Sejak awal zaman, manusia telah berusaha untuk memahami apa yang terdiri dari alam semesta dan semua yang ada di dalamnya. Dan sementara para penyihir dan ahli falsafah kuno disusun dari dunia yang terdiri daripada empat atau lima unsur - bumi, udara, air, api (dan logam, atau kesadaran) - oleh zaman kuno, para ahli falsafah mula berteori bahawa semua perkara sebenarnya terdiri dari kecil, atom yang tidak kelihatan, dan tidak dapat dipisahkan.
Sejak masa itu, para saintis telah terlibat dalam proses penemuan berterusan dengan atom, dengan harapan dapat mengetahui sifat dan susunannya yang sebenarnya. Menjelang abad ke-20, pemahaman kita menjadi halus sehingga kita dapat membina model yang tepat daripadanya. Dan dalam dekad yang lalu, pemahaman kita telah berkembang lebih jauh, sehingga kita telah mengesahkan kewujudan hampir semua bahagian berteori.
Hari ini, penyelidikan atom difokuskan untuk mengkaji struktur dan fungsi jirim pada tahap subatom. Ini bukan hanya terdiri daripada mengenal pasti semua zarah subatom yang dianggap membentuk atom, tetapi menyelidiki kekuatan yang mengaturnya. Ini termasuk kekuatan nuklear yang kuat, kekuatan nuklear yang lemah, elektromagnetisme dan graviti. Berikut adalah penjelasan semua yang telah kita pelajari mengenai atom setakat ini ...
Struktur Atom:
Model atom kita sekarang boleh dipecah menjadi tiga bahagian penyusun - proton, neutron, dan elektron. Setiap bahagian ini mempunyai muatan yang berkaitan, dengan proton membawa muatan positif, elektron mempunyai muatan negatif, dan neutron tidak memiliki muatan bersih. Sesuai dengan Model Piawai fizik partikel, proton dan neutron membentuk inti atom, sementara elektron mengorbitnya dalam "awan".
Elektron dalam atom tertarik ke proton dalam nukleus oleh daya elektromagnetik. Elektron dapat melepaskan diri dari orbitnya, tetapi hanya sebagai tindak balas terhadap sumber tenaga luaran yang digunakan. Semakin dekat orbit elektron ke nukleus, semakin besar daya tarikannya; oleh itu, semakin kuat daya luaran yang diperlukan untuk menyebabkan elektron melepaskan diri.
Elektron mengorbit nukleus dalam beberapa orbit, yang masing-masing sesuai dengan tahap tenaga elektron tertentu. Elektron dapat mengubah keadaannya ke tahap tenaga yang lebih tinggi dengan menyerap foton dengan tenaga yang mencukupi untuk menaikkannya ke keadaan kuantum baru. Begitu juga, elektron dalam keadaan tenaga yang lebih tinggi boleh jatuh ke keadaan tenaga yang lebih rendah sambil memancarkan lebihan tenaga sebagai foton.
Atom adalah elektrik elektrik jika mempunyai bilangan proton dan elektron yang sama. Atom yang mempunyai defisit atau lebihan elektron disebut ion. Elektron yang paling jauh dari nukleus boleh dipindahkan ke atom lain yang berdekatan atau dikongsi antara atom. Dengan mekanisme ini, atom dapat mengikat molekul dan sebatian kimia lain.
Ketiga-tiga zarah subatom ini adalah Fermions, kelas zarah yang berkaitan dengan bahan yang sama ada unsur dasar (elektron) atau komposit (proton dan neutron). Ini bermaksud bahawa elektron tidak mempunyai struktur dalaman yang diketahui, sedangkan proton dan neutron terdiri daripada zarah subatomik yang lain. dipanggil quark. Terdapat dua jenis quark dalam atom, yang mempunyai muatan elektrik pecahan.
Proton terdiri dari dua quark "atas" (masing-masing dengan muatan +2/3) dan satu quark "down" (-1/3), sementara neutron terdiri dari satu quark atas dan dua quark bawah. Perbezaan ini menjelaskan perbezaan cas antara kedua zarah, yang masing-masing berfungsi dengan cas +1 dan 0, sementara elektron mempunyai muatan -1.
Zarah-zarah subatom lain termasuk Lepton, yang bergabung dengan Fermions untuk membentuk blok bahan. Terdapat enam lepton dalam model atom sekarang: zarah elektron, muon, dan tau, dan neutrino yang berkaitan. Pelbagai jenis partikel Lepton, yang biasanya disebut "perisa", dibezakan oleh ukuran dan casnya, yang mempengaruhi tahap interaksi elektromagnetik mereka.
Kemudian, ada Gauge Boson, yang dikenal sebagai "pembawa kekuatan" kerana mereka menjadi kekuatan fizikal. Sebagai contoh, gluon bertanggung jawab atas kekuatan nuklear yang kuat yang menyatukan quark sementara boson W dan Z (masih hipotesis) dipercayai bertanggungjawab terhadap kekuatan nuklear yang lemah di sebalik elektromagnetisme. Foton adalah zarah asas yang membentuk cahaya, sementara Higgs Boson bertanggungjawab untuk memberikan jisim bos dan zon W dan Z.
Jisim atom:
Sebilangan besar jisim atom berasal dari proton dan neutron yang membentuk intinya. Elektron adalah zarah penyusun atom yang paling besar, dengan jisim 9.11 x 10-31 kg dan ukuran terlalu kecil untuk diukur dengan teknik semasa. Proton mempunyai jisim 1.836 kali daripada elektron, pada 1.6726 × 10-27 kg, sementara neutron adalah yang paling besar dari ketiga, pada 1.6929 × 10-27 kg (1.839 kali jisim elektron).
Jumlah proton dan neutron dalam nukleus atom (disebut "nukleon") disebut nombor jisim. Sebagai contoh, unsur Karbon-12 dinamakan begitu kerana ia mempunyai bilangan jisim 12 - berasal dari 12 nukleonnya (enam proton dan enam neutron). Walau bagaimanapun, unsur-unsur juga disusun berdasarkan nombor atomnya, yang sama dengan bilangan proton yang terdapat di dalam nukleus. Dalam kes ini, Carbon mempunyai bilangan atom 6.
Jisim atom yang sebenarnya dalam keadaan rehat sangat sukar untuk diukur, bahkan atom yang paling banyak terlalu ringan untuk dinyatakan dalam unit konvensional. Oleh itu, saintis sering menggunakan unit jisim atom bersatu (u) - juga disebut dalton (Da) - yang ditakrifkan sebagai dua belas dari jisim atom neutral bebas karbon-12, yang kira-kira 1,66 × 10-27 kg.
Ahli kimia juga menggunakan tahi lalat, satu unit yang ditakrifkan sebagai satu mol unsur mana-mana yang selalu mempunyai bilangan atom yang sama (sekitar 6.022 × 1023). Nombor ini dipilih supaya jika unsur mempunyai jisim atom 1 u, mol atom unsur itu mempunyai jisim hampir satu gram. Kerana definisi unit jisim atom yang disatukan, setiap atom karbon-12 mempunyai jisim atom tepat 12 u, dan oleh itu satu mol atom karbon-12 beratnya tepat 0,012 kg.
Pereputan radioaktif:
Mana-mana dua atom yang mempunyai bilangan proton yang sama tergolong dalam unsur kimia yang sama. Tetapi atom dengan bilangan proton yang sama dapat memiliki bilangan neutron yang berbeza, yang ditakrifkan sebagai isotop yang berlainan dari unsur yang sama. Isotop ini sering tidak stabil, dan semua yang mempunyai nombor atom lebih besar daripada 82 diketahui radioaktif.
Apabila unsur mengalami kerosakan, nukleusnya kehilangan tenaga dengan memancarkan radiasi - yang boleh terdiri daripada zarah alfa (atom helium), zarah beta (positron), sinar gamma (tenaga elektromagnetik frekuensi tinggi) dan elektron penukaran. Kadar di mana unsur yang tidak stabil merosot dikenal sebagai "waktu paruh", yang merupakan jumlah masa yang diperlukan agar elemen itu jatuh ke separuh dari nilai awalnya.
Kestabilan isotop dipengaruhi oleh nisbah proton ke neutron. Dari 339 jenis elemen yang berlaku secara semula jadi di Bumi, 254 (sekitar 75%) telah dilabel sebagai "isotop stabil" - iaitu tidak mengalami kerosakan. 34 elemen radioaktif tambahan mempunyai jangka hayat lebih lama daripada 80 juta tahun, dan juga sudah ada sejak Sistem Suria awal (oleh itu mengapa ia disebut "unsur primordial").
Akhirnya, tambahan 51 elemen jangka pendek diketahui berlaku secara semula jadi, sebagai "unsur anak perempuan" (iaitu produk sampingan nuklear) kerosakan unsur-unsur lain (seperti radium dari uranium). Sebagai tambahan, unsur radioaktif jangka pendek boleh menjadi hasil proses energik semula jadi di Bumi, seperti pengeboman sinar kosmik (misalnya, karbon-14, yang berlaku di atmosfera kita).
Sejarah Pengajian:
Contoh teori atom yang paling awal diketahui berasal dari Yunani kuno dan India, di mana ahli falsafah seperti Democritus berpendapat bahawa semua bahan terdiri daripada unit kecil, tidak dapat dipisahkan dan tidak dapat dihancurkan. Istilah "atom" diciptakan di Yunani kuno dan menimbulkan aliran pemikiran yang dikenal sebagai "atomisme". Walau bagaimanapun, teori ini lebih merupakan konsep falsafah daripada konsep saintifik.
Tidak sampai abad ke-19 teori atom menjadi diartikulasikan sebagai bahan ilmiah, dengan eksperimen berdasarkan bukti pertama dilakukan. Sebagai contoh, pada awal tahun 1800-an, saintis Inggeris John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur kimia bertindak balas dengan cara yang dapat diperhatikan dan dapat diramalkan.
Dalton bermula dengan persoalan mengapa unsur-unsur bereaksi dalam nisbah bilangan bulat yang kecil, dan menyimpulkan bahawa tindak balas ini berlaku dalam gandaan bilangan bulat unit diskrit — dengan kata lain, atom. Melalui satu siri eksperimen yang melibatkan gas, Dalton terus mengembangkan apa yang dikenali sebagai Teori Atom Dalton, yang tetap menjadi salah satu landasan fizik dan kimia moden.
Teori ini merangkumi lima premis: unsur-unsur, dalam keadaan paling murni, terdiri daripada zarah-zarah yang disebut atom; atom unsur tertentu sama, hingga atom terakhir; atom unsur yang berlainan dapat dibezakan oleh berat atomnya; atom unsur bersatu membentuk sebatian kimia; atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dalam tindak balas kimia, hanya kumpulan yang pernah berubah.
Menjelang akhir abad ke-19, para saintis mula berteori bahawa atom itu terdiri daripada lebih dari satu unit asas. Walau bagaimanapun, kebanyakan saintis yakin bahawa unit ini adalah ukuran atom hidrogen terkecil yang diketahui. Dan kemudian pada tahun 1897, melalui satu siri eksperimen menggunakan sinar katod, ahli fizik J.J. Thompson mengumumkan bahawa dia telah menemui satu unit yang 1000 kali lebih kecil dan 1800 kali lebih ringan daripada atom hidrogen.
Eksperimennya juga menunjukkan bahawa mereka sama dengan zarah yang dikeluarkan oleh kesan fotolistrik dan bahan radioaktif. Eksperimen seterusnya menunjukkan bahawa zarah ini membawa arus elektrik melalui wayar logam dan cas elektrik negatif dalam atom. Oleh itu mengapa zarah - yang pada awalnya dinamakan "corpuscle" - kemudian diubah menjadi "elektron", setelah zarah George Johnstone Stoney diramalkan pada tahun 1874.
Namun, Thomson juga berpendapat bahawa elektron disebarkan ke seluruh atom, yang merupakan lautan muatan positif yang seragam. Ini dikenal sebagai "model puding plum", yang kemudian terbukti salah. Ini berlaku pada tahun 1909, ketika ahli fizik Hans Gieger dan Ernest Marsden (di bawah arahan Ernest Rutherfod) melakukan eksperimen mereka dengan menggunakan kerajang logam dan partikel alfa.
Selaras dengan model atom Dalton, mereka percaya bahawa zarah alfa akan melewati foil dengan sedikit pesongan. Walau bagaimanapun, banyak zarah terpesong pada sudut lebih besar daripada 90 °. Untuk menjelaskan perkara ini, Rutherford mencadangkan agar muatan positif atom tertumpu dalam inti kecil di pusat.
Pada tahun 1913, ahli fizik Niels Bohr mengusulkan model di mana elektron mengorbit inti, tetapi hanya dapat melakukannya dalam satu set orbit yang terbatas. Dia juga mencadangkan agar elektron dapat melompat di antara orbit, tetapi hanya dalam perubahan tenaga diskrit yang sesuai dengan penyerapan atau radiasi foton. Ini bukan sahaja menyempurnakan model yang diusulkan oleh Rutherford, tetapi juga memunculkan konsep atom yang dikuantisasi, di mana materi berperilaku dalam paket yang tidak berhati-hati.
Perkembangan spektrometer massa - yang menggunakan magnet untuk membengkokkan lintasan pancaran ion - membolehkan jisim atom diukur dengan peningkatan ketepatan. Ahli kimia Francis William Aston menggunakan instrumen ini untuk menunjukkan bahawa isotop mempunyai jisim yang berbeza. Ini seterusnya diikuti oleh ahli fizik James Chadwick, yang pada tahun 1932 mengusulkan neutron sebagai cara menjelaskan keberadaan isotop.
Sepanjang awal abad ke-20, sifat kuantum atom dikembangkan lebih jauh. Pada tahun 1922, ahli fizik Jerman Otto Stern dan Walther Gerlach melakukan eksperimen di mana seberkas atom perak diarahkan melalui medan magnet, yang bertujuan untuk memisahkan sinar antara arah momentum sudut atom (atau putaran).
Dikenal sebagai Eksperimen Stern – Gerlach, hasilnya adalah bahawa balok terbelah dalam dua bahagian, bergantung pada sama ada putaran atom berorientasi ke atas atau ke bawah. Pada tahun 1926, ahli fizik Erwin Schrodinger menggunakan idea zarah-zarah yang berkelakuan seperti gelombang untuk mengembangkan model matematik yang menggambarkan elektron sebagai bentuk gelombang tiga dimensi dan bukannya partikel belaka.
Akibat penggunaan bentuk gelombang untuk menerangkan partikel adalah bahawa secara matematis mustahil untuk mendapatkan nilai yang tepat untuk kedudukan dan momentum zarah pada waktu tertentu. Pada tahun yang sama, Werner Heisenberg merumuskan masalah ini dan menyebutnya sebagai "prinsip ketidakpastian". Menurut Heisenberg, untuk pengukuran posisi yang tepat, seseorang hanya dapat memperoleh berbagai kemungkinan nilai untuk momentum, dan sebaliknya.
Pada tahun 1930-an, ahli fizik menemui pembelahan nuklear, berkat eksperimen Otto Hahn, Lise Meitner dan Otto Frisch. Eksperimen Hahn melibatkan mengarahkan neutron ke atom uranium dengan harapan dapat mewujudkan unsur transuranium. Sebaliknya, proses itu mengubah sampel uranium-92 (Ur92) menjadi dua elemen baru - barium (B56) dan krypton (Kr27).
Meitner dan Frisch mengesahkan eksperimen tersebut dan mengaitkannya dengan atom uranium yang terbelah membentuk dua elemen dengan jumlah berat atom yang sama, suatu proses yang juga membebaskan sejumlah besar tenaga dengan memutuskan ikatan atom. Pada tahun-tahun berikutnya, penyelidikan mengenai kemungkinan senjataisasi dari proses ini bermula (iaitu senjata nuklear) dan membawa kepada pembinaan bom atom pertama di AS menjelang tahun 1945.
Pada tahun 1950-an, pengembangan pemecut partikel yang lebih baik dan pengesan zarah membolehkan para saintis mengkaji kesan atom yang bergerak pada tenaga tinggi. Dari ini, Model Piawai fizik zarah dikembangkan, yang sejauh ini berjaya menjelaskan sifat nukleus, kewujudan zarah subatom berteori, dan kekuatan yang mengatur interaksi mereka.
Eksperimen Moden:
Sejak separuh akhir abad ke-20, banyak penemuan baru dan menarik berkaitan dengan teori atom dan mekanik kuantum. Sebagai contoh, pada tahun 2012, pencarian panjang untuk Higgs Boson membawa kejayaan di mana para penyelidik yang bekerja di Organisasi Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN) di Switzerland mengumumkan penemuannya.
Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, banyak masa dan tenaga telah didedikasikan oleh ahli fizik untuk pengembangan teori bidang bersatu (aka. Teori Penyatuan Grand atau Teori Segala-galanya). Pada dasarnya, sejak Model Piawai pertama kali diusulkan, para saintis berusaha untuk memahami bagaimana empat kekuatan asas alam semesta (graviti, kekuatan nuklear kuat dan lemah, dan elektromagnetisme) bekerjasama.
Walaupun graviti dapat difahami menggunakan teori relativiti Einstein, dan kekuatan nuklear dan elektromagnetisme dapat difahami menggunakan teori kuantum, teori tidak dapat menjelaskan keempat-empat kekuatan yang bekerja sama. Percubaan untuk menyelesaikannya telah menyebabkan sejumlah teori yang diusulkan selama bertahun-tahun, mulai dari String Theory hingga Loop Quantum Gravity. Sehingga kini, tidak satu pun teori ini membawa kejayaan.
Pemahaman kita tentang atom telah jauh, dari model klasik yang melihatnya sebagai pepejal lengai yang berinteraksi dengan atom lain secara mekanikal, hingga teori moden di mana atom terdiri daripada zarah-zarah bertenaga yang berkelakuan tidak dapat diramalkan. Walaupun telah memakan masa beberapa ribu tahun, pengetahuan kita mengenai struktur asas semua perkara telah berkembang dengan pesat.
Namun, masih ada banyak misteri yang masih belum dapat diselesaikan. Dengan masa dan usaha yang berterusan, kita akhirnya dapat membuka rahsia atom terakhir yang masih ada. Sekali lagi, mungkin penemuan baru yang kita buat hanya akan menimbulkan lebih banyak pertanyaan - dan mereka mungkin lebih membingungkan daripada yang sebelumnya!
Kami telah menulis banyak artikel mengenai atom untuk Space Magazine. Berikut adalah artikel mengenai model atom John Dalton, model atom Neils Bohr, Who Was Democritus?, Dan Berapa Banyak atom yang Ada di Alam Semesta?
Sekiranya anda mahukan lebih banyak maklumat mengenai atom, lihat Artikel NASA tentang Menganalisis Sampel Kecil, dan berikut adalah pautan ke Artikel NASA mengenai Atom, Elemen, dan Isotop.
Kami juga telah merakam keseluruhan episod Cast Astronomi mengenai Atom. Dengarkan di sini, Episode 164: Inside the Atom, Episode 263: Radioactive Decay, dan Episode 394: The Standard Model, Bosons.
