Ας ξεκινήσουμε με μια τρίχα:

Ένα ερυθρό αιμοσφαίριο έχει δέκα φορές μικρότερη διάμετρο:

Ένα βακτήριο E. coli είναι δέκα φορές μικρότερο:

Ένας ιός της γρίπης είναι 10 φορές μικρότερος σε διάμετρο:

Το μαστίγιο ενός βακτηρίου είναι δέκα φορές μικρότερο:

Ένα μόριο της πρωτεΐνης αιμοσφαιρίνης είναι περίπου δέκα φορές μικρότερο:

Ένα μόριο νερού δέκα φορές μικρότερο:

Και ένα άτομο υδρογόνου είναι 5 φορές μικρότερο:

Αλλά πώς κατάλαβαν οι άνθρωποι την ύπαρξη των ατόμων, τότε που δεν μπορούσαν να δούν μεμονωμένα άτομα; Και πώς ανακάλυψαν από τι είναι φτιαγμένα;

Όλα ξεκίνησαν με την Χημεία. Δύο λίτρα υδρογόνου καίγονται με ένα λίτρο οξυγόνου για να σχηματίσουν δύο λίτρα υδρατμών, οπότε υποθέτουμε ότι το νερό αποτελείται από 2 άτομα υδρογόνου και 1 οξυγόνου: H₂O. Αλλά ένα κυβικό μέτρο οξυγόνου είναι 16 φορές βαρύτερο από ένα κυβικό μέτρο υδρογόνου, οπότε υποθέτουμε ότι το οξυγόνο (O) είναι 16 φορές βαρύτερο από το υδρογόνο (H). Και ούτω καθεξής – αυτό απαίτησε πολλή δουλειά ντετέκτιβ, στα χρόνια του 1800. Μέχρι το 1869, όταν ο Ντμίτρι Μεντελέγιεφ δημιούργησε τον πρώτο περιοδικό πίνακα, κατατάσσοντας τα άτομα κατά σειρά βάρους. Ιδού μια σύγχρονη εκδοχή του:

Αλλά τι αντιπροσωπεύουν οι αριθμοί σε αυτά τα στοιχεία; Ονομάζονται ατομικοί αριθμοί. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ο αριθμός αυτός μας δείχνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που έχουν τα ουδέτερα άτομα. Αλλά πώς ανακαλύψαμε τα ηλεκτρόνια;

Ανακαλύπτοντας το εσωτερικό του ατόμου

Το 1869, ο William Crookes δημιούργησε μια δέσμη αφαιρώντας τον αέρα από έναν γυάλινο σωλήνα και περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτόν:

Το 1897, ο J. J. Thomson έδειξε ότι αυτή η δέσμη αποτελείται από σωματίδια με μάζα μικρότερη από το ένα χιλιοστό της μάζας των ατόμων του υδρογόνου! Σήμερα ονομάζουμε αυτά τα σωματίδια ηλεκτρόνια, αν και στον Thomson δεν άρεσε αυτός ο όρος⁽²⁾.

Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα, αλλά τα άτομα δεν έχουν φορτίο, επομένως πρέπει να υπάρχει κάτι θετικά φορτισμένο μέσα στο άτομο. Ο Thomson πρότεινε ότι το άτομο είναι μια σφαίρα θετικού φορτίου με ηλεκτρόνια διάσπαρτα μέσα του. Ένας δημοσιογράφος το ονόμασε «άτομο σταφιδόψωμο» και το όνομα έμεινε.

Όμως το 1886, ο Eugen Goldstein⁽³⁾ δημιούργησε μια δέσμη που κινούνταν στην αντίθετη κατεύθυνση από τα ηλεκτρόνια σε έναν σωλήνα κενού!

Το 1898 ο Wilhelm Wien έδειξε ότι οι ακτίνες αυτές αποτελούνται από θετικά φορτισμένα ιόντα. Μεταξύ αυτών υπήρχαν και πυρήνες υδρογόνου, οι οποίοι αργότερα αναγνωρίστηκαν ως πρωτόνια.

Ο πυρήνας και το μυστήριο της μάζας

Το 1909 η ερευνητική ομάδα του Ernest Rutherford στο Μάντσεστερ έδειξε ότι το θετικό φορτίο σε ένα άτομο είναι συγκεντρωμένο σε ένα μικρό τμήμα κοντά στο κέντρο του: τον πυρήνα.

Οι βοηθοί του, Geiger και Marsden, εκτόξευσαν σωματίδια (τα οποία σήμερα γνωρίζουμε ότι είναι πυρήνες ηλίου) σε ένα φύλλο χρυσού, και μερικά αναπήδησαν πίσω. Όταν ο Rutherford είδε τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος, έγραψε:
«Ήταν σχεδόν τόσο απίστευτο όσο το να πυροβολείς με μια οβίδα 15 ιντσών ένα κομμάτι χαρτομάντιλο, και εκείνη να γυρίζει πίσω και να σε χτυπάει». Το μοντέλο του σταφιδόψωμου ανήκε πια στο παρελθόν!

Αλλά υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα. Το «ατομικό βάρος» (ή σχετική ατομική μάζα) είναι ο μικρός αριθμός στο κάτω μέρος κάθε τετραγώνου στον περιοδικό πίνακα:

Αν όλη η μάζα προερχόταν μόνο από τα πρωτόνια, ένα άτομο θα έπρεπε να έχει τόσα πρωτόνια όσα δείχνει το ατομικό του βάρος. Καθώς όμως αυτός ο αριθμός είναι μεγαλύτερος από τον ατομικό αριθμό (τον αριθμό των ηλεκτρονίων), το άτομο δεν θα ήταν ουδέτερο αλλά έντονα θετικά φορτισμένο. Δεν είναι!

Αφήνοντας κατά μέρος τις ανησυχίες για το γεγονός ότι ο αριθμός αυτός, το ατομικό βάρος, δεν είναι πάντα κοντά σε έναν ακέραιο αριθμό, ας σταθούμε μόνο σε αυτό: πώς θα μπορούσε ένα άτομο να έχει περισσότερα πρωτόνια από ηλεκτρόνια, αν είναι ηλεκτρικά ουδέτερο;

Ορίστε μια πιθανή λύση: ο πυρήνας περιέχει επιπλέον ηλεκτρόνια για να ακυρώσουν το πλεονάζον θετικό φορτίο. Ο Rutherford υποστήριξε αυτή την άποψη το 1920. Για παράδειγμα, το ήλιο έχει ατομικό αριθμό 2, αλλά ατομική μάζα 4. Με 2 ηλεκτρόνια και 4 πρωτόνια, το ήλιο θα είχε φορτίο +2. Δεν έχει! Αλλά αν είχε επίσης 2 επιπλέον ηλεκτρόνια στον πυρήνα, θα ήταν ουδέτερο, όπως και παρατηρείται. Αλλά τι θα έκανε μερικά από τα ηλεκτρόνια να παραμείνουν στον πυρήνα, ενώ άλλα να βρίσκονται σε τροχιά γύρω από αυτόν;

Το νετρόνιο και τα νέα ερωτήματα

Το 1931, η κόρη της Maria Curie, Irène Joliot-Curie και ο σύζυγός της δημιούργησαν μια δέσμη ηλεκτρικά ουδέτερων σωματιδίων βομβαρδίζοντας το μέταλλο βηρύλλιο με ακτινοβολία.

Τελικά ο James Chadwick συνέχισε αυτά τα πειράματα αποδεικνύοντας ότι υπήρχε ένα ουδέτερο σωματίδιο με σχεδόν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο: το νετρόνιο. Έγινε πλέον σαφές ότι ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια!

Μεταγενέστερα πειράματα έδειξαν ότι ένας πυρήνας έχει διάμετρο περίπου το 1/60.000 της διαμέτρου ενός ατόμου. Αν το άτομο υδρογόνου ήταν μια σφαίρα με διάμετρο 30 μέτρα, το πρωτόνιο θα ήταν ένας κόκκος αλατιού στο κέντρο. Αυτό εγείρει ένα άλλο τεράστιο πρόβλημα. Αν τα πρωτόνια είναι περιορισμένα στον μικροσκοπικό πυρήνα και είναι όλα θετικά φορτισμένα, θα πρέπει να απωθούνται μεταξύ τους πολύ ισχυρά! Τι τα συγκρατεί μαζί;

Αλλά αυτή είναι μια άλλη ιστορία! Εδώ περιγράφηκαν τα βασικά των ατόμων και αυτό είναι η ατομική φυσική. Η επόμενη ιστορία είναι η πυρηνική φυσική. Πάντα υπάρχουν νέοι γρίφοι, που μας οδηγούν ολοένα βαθύτερα.

Παραπομπές:
(1) • Christopher T. L. Smeenk, A new look at the hydrogen wave function, Physics 6 (2013), 58
• Belle Dumé, ‘Quantum microscope’ peers into the hydrogen atom, PhysicsWorld (2013).
(2) • Isobel Falconer, Corpuscles to electrons in Histories of the Electron, Buchwald and Warwick, eds., MIT Press, Cambridge, 2001
• Ainissa Ramirez, The Alchemy of Us. How Humans and Matter Transformed One Another, MIT Press, Cambridge, Massaschusetts, 2020.
• Giora Hon and Bernard R. Goldstein, J. J. Thomson’s plum-pudding atomic model: the making of a scientific myth, Annalen der Physik 525 (2013), A129–A133.
• A. M. Mayer, Floating magnets, Nature 17 (1878), 487–488.
• Klaus Hentschel, Atomic Models, J.J. Thomson’s ‘Plum Pudding’ Model
• John Heilbron, J.J. Thomson and the Bohr atom, Physics Today 30 (1977), 23–30
• Wikipedia, Plum pudding model • Britannica, Thomson atomic model.
(3) • Britannica, Eugen Goldstein • Wikipedia, Eugen Goldstein • Encyclopedia of Scientific Biography, Eugen Goldstein.
• Uwe Busch, Claims of priority -The scientific path to the discovery of X-rays, Z. Med. Phys. 19 (2023), 230–242.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: John Carlos Baez, «What Are Atoms Made Of?» – https://johncarlosbaez.wordpress.com/2026/05/24/what-are-atoms-made-of/#plum-pudding

Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΦΥΣΙΚΗ, ΧΗΜΕΙΑ

Ετικέτες: PHYSICS