoch, neskôr experimentálne študoval Ernest Rutherford. Pomocou rádioaktívneho alfa žiarenia v roku 1909 objavil, že pozitívny náboj je sústredený v relatívne malej, centrálnej časti atómu. Odhalil, že atóm má pozitívne nabité jadro, okolo ktorého sa pohybujú ľahké elektróny. V roku 1911 právnik a amatérsky fyzik Antonius J. van den Broek navrhol preusporiadať prvky v periodickej tabuľke podľa veľkosti náboja jadra atómov (E. Rutherford ho nazval atómovým číslom), čím tabuľka získala svoju súčasnú podobu.
Predpovede a realita
Chemickú periodicitu a vlastnosti atómov vysvetľuje základná rovnica kvantového sveta – Schrödingerova rovnica. Podľa nej je atóm vodíka systémom kladne nabitého protónu a negatívne nabitého elektrónu so zanedbateľnou hmotnosťou. Príťažlivá elektrická sila vytvára podobný fyzikálny systém ako gravitačná sila medzi Slnkom a Zemou. Rovnice fyziky 19. storočia však predpovedajú pre takýto planetárny model atómu katastrofický scenár. Elektrón pohybujúci sa okolo jadra nutne stráca energiu formou elektromagnetického žiarenia. Tým stráca svoju rýchlosť a za neuveriteľných 10-11 sekundy spadne do jadra. Nič takéto sa však nedeje.
Niels Bohr vo svojom vysvetlení atómu vodíka jednoducho takéto žiarenie elektrónom zakázal. Spojil vyžarovanie s myšlienkou fotónu a identifikoval, že atómy vyžarujú iba fotóny určitých frekvencií, čo je spojené so skokovými zmenami ich energií. V Bohrovom modeli elektróny obiehajú okolo jadra iba po istých orbitáloch. Množinu vyžarovaných frekvencií nazývame spektrom a každý atóm má toto spektrum iné. Napríklad prítomnosť žltej frekvencie 510,29 THz v žiarení zo Slnka viedla v roku 1868 k objavu nového mimozemského prvku hélia. Podľa spektier v súčasnosti identifikujeme atómy a molekuly, a tak dokážeme usudzovať o chemickom zložení vzdialených hviezd a galaxií.
Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie Diana Cencer Garafová,
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
