Kebanyakan orang, ketika membayangkan sebuah atom, membayangkan sebuah inti kecil, yang terdiri dari proton dan neutron, di mana satu atau lebih elektron bergerak. Pandangan ini didasarkan pada interpretasi mekanika kuantum berbasis partikel. Tetapi tidak cukup untuk menggambarkan atom dalam kondisi standar.
Jika Anda ingin mengungkap rahasia alam semesta, Anda hanya perlu menginterogasinya hingga memberikan jawaban dalam bentuk yang dapat Anda pahami. Ketika dua kuanta energi berinteraksi - apakah itu partikel atau antipartikel, masif atau tidak bermassa, fermion atau boson - hasilnya, pada prinsipnya, dapat memberi tahu Anda tentang aturan dan hukum yang ditaati oleh sistem ini. Jika kita mengetahui tentang semua kemungkinan varian hasil dari setiap interaksi, termasuk probabilitas relatifnya, hanya dengan demikian kita dapat mengatakan bahwa kita memahami apa yang sedang terjadi.
Anehnya, segala sesuatu yang kita ketahui tentang alam semesta dapat dikaitkan dengan satu atau lain cara pada entitas paling sederhana yang kita ketahui: atom. Atom adalah unit materi terkecil yang masih mempertahankan karakteristik unik dunia makroskopis, seperti sifat fisik dan kimia. Dan pada saat yang sama ia pada dasarnya adalah entitas kuantum, dengan tingkat energi, sifat, dan hukum kekekalannya. Selain itu, atom biasa-biasa saja ini dikaitkan dengan keempat interaksi fundamental yang diketahui. Dalam satu atom, Anda benar-benar dapat melihat semua fisika. Dan inilah yang bisa dia ceritakan tentang alam semesta.
Dari skala makroskopis hingga subatom, ukuran partikel fundamental memainkan peran kecil dalam menentukan ukuran struktur komposit. Belum diketahui apakah bahan penyusun ini benar-benar partikel fundamental dan mirip titik, tetapi kami memahami bagaimana alam semesta bekerja dari skala kosmik besar ke skala subatomik kecil. Tubuh manusia mengandung sekitar 10 28 atom.
Di Bumi, ada sekitar 90 elemen yang muncul secara alami - sebagai hasil dari proses kosmik yang menciptakannya. Pada dasarnya, unsur adalah atom yang nukleusnya terdiri dari proton, (dan mungkin) neutron. Ada beberapa elektron di sekitar inti atom yang jumlahnya sama dengan jumlah proton. Setiap elemen memiliki set propertinya sendiri, termasuk:
- kekerasan,
- Warna,
- titik leleh dan titik didih,
- kepadatan (jumlah massa per volume),
- konduktivitas (betapa mudahnya elektron bergerak ketika tegangan listrik diterapkan)
- elektronegativitas (seberapa erat inti atom berpegang pada elektron ketika terikat pada atom lain),
- energi ionisasi (berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk melumpuhkan elektron),
serta banyak lainnya. Menariknya, jenis atom (dan, karenanya, semua propertinya) ditentukan hanya oleh satu kuantitas: jumlah proton dalam nukleus.
Variasi atom dan aturan kuantum yang mengatur elektron yang bergerak di orbit di sekitar inti - partikel identik - memungkinkan tanpa berlebihan untuk mengatakan bahwa segala sesuatu di bawah Matahari terdiri dari atom - dalam satu bentuk atau lainnya.
. , , . , – , , . , , .
Setiap atom dengan sekumpulan proton yang unik di dalam nukleus membentuk ikatan unik dengan atom lain, sehingga terdapat jenis molekul, ion, garam, dan struktur yang lebih besar yang hampir tak terbatas. Partikel subatom bekerja satu sama lain terutama dengan bantuan gaya elektromagnetik. Akibatnya, seiring waktu, struktur makroskopik terbentuk, yang kita amati tidak hanya di Bumi, tetapi di seluruh Alam Semesta.
Sifat umum semua atom adalah massanya. Dan semakin banyak proton dan neutron di dalam inti atom, semakin besar massa atomnya. Dan meskipun ini adalah entitas kuantum, dan diameter satu atom tidak melebihi satu angstrom, rentang aksi gravitasi tidak dibatasi oleh apapun. Benda apa pun dengan energi - termasuk energi rihat yang memberikan massa partikel - akan melengkungkan struktur ruangwaktu menurut teori relativitas umum Einstein. Sekecil apapun massanya, sekecil apapun jaraknya, kelengkungan ruang-waktu yang disebabkan oleh sejumlah atom - baik itu 10 57 atom dalam sebuah bintang, 10 28 atom dalam tubuh manusia, atau satu atom helium - akan terjadi persis sesuai dengan relativitas umum.
Munculnya massa dalam kisi tiga dimensi yang kosong menyebabkan garisnya melengkung dengan cara tertentu. Mereka tampaknya ditarik ke arah massa. Kelengkungan ruang akibat efek gravitasi bumi adalah salah satu cara untuk memvisualisasikan gravitasi, dan perbedaan mendasar antara relativitas umum dan khusus.
Ada juga partikel bermuatan listrik dalam atom. Proton memiliki muatan listrik positif; neutron netral; muatan elektron sama besarnya dan berlawanan dengan muatan proton. Semua proton dengan neutron terikat dalam inti atom dengan diameter hanya 10 -15m (femtometer), dan elektron berada di awan 100.000 kali lebih besar. Setiap elektron berada pada tingkat energinya yang unik, dan dapat berpindah dari satu tingkat ke tingkat lainnya hanya dengan perubahan energi yang berbeda.
Ini luar biasa karena dua alasan. Pertama, ketika satu atom mendekati atom lainnya (atau sekelompok atom), mereka dapat berinteraksi. Pada tingkat kuantum, fungsi gelombangnya dapat tumpang tindih, dan atom mengikat bersama untuk membentuk molekul, ion, dan garam. Struktur yang terhubung ini memiliki bentuk dan konfigurasi awan elektron yang unik. Karenanya, mereka memiliki tingkat energi uniknya sendiri, menyerap dan memancarkan foton hanya pada panjang gelombang tertentu.
Transisi elektronika atom dalam atom hidrogen dan panjang gelombang foton yang dihasilkan menunjukkan energi ikatan dan hubungan antara elektron dan proton dalam fisika kuantum.
Transisi elektronik dalam atom atau sekelompok atom ini unik: mereka berbeda untuk setiap atom atau konfigurasi dari sekelompok atom. Dengan mendeteksi garis spektral atom atau molekul - tidak masalah apakah itu absorpsi atau emisi - Anda dapat segera mengetahui jenis atom atau molekulnya. Transisi elektronik internal konsisten dengan serangkaian tingkat energi yang unik, dan transisi elektron dengan jelas menunjukkan jenis dan konfigurasi atom / atom.
Di seluruh alam semesta, atom dan molekul mematuhi aturan yang sama: hukum elektrodinamika klasik dan kuantum, yang mengatur semua partikel bermuatan. Bahkan di dalam inti atom itu sendiri, yang terdiri dari quark dan gluon bermuatan tanpa muatan listrik, koneksi elektromagnetik memainkan peran penting. Struktur internal ini menjelaskan mengapa momen magnet proton hampir tiga kali lebih kuat dari momen magnet elektron (dan memiliki tanda yang berlawanan), sedangkan neutron memiliki momen magnet yang hampir dua kali lipat momen magnet elektron dan memiliki tanda yang sama. tanda.
Tingkat energi hidrogen (1S) terendah di kiri atas memiliki awan elektron probabilistik yang sangat padat. Pada tingkat energi yang lebih tinggi, awannya serupa, tetapi memiliki struktur yang lebih kompleks. Untuk keadaan tereksitasi pertama, ada dua konfigurasi independen: 2S dan 2P, yang, karena efek yang hampir tak terlihat, menghasilkan tingkat energi yang berbeda.
Meskipun interaksi listrik bekerja pada jarak yang cukup jauh - pada kenyataannya, seperti gravitasi, ia juga tidak memiliki batasan - netralitas listrik atom secara keseluruhan memainkan peran yang sangat penting dalam memahami perilaku seluruh alam semesta. Interaksi elektromagnetik sangat kuat - dua proton dipukul mundur dengan gaya 10 36 kali lebih besar daripada gaya tarik gravitasinya!
Tetapi karena objek makroskopik kita terbiasa terdiri dari begitu banyak atom, dan karena atom itu sendiri netral secara elektrik, kita memperhatikan sesuatu hanya jika:
- benda tersebut memiliki muatan listrik, seperti elektroskop bermuatan,
- ketika muatan mengalir dari satu tempat ke tempat lain, seperti dalam sambaran petir,
- saat pengisian daya terpisah, menciptakan potensi listrik, seperti di baterai.
Salah satu contoh paling sederhana dan menarik dari proses ini dapat dilihat dengan menggosokkan balon ke kaus Anda sendiri, dan kemudian mencoba menyandarkannya ke rambut atau dinding. Bola akan menempel karena transisi atau redistribusi sejumlah kecil elektron memberikan muatan pada benda yang dapat mengatasi gaya gravitasi. Ini adalah gaya van der Waals , mereka bekerja di antara molekul, dan bahkan benda pada umumnya netral dapat memiliki interaksi elektromagnetik yang dapat menahan gravitasi pada jarak pendek.
Dengan menggosok dua bahan yang berbeda, seperti kain dan plastik, Anda dapat mentransfer muatan dari satu ke yang lain, menyebabkan kedua benda tersebut terisi daya.
Pada tingkat klasik dan kuantum, sejumlah besar informasi yang terkait dengan interaksi elektromagnetik dikodekan dalam atom, sedangkan relativitas umum "klasik" (bukan kuantum) cukup untuk menjelaskan interaksi atom dan subatom yang pernah kita temui. Jika Anda masuk lebih dalam ke atom, di dalam proton dan neutron, Anda dapat mengungkapkan sifat dan sifat interaksi fundamental yang tersisa: lemah dan kuat.
Saat Anda turun ke skala femtometer, Anda pertama kali mulai memperhatikan efek interaksi yang kuat. Untuk pertama kalinya, ia memanifestasikan dirinya di antara nukleon yang berbeda - proton dan neutron, yang terdiri dari inti mana pun. Interaksi listrik antara dua nukleon menolaknya (muatan protonnya sama), atau tidak muncul (neutron tidak memiliki muatan). Tetapi pada jarak kecil, ada interaksi yang bahkan lebih kuat daripada elektromagnetik: interaksi kuat yang bekerja antara quark melalui pertukaran gluon. Proton dan neutron yang berbeda dapat bertukar pasangan quark-antiquark - meson - ini mengikat mereka dalam nukleus, dan dengan konfigurasi yang sesuai mengatasi gaya tolakan elektromagnetik.
«», – . , , .
Di kedalaman inti atom, interaksi kuat memanifestasikan dirinya dalam cara yang berbeda: quark individu terus-menerus bertukar gluon. Selain muatan gravitasi (massa) dan muatan elektromagnetik yang melekat pada materi, ada juga karakteristik muatan quark dan gluon: berwarna. Mereka tidak hanya selalu menarik, seperti gravitasi, atau mereka memiliki dua muatan yang dapat ditolak atau ditarik seperti listrik. Mereka memiliki tiga warna independen - merah, hijau, dan biru - dan tiga anti-warna. Mereka hanya ditemukan dalam kombinasi "tanpa warna", di mana ketiga warna (atau anti-warna) digabungkan, atau kombinasi warna-anti-warna digabungkan.
Menjaga proton dan neutron tetap utuh adalah pertukaran gluon - terutama ketika quark menjauh dan gaya kuat meningkat. Semakin banyak energi yang dapat Anda transfer melalui tumbukan dengan partikel subatom, semakin banyak quark, antiquark, dan gluon yang dapat Anda lihat. Sepertinya bagian dalam proton dipenuhi dengan lautan partikel, dan semakin keras Anda memukulnya, semakin lengket jadinya. Melihat lebih dalam tentang jumlah energi maksimum yang tersedia bagi kita, kita masih tidak melihat adanya batasan kepadatan partikel subatomik ini di dalam inti atom.
Proton bukan hanya tiga quark dengan gluon. Ini adalah lautan partikel padat dan antipartikel. Semakin banyak kita mempelajari proton, semakin banyak energi yang kita habiskan untuk tumbukan inelastis, semakin banyak struktur internal yang kita temukan di dalamnya.
Tetapi tidak setiap atom dapat hidup selamanya dalam konfigurasi yang stabil. Banyak atom mengalami peluruhan radioaktif - cepat atau lambat mereka memancarkan satu atau lebih partikel, yang secara fundamental mengubah sifat-sifatnya. Jenis peluruhan yang paling umum adalah peluruhan alfa , di mana atom yang tidak stabil mengeluarkan inti helium dengan dua proton dan dua neutron. Jenis paling umum kedua adalah peluruhan beta , di mana atom mengeluarkan elektron dan neutrino anti-elektron, dan salah satu neutron dalam inti berubah menjadi proton.
Ini membutuhkan gaya baru lain: gaya nuklir lemah. Itu tergantung pada jenis muatannya - lemah, yang merupakan kombinasi dari hypercharge lemah dan isospin lemah . Muatan lemah terbukti sangat sulit diukur, karena interaksi lemah jutaan kali lebih lemah daripada kuat atau elektromagnetik - sampai Anda turun ke skala yang sangat kecil, seperti 0,1% dari diameter proton. Interaksi yang lemah dapat diamati pada atom yang sesuai, siap untuk peluruhan beta. Ternyata keempat interaksi fundamental dapat diselidiki hanya dengan mempelajari atom.
Representasi skematis peluruhan beta dari inti atom masif. Neutron berubah menjadi proton, elektron, dan neutrino anti-elektron. Sebelum penemuan neutrino, tampaknya energi dan momentum tidak dilestarikan dalam peluruhan beta.
Sesuatu yang luar biasa mengikuti dari ini: jika Anda mengambil partikel apa pun dari Semesta, bahkan belum terbuka, tetapi tunduk pada salah satu interaksi ini, ia juga akan berinteraksi dengan atom. Melalui interaksi dengan partikel di dalam atom biasa-biasa saja, kami telah menemukan sejumlah besar partikel - termasuk semua jenis neutrino dan antineutrino. Sebuah atom terbuat dari apa kita dan jendela ke dalam sifat materi yang sebenarnya.
Semakin dalam kita melihat blok bangunan materi, semakin baik kita memahami sifat alam semesta itu sendiri. Hanya dengan menginterogasi Semesta tentang masalah apa yang dipatuhi oleh semua partikel dan antipartikel, dan bagaimana mereka mengikat satu sama lain, kita dapat memahami strukturnya. Dan sementara sains dan teknologi, tunduk pada kita, memungkinkan kita untuk menggali lebih dalam dan lebih dalam, akan memalukan untuk menolak penelitian hanya karena mereka tidak dapat menjamin kita beberapa penemuan revolusioner baru. Satu-satunya hal yang diketahui pasti: jika kita tidak menggali lebih dalam, kita tidak akan pernah menemukan apa pun.