2.400 έτη έρευνας για το άτομο - Tερέζα Ντόουντ

Δείτε το πλήρες μάθημα εδώ:http://ed.ted.com/lessons/the-2-400-year-search-for-the-atom-theresa-doud

Πώς γνωρίζουμε τη δομή της ύλης; Η αναζήτηση του ατόμου ήταν επίπονη και μακρόχρονη, ξεκινώντας 2.400 χρόνια πριν, από έναν Έλληνα φιλόσοφο, συνεχίστηκε από έναν Κουάκερο και μερικούς νομπελίστες φυσικούς. H Tερέζα Ντόουντ αφηγείται με λεπτομέρεια την ιστορία της ατομικής θεωρίας.

Μάθημα από την Tερέζα Ντόουντ, κινούμενη απεικόνιση από το TED-Ed.

Ένας αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος

και ένας Κουάκερος του 19ου αιώνα,

τι κοινό μπορούν να έχουν
με επιστήμονες κατόχους Νόμπελ;

Αν και τους χωρίζουν
πάνω από 2.400 έτη ιστορίας,

όλοι τους συνεισέφεραν απαντώντας
στην καθολικά αιώνια ερώτηση:

από τι αποτελείται η ύλη;

Περίπου το 440 π.Χ.,
ο Δημόκριτος ισχυρίστηκε πρώτος

ότι η δομή των πάντων στον κόσμο
είναι από μικροσκοπικά σωματίδια

που περιβάλλονται από κενό χώρο.

Ακόμη είκασε ότι ποικίλουν
σε μέγεθος και σχήμα

ανάλογα με την ουσία που συγκροτούν.

Ο Δημόκριτος ονόμασε τα σωματίδια αυτά
«άτομα» που σημαίνει ά-τμητα στα Ελληνικά.

Στις ιδέες του εναντιώθηκαν
οι δημοφιλέστεροι φιλόσοφοι της εποχής.

Ο Αριστοτέλης για παράδειγμα,
διαφωνούσε πλήρως,

ισχυρίζονταν ότι η ύλη
απαρτίζεται από τέσσερα συστατικά:

τη γη, τον αέρα, το νερό και τη φωτιά,

και συμφώνησαν οι περισσότεροι
των μεταγενεστέρων φιλοσόφων.

Τα άτομα θα παραμείνουν
ξεχασμένα μέχρι το 1808,

όταν ένας Κουάκερος δάσκαλος
με το όνομα Τζον Ντάλτον

επεδίωξε να αμφισβητήσει
τη θεωρία του Αριστοτέλη.

Ενώ ο «ατομισμός» του Δημόκριτου
ήταν καθαρά θεωρητικός,

ο Ντάλτον έδειξε ότι οι συνήθεις ουσίες
απαρτίζονται από τα ίδια συστατικά

σε συγκεκριμένες αναλογίες.

Κατέληξε στο συμπέρασμα
ότι οι διάφορες χημικές ενώσεις

αποτελούν συνδυασμό ατόμων
από διαφορετικά στοιχεία,

το καθένα με συγκεκριμένο μέγεθος και μάζα

που ήταν αδύνατον να δημιουργηθούν
εκ του μηδενός ή να καταστραφούν.

Aν και έλαβε αναγνώριση για το έργο του,

ως Κουάκερος, ο Ντάλτον έζησε σεμνά
και απλά μέχρι το τέλος της ζωής του.

Η επιστημονική κοινότητα αποδέχθηκε
έκτοτε την ατομική θεωρία,

αλλά η επόμενη μεγάλη επίτευξη

θα έρχονταν σχεδόν ένα αιώνα αργότερα,

το 1897, με τον φυσικό Τόμσον
και την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου.

Σε αυτό που ίσως αποκαλέσουμε
ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου,

ο Τόμσον περιέγραφε τα άτομα
ως ομοιόμορφες θετικά φορτισμένες σφαίρες

γεμάτες με αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.

Ο Τόμσον κέρδισε το βραβείο Νόμπελ
το 1906 για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου,

αλλά το ατομικό του μοντέλο
καταρρίφθηκε σύντομα

Και αυτό καθώς τύγχανε να έχει
μερικούς ευφυείς μαθητές,

συμπεριλαμβανομένου του Έρνεστ Ράδερφορντ,

ο οποίος θα γινόταν γνωστός
ως ο πατέρας της πυρηνικής εποχής.

Καθώς μελετούσε την επίδραση
των ακτίνων Χ στα αέρια,

Ράδερφορντ αποφάσισε να διερευνήσει
τα άτομα με μεγαλύτερη προσοχή

εκτοξεύοντας μικρά θετικά φορτισμένα
σωματίδια άλφα σε ένα φύλλο χρυσού.

Σύμφωνα με το μοντέλο του Τόμσον,

το λεπτά κατανεμημένο
θετικό φορτίο του ατόμου

δεν θα ήταν αρκετό για να απωθήσει
τα σωματίδια σε κανένα σημείο.

Το αποτέλεσμα θα θύμιζε
μερικές μπάλες του τένις

που διαπερνούν μια λεπτή χάρτινη οθόνη.

Αν και τα περισσότερα σωματίδια
διαπέρασαν την επιφάνεια,

κάποια αναπήδησαν προς τα πίσω,

υποδηλώνοντας ότι το φύλλο χρυσού
ήταν σαν ένα παχύ δίχτυ με αραιή πλέξη.

Ο Ράδερφορντ συμπέρανε ότι τα άτομα
αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από κενό χώρο

με μόνο λίγα ηλεκτρόνια,

ενώ το μεγαλύτερο μέρος της μάζας
συγκεντρώνεται στο κέντρο,

εκεί που εντοπίζεται ο πυρήνας.

Τα σωματίδια άλφα
πέρασαν μέσα από τα διάκενα

αλλά αναπήδησαν από τους συμπαγείς
και θετικά φορτισμένους πυρήνες.

Όμως η ατομική θεωρία
δεν είχε ολοκληρωθεί ακόμα.

Το 1913, άλλος ένας από τους μαθητές
του Τόμσον με το όνομα Νιλς Μπορ

διεύρυνε το ατομικό μοντέλο
του Ράδερφορντ.

Βασιζόμενος στις πρότερες εργασίες
των Μαξ Πλανκ και Άλμπερτ Αϊνστάιν

όρισε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται
γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές

συγκεκριμένης ενέργειας και
δεδομένης απόστασης από αυτόν,

ικανά να μεταπηδούν από τροχιά σε τροχιά,
αλλά όχι να υπάρχουν ανάμεσά τους.

Το πλανητικό μοντέλο του Μπορ
μπήκε στο επίκεντρο,

αλλά σύντομα αντιμετώπισε και αυτό
κάποιες επιπλοκές.

Πειράματα έδειξαν ότι αντί να υπάρχουν
απλά ως διακεκριμένα σωματίδια

τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται
ταυτόχρονα και ως κύματα,

χωρίς να περιορίζονται
σε συγκεκριμένο σημείο του χώρου.

Κατά τη διαμόρφωση της περίφημης
αρχής της αβεβαιότητας,

ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ απέδειξε ότι
είναι αδύνατον να προσδιορίσουμε

ταυτόχρονα την ακριβή θέση
και την ταχύτητα των ηλεκτρονίων

καθώς αυτά περιφέρονται
γύρω από το άτομο.

Η ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια
δεν μπορούν να εντοπιστούν,

αλλά υπάρχουν εντός
ενός εύρους πιθανών θέσεων,

ανέδειξε το τρέχον
κβαντομηχανικό ατομικό μοντέλο,

μια φανταστική θεωρία με ένα εντελώς
νέο σύνολο πολυπλοκοτήτων

των οποίων οι συνέπειες
δεν έχουν ακόμα γίνει αντιληπτές.

Αν και η αντίληψή μας
για τα άτομα μεταβάλλεται,

το βασικό δεδομένο του ατόμου παραμένει,

έτσι ας εορτάσουμε τον θρίαμβο
της ατομικής θεωρίας

με μερικά πυροτεχνήματα.

Καθώς τα ηλεκτρόνια γύρω από ένα άτομο
αλλάζουν ενεργειακή στάθμη,

απορροφούν ή εκλύουν φωτεινή ενέργεια
συγκεκριμένου μήκους κύματος,

με αποτέλεσμα τα θαυμάσια
χρώματα που βλέπουμε.

Μπορούμε να φανταστούμε
τον Δημόκριτο να μας παρατηρεί,

ικανοποιημένος από το γεγονός
ότι πάνω από δύο χιλιετίες μετά,

αποδείχθηκε ότι είχε τελικά δίκιο.