Kto odkrył teorię cząstek?

Teoria cząstek materii została nie tyle odkryta, ile została sformułowana, a jej sformułowanie rozpoczęło się w starożytnej Grecji.

Osobą, której przypisuje się pomysł, że świat składa się z maleńkich, niepodzielnych cząstek, jest filozof Demokryt, żyjący od 460 do 370 pne. Opracował eksperyment, aby udowodnić swój pomysł, i chociaż eksperyment Demokryta może wydawać się zbyt uproszczony dziś pomogła narodzić się koncepcja atomu, która ma kluczowe znaczenie dla współczesnego rozumienia materia.

W ciągu stuleci, które nastąpiły po eksperymencie, teoria cząstek Demokryta nie poczyniła większych postępów, ale… na przełomie XIX i XX wieku zajął się nim angielski chemik i fizyk John Dalton (1766 - 1844).

Praca Daltona pozostała praktycznie niezmieniona przez większą część wieku, dopóki nie zaangażowała się ekipa współczesnych fizyków, w skład której wchodzili tacy nazwiska jak Thompson, Rutherford, Bohr, Planck i Einstein. Wtedy zaczęły lecieć iskry, a świat wszedł w erę nuklearną.

Brzmi to tak, jakby słowo „demokracja” mogło pochodzić od jego imienia, ale Demokryt nie był filozofem politycznym. Słowo to faktycznie pochodzi od greckich słów demo, co oznacza „ludzie” i kratein, co oznacza „rządzić”.

Znany jako „roześmiany filozof” ze względu na wielką wagę, jaką przywiązywał do pogody, Demokryt ukuł jeszcze jedno ważne słowo: atom. Odniósł się do małych cząstek, które składają się na wszystko we wszechświecie, jako atomos, co oznacza nie do przecięcia lub niepodzielne.

Nie był to jego jedyny pionierski wkład w naukę. Demokryt był również pierwszym, który stwierdził, że światło, które widzimy z Drogi Mlecznej, jest połączonym światłem wielu pojedynczych gwiazd. Zaproponował również istnienie innych planet, a nawet postulował istnienie wielu wszechświatów, pomysł, który jest dziś w czołówce nauki.

Według Arystotelesa (384 - 322 p.n.e.) Demokryt wierzył, że dusza ludzka składa się z atomów ognia i ciała atomów ziemi. Było to sprzeczne z przekonaniem Arystotelesa, że ​​świat składa się z czterech elementów: powietrza, ognia, ziemi i wody, i że stosunek elementów określa właściwości materii.

Arystoteles wierzył nawet, że elementy można przekształcić w siebie nawzajem, pomysł, który napędzał poszukiwania Kamienia Filozoficznego przez całe średniowiecze.

Ani Arystoteles, ani równie wpływowy Platon (ok. 429-347 p.n.e.) nie podpisali się pod Teoria cząstek Demokryta, a zajęcie „roześmianego filozofa” zajęłoby 2000 lat poważnie. To mogło mieć coś wspólnego z eksperymentem, który wymyślił Demokryt, aby udowodnić swoją teorię, co było mniej niż przekonujące.

Demokryt rozumował, że jeśli weźmiesz kamień lub inny przedmiot i dalej dzielisz go na pół, w końcu dojdziesz do kawałka, który jest tak mały, że nie można go już podzielić. Mówi się, że przeprowadził to doświadczenie z muszlą, a kiedy zredukował muszlę do drobnego proszku, którego nie mógł już pociąć na mniejsze kawałki, uznał to za dowód swojego twierdzenia.

Demokryt był materialistą, w przeciwieństwie do Platona i Arystotelesa, którzy wierzyli, że cele wydarzeń są ważniejsze niż ich przyczyny. Był pionierem matematyki i geometrii, a w tamtym czasie był jednym z niewielu ludzi, którzy wierzyli, że Ziemia jest kulista. Nawet jeśli nie mógł tego przekonująco udowodnić, jego koncepcja atomów istniejących głównie w pustej przestrzeni, z których każdy ma trochę Hak na rzep, który pozwalał mu łączyć się z innymi atomami, nie jest tak daleki od współczesnego naukowego modelu atom.

Czy teoria Demokryta była poprawna? Odpowiedź brzmi „tak” z zastrzeżeniem, ale do 1800 r. nawet nie rozważano takiej możliwości. Wtedy to John Dalton powrócił do tego tematu, gdy pracował nad Prawem Stałego Składu, opracowanym przez francuskiego chemika Josepha Prousta. Prawo Prousta wynikało bezpośrednio z Prawa Zachowania Mszy, które odkrył inny francuski chemik, Antoine Lavoisier.

Prawo stałego składu stwierdza, że ​​próbka czystego związku, bez względu na sposób uzyskania, zawsze zawiera te same pierwiastki w tych samych proporcjach masowych. Dalton zdał sobie sprawę, że może to być prawdą tylko wtedy, gdy materia składa się z niepodzielnych cząstek, które nazwał atomami (z głową w stronę Demokryta). Wykonane przez Daltona cztery stwierdzenia o materii które razem składają się na jego teorię atomową:

• Cała materia składa się z niezniszczalnych i niepodzielnych cząstek zwanych atomami.
• Atomy danego pierwiastka są identyczne pod względem masy i właściwości.
• Atomy mogą się łączyć, tworząc związki.
• Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, jest to spowodowane przegrupowaniem atomów.

Teoria atomowa Daltona pozostawała praktycznie niezmieniona przez większość XIX wieku.

Przez cały dziewiętnasty wiek toczyła się debata na temat natury światła – czy rozchodzi się ono jako fala, czy jako cząsteczka. Wiele eksperymentów potwierdziło hipotezę falową, a wiele innych potwierdziło hipotezę korpuskularną. W 1887 roku niemiecki fizyk Heinrich Hertz odkrył efekt fotoelektryczny podczas eksperymentów z generatorem iskierników. To odkrycie okazało się znacznie ważniejsze, niż zdawał sobie sprawę Hertz.

Mniej więcej w tym czasie angielski fizyk J.J. Thompson odkrył pierwszą cząstkę subatomową, elektron, badając zachowanie promieni katodowych. Jego odkrycie pomogło wyjaśnić, co stanowiło wyładowanie elektryczne z płytki przewodzącej, gdy oświetli się ją światłem – czyli efekt fotoelektryczny – ale nie co powoduje wyładowanie ani dlaczego siła impulsu elektrycznego jest związana z częstotliwością światła. Rozwiązanie musiało poczekać do 1914 roku.

Nikt inny jak Albert Einstein wyjaśnił efekt fotoelektryczny w postaci małych pakietów energii zwanych kwant. Zostały one zaproponowane przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka w 1900 roku. Wyjaśnienie Einsteina potwierdziło teorię kwantową i otrzymał za to Nagrodę Nobla.

Quanta, jak je pojął Planck, były jednocześnie cząstkami i falami. Według Plancka światło składało się z kwantów zwanych fotonami, z których każdy miał określoną energię określoną przez jego częstotliwość. W 1913 r. duński fizyk Neils Bohr wykorzystał teorię Plancka do stworzenia planetarnego modelu atomu, zaproponowanego w 1911 r. przez nowozelandzkiego fizyka Ernesta Rutherforda.

W modelu atomu Bohra elektrony mogą zmieniać orbity, emitując lub absorbując foton, ale ponieważ fotony są dyskretnymi pakietami, elektrony mogą zmieniać orbity tylko w dyskretnych ilościach. Dwóch eksperymentatorów, James Franck i Gustav Hertz, opracowali eksperyment, który potwierdził Bohra hipoteza, bombardując atomy rtęci elektronami, i zrobili to nawet nie wiedząc o tym Praca Bohra.

Z dwoma modyfikacjami model Bohra przetrwał do dziś, chociaż większość współczesnych fizyków uważa go za przybliżenie. Pierwszą modyfikacją było odkrycie protonu przez Rutherforda w 1920 roku, a drugą odkrycie neutronu przez brytyjskiego fizyka Jamesa Chadwicka w 1932 roku.

Współczesny atom jest potwierdzeniem teorii cząstek Demokryta, ale jest też czymś w rodzaju odrzucenia. Atomy okazują się niepodzielne i dotyczy to również cząstek elementarnych, które je tworzą. Możesz podzielić elektrony, protony i neutrony na mniejsze cząstki zwane kwarkami, a nawet kwark może być nawet możliwy. Podróż przez króliczą norę jeszcze się nie skończyła.