Ίθαν Σίγκελ, Το «άτομο» έχασε την αρχική του σημασία, και αυτό είναι καλό για την επιστήμη. Ethan Siegel, The “atom” lost its original meaning, and that’s good for science

Αρχικά, το «άτομο» ονομάστηκε έτσι επειδή υπήρχε η πεποίθηση ότι αυτά τα δομικά στοιχεία της ύλης θα ήταν αδιαίρετα και άκοπα. Παρόλο που έχει περάσει περισσότερος χρόνος από τότε που μάθαμε ότι τα άτομα όντως αποτελούνται από συστατικά, από όσος χρόνος πριν θεωρούνταν τα άτομα θεμελιώδη, το όνομά τους, που εξακολουθεί να σημαίνει «ανίκανο να κοπεί», δεν έχει αλλάξει. Originally, the “atom” was named as such because it was thought that these building blocks of matter would be indivisible and uncuttable. Even though more time has passed since we learned that atoms are indeed made of components, than all the time before that atoms were thought to be fundamental, their name, still meaning “unable to be cut,” has not changed. Credit: LanaPo / Adobe Stock

Εδώ στον πλανήτη Γη, όλα όσα βλέπουμε, αισθανόμαστε ή με τα οποία αλληλεπιδρούμε αποτελούνται από άτομα. Υπάρχουν περίπου 90 φυσικά είδη ατόμων που μπορούμε να βρούμε στη Γη και περίπου 30 ακόμη που μπορούμε να συνθέσουμε σε εργαστηριακές συνθήκες. Έχουμε μάθει, χάρη στη δύναμη της σύγχρονης επιστήμης, ότι τα ίδια τα άτομα δεν είναι θεμελιώδη, αλλά μπορούν να χωριστούν σε μικρότερα κομμάτια: ηλεκτρόνια και έναν ατομικό πυρήνα, όπου ο πυρήνας με τη σειρά του μπορεί να αποσυντεθεί περαιτέρω σε πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία αποτελούνται από κουάρκ και γλουόνια. Μόνο όταν φτάσουμε σε αυτό το βαθύ επίπεδο - το επίπεδο των ηλεκτρονίων, των κουάρκ και των γλουονίων - συναντάμε σωματίδια που είναι πραγματικά θεμελιώδη.

Αλλά η ίδια η λέξη άτομο, που προέρχεται από την ελληνική λέξη άτομο, σημαίνει κυριολεκτικά αδιαίρετο ή αδιάσπαστο. Πώς γίνεται, λοιπόν, να ονομάζουμε ακόμα αυτά τα σημαντικά συστατικά της πραγματικότητας «άτομα» αντί για κάποιο άλλο όνομα που αντανακλά καλύτερα τη σύνθετη φύση τους; Είναι ένα συναρπαστικό παράδειγμα κάτι αξιοσημείωτου για το πώς εξελίσσεται η επιστήμη: μόλις ανακαλυφθεί κάτι, διατηρεί το αρχικό όνομα που του δόθηκε, αλλά η σημασία αυτού του ονόματος θα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου για να αντικατοπτρίζει τις νέες πληροφορίες που έχουμε αποκτήσει. Έχει συμβεί σε όλη την ιστορία και αν συνεχίσουμε να ασχολούμαστε με την επιστήμη σωστά, θα συμβαίνει ξανά και ξανά καθώς συνεχίζουμε να μαθαίνουμε περισσότερα για την πραγματικότητα.

Αν και στον σύγχρονο κόσμο μας συνήθως αντιλαμβανόμαστε τα άτομα ως πυρήνες με ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω τους, η αρχική έννοια ενός ατόμου ήταν ότι ήταν ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό, αδιαχώριστο συστατικό κάθε ύλης και ότι υπήρχαν μόνο άτομα και το κενό. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως «πραγματικά αντικείμενα» θα προερχόταν από τους συνδυασμούς αμέτρητων ατόμων μαζί, με τα διάφορα ατομικά συστατικά να δημιουργούν ένα άπειρο σύνολο πιθανών συνδυασμών. Although we normally conceive of atoms as nuclei with electrons orbiting them in our modern world, the original concept of an atom was that it was an extremely tiny, uncuttable constituent of all matter, and that only atoms and the void existed. What we perceive of as “real objects” would originate from the combinations of countless atoms put together, with the various atomic ingredients giving rise to an infinite set of possible combinations. Credit: Sergey Nivens / Adobe Stock

Η λέξη άτομο εισήχθη τον 5ο αιώνα π.Χ. από δύο αρχαίους Έλληνες φιλοσόφους, τον Δημόκριτο και τον Λεύκιππο, όπου ο Δημόκριτος ήταν μαθητής του Λεύκιππου. Τότε, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες ήταν ένα και το αυτό, καθώς δεν είχε γίνει διάκριση μεταξύ εκείνων που εκφράζουν γνώμη για τη φυσική πραγματικότητα και εκείνων που την ερευνούν από μια τεκμηριωμένη οπτική γωνία. Πριν από τον Λεύκιππο, οι προηγούμενοι επιστήμονες-φιλόσοφοι είχαν επινοήσει τις έννοιες των στοιχείων ως συστατικών της πραγματικότητας και συχνά θεωρούσαν ένα συγκεκριμένο συστατικό ως τον θεμελιώδη δημιουργό - ή αρχή (ἀρχή) - όλων των άλλων. Άλλοι, επιστρέφοντας στον ποιητή Ησίοδο, αντιπαρέβαλαν την τάξη του Σύμπαντος, ή κόσμου, με το μεγάλο κενό του μηδενός.

Η ιδέα του Λεύκιππου ήταν ότι το κενό ήταν πραγματικό, αλλά ότι όλα όσα μπορούσαμε να δούμε, να νιώσουμε ή με τα οποία αλληλεπιδρούσαμε δεν αποτελούνταν από στοιχεία όπως η Γη, η Φωτιά, ο Αέρας και το Νερό, αλλά αντίθετα αποτελούνταν από άτομα: αδιαίρετες, μικροσκοπικές οντότητες που αποτελούσαν τα πάντα. Ανάμεσα στα άτομα υπήρχε κενό, και όλα τα πράγματα που υπήρχαν ήταν άτομα. Ο Δημόκριτος βελτίωσε περαιτέρω τις ιδέες του Λεύκιππου, γράφοντας ότι:

• υπήρχε ένας άπειρος αριθμός ατόμων,
• ότι η διαιρετότητα της ύλης κάποια στιγμή θα έπαυε να υπάρχει,
• ότι όταν φτάνατε σε αυτό το σημείο, θα ανακαλύπτατε ότι είχατε πολλούς διαφορετικούς τύπους ατόμων: σώματα με διαφορετικά μεγέθη και σχήματα,
• και ότι αυτά τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και μπορούν να συγκρουστούν μεταξύ τους,
• και καθώς το κάνουν, δημιουργούν μεγαλύτερες και πιο σύνθετες δομές, δημιουργώντας τον κόσμο που βιώνουμε μπροστά μας.

Ενώ κανένα από τα πρωτότυπα έργα του Δημόκριτου δεν έχει διασωθεί, άσκησε αρκετή επιρροή ώστε άλλοι να γράφουν για τις ιδέες του για αιώνες και χιλιετίες μετά.

Αν και η αρχική ιδέα για τα άτομα ήταν ότι θα είχαν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη και ότι όλες οι οντότητες θα αποτελούνταν από διαφορετικούς συνδυασμούς αυτών των ατόμων, τα πραγματικά, φυσικά άτομα που ανακαλύψαμε δεν είχαν απαραίτητα αυτές τις ιδιότητες. Ωστόσο, τα επίπεδα ενέργειας που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια μέσα σε αυτά τα άτομα λαμβάνουν διαφορετικά σχήματα και έχουν διαφορετικά μεγέθη, επιτρέποντας την ευρεία ποικιλία χημικών ενώσεων που βρίσκουμε στη σύγχρονη πραγματικότητά μας. Although the original idea of atoms was that they would have different shapes and sizes to them, and that all entities would be composed of different combinations of these atoms, the actual, physical atoms that we discovered didn’t necessarily have these properties. The energy levels occupied by the electrons within those atoms, however, do take on different shapes and have different sizes, enabling the wide variety of chemical compounds we find in our modern reality. Credit: LibreTexts Library/UC Davis

Η ιδέα των ατόμων αναβιώθηκε στις αρχές του 19ου αιώνα, όταν ο Άγγλος χημικός Τζον Ντάλτον επανέφερε την ιδέα του ατομισμού στον τομέα της χημείας. (Αν και άλλοι, όπως ο Γουίλιαμ Χίγκινς, ισχυρίστηκαν ότι ο Ντάλτον έκλεψε τις ιδέες άλλων .) Εξετάζοντας διαφορετικές γνωστές χημικές ενώσεις, ο Ντάλτον αναγνώρισε ότι μια ατομιστική οπτική θα επέτρεπε σε κάποιον να υπολογίσει μοριακά βάρη και μοριακούς τύπους με βάση μια σειρά από απλούστερα δομικά στοιχεία: άτομα, το καθένα με το δικό του μοναδικό ατομικό βάρος για τα διαφορετικά είδη ατόμων που υπάρχουν στο μόριο. Ο Ντάλτον εισήγαγε για πρώτη φορά τη νέα του «ατομική θεωρία» το 1803, παρέχοντας μια εξήγηση για τη σύνθεση του νιτρικού οξέος.

Στη συνέχεια, το 1808, ο Ντάλτον δημοσίευσε μια εκτενή συζήτηση για την ατομική του θεωρία, διατυπώνοντας συνολικά έξι αρχές:

1. Τα στοιχεία αποτελούνται από άτομα.
2. Τα άτομα ενός δεδομένου στοιχείου είναι πανομοιότυπα σε μέγεθος, μάζα και όλες τις άλλες ιδιότητες.
3. Τα άτομα δεν μπορούν να διαιρεθούν, να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν.
4. Άτομα διαφορετικών στοιχείων συνδυάζονται σε ακέραιες αριθμητικές αναλογίες για να σχηματίσουν ενώσεις.
5. Στις χημικές αντιδράσεις, τα άτομα συνδυάζονται, διαχωρίζονται ή αναδιατάσσονται.
6. Και ο κανόνας της μέγιστης απλότητας: ότι αν άτομα δύο διαφορετικών στοιχείων σχημάτιζαν μια ένωση, τα μόρια αυτής της ένωσης θα έπρεπε να αποτελούνται από ένα από κάθε στοιχείο.

Αν και οι αρχές 1, 4 και 5 παραμένουν σωστές ακόμη και σήμερα, οι αρχές 2 (το ίδιο άτομο μπορεί να έχει διαφορετικά ατομικά βάρη), 3 (η ύλη και η αντιύλη μπορούν να δημιουργηθούν ή να καταστραφούν σε ίσες ποσότητες) και 6 (δεν ισχύει για το νερό, το οποίο είναι H2O και όχι HO, ή για την αμμωνία, η οποία είναι NH3 και όχι NH) αποδείχθηκαν αργότερα ψευδείς.

Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων είναι ταξινομημένος ως έχει (σε ​​περιόδους που μοιάζουν με γραμμές και ομάδες που μοιάζουν με στήλες) λόγω του αριθμού των ελεύθερων/κατειλημμένων ηλεκτρονίων σθένους, ο οποίος είναι ο νούμερο ένα παράγοντας στον προσδιορισμό των χημικών ιδιοτήτων κάθε ατόμου. Τα άτομα μπορούν να συνδεθούν για να σχηματίσουν μόρια σε τεράστιες ποικιλίες, αλλά η ηλεκτρονική δομή του καθενός είναι αυτή που καθορίζει κυρίως ποιες διαμορφώσεις είναι πιθανές, πιθανές και ενεργειακά ευνοϊκές. The periodic table of the elements is sorted as it is (in row-like periods and column-like groups) because of the number of free/occupied valence electrons, which is the number one factor in determining each atom’s chemical properties. Atoms can link up to form molecules in tremendous varieties, but it’s the electron structure of each one that primarily determines what configurations are possible, likely, and energetically favorable. Credit: Adobe Stock

Η ατομική θεωρία σημείωσε τεράστια επιτυχία. Σύντομα ανακαλύψαμε ότι άτομα διαφορετικών ειδών μπορούσαν να ταξινομηθούν με τρόπους όπου άτομα με παρόμοιες χημικές ιδιότητες θα ομαδοποιούνταν: τοποθετώντας στοιχεία όπως το νάτριο και το κάλιο στην ίδια βάση, καθώς και το ασβέστιο και το μαγνήσιο, το χλώριο και το φθόριο, καθώς και το ήλιο, το νέον και το αργό. Ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων του Μεντελέγιεφ, που αναπτύχθηκε το 1869, αναγνώρισε τη σημασία της ταξινόμησης των στοιχείων με βάση αυτές τις χημικές ιδιότητες και όχι μόνο τη μάζα, και άφησε με επιτυχία κενά για άγνωστα ακόμη στοιχεία που ανακαλύφθηκαν με τις ιδιότητες που προέβλεψε: για παράδειγμα, το γάλλιο και το γερμάνιο.

Οι πτυχές της θεωρίας του Ντάλτον που διαφωνούσαν με την πραγματικότητα απορρίφθηκαν, όπως ακριβώς οι πτυχές των ιδεών του Δημόκριτου που δεν ευθυγραμμίζονταν με την πραγματικότητα δεν διατηρήθηκαν ως μέρος της θεωρίας. Αλλά για σχεδόν όλο τον 19ο αιώνα, η ιδέα ότι τα ίδια τα άτομα ήταν θεμελιώδη και αδιαίρετα παρέμεινε μέρος της επικρατούσας σοφίας. Ωστόσο, όλα άρχισαν να αλλάζουν προς τα τέλη του 19ου αιώνα, καθώς μερικές ανακαλύψεις άρχισαν πραγματικά να αμφισβητούν τη συμβατική εικόνα της ατομικής φυσικής. Η μελέτη των καθοδικών ακτίνων, η ανακάλυψη των ακτίνων Χ και η ύπαρξη της ραδιενέργειας - με επικεφαλής πρωτοπόρους όπως ο Ανρί Μπεκερέλ, η Μαρί και ο Πιερ Κιουρί, και ο Τζ. Τζ. Τόμσον - θα αποκάλυπταν την ύπαρξη υποατομικών σωματιδίων: σωματίδια μέσα στο ίδιο το άτομο και μικρότερα από αυτό.

Αυτή η απεικόνιση δείχνει 5 από τους κύριους τύπους ραδιενεργών διασπάσεων: διάσπαση άλφα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα (2 πρωτόνια και 2 νετρόνια), διάσπαση βήτα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, διάσπαση γάμμα, όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα φωτόνιο, εκπομπή ποζιτρονίων (γνωστή και ως διάσπαση βήτα-συν), όπου ένας πυρήνας εκπέμπει ένα ποζιτρόνιο, και σύλληψη ηλεκτρονίων (γνωστή και ως αντίστροφη διάσπαση βήτα), όπου ένας πυρήνας απορροφά ένα ηλεκτρόνιο. Αυτές οι διασπάσεις μπορούν να αλλάξουν τον ατομικό ή/και μαζικό αριθμό του πυρήνα, αλλά ορισμένοι γενικοί νόμοι διατήρησης, όπως η ενέργεια, η ορμή και η διατήρηση του φορτίου, πρέπει να τηρούνται. Η διάσπαση βήτα περιλαμβάνει πάντα ένα νετρόνιο, είτε ελεύθερο είτε εντός ενός πυρήνα, που διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο ηλεκτρονίων. This illustration shows 5 of the main types of radioactive decays: alpha decay, where a nucleus emits an alpha particle (2 protons and 2 neutrons), beta decay, where a nucleus emits an electron, gamma decay, where a nucleus emits a photon, positron emission (also known as beta-plus decay), where a nucleus emits a positron, and electron capture (also known as inverse beta decay), where a nucleus absorbs an electron. These decays can change the atomic and/or mass number of the nucleus, but certain overall conservation laws, like energy, momentum, and charge conservation, must still be obeyed. Beta decay always involves a neutron, whether free or within a nucleus, decaying into a proton, electron, and electron antineutrino. Credit: CNX Chemistry, OpenStax/Wikimedia Commons

Σύντομα ανακαλύφθηκε ότι τουλάχιστον τρεις τύποι σωματιδίων εκπέμπονταν σε διάφορες ραδιενεργές διεργασίες:

• σωματίδια άλφα, τα οποία ήταν θετικά φορτισμένα,
• σωματίδια βήτα, τα οποία ήταν αρνητικά φορτισμένα,
• και σωματίδια γάμμα, τα οποία ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα.

Τα πειράματα του Thomson με τις καθοδικές ακτίνες, ειδικότερα, οδήγησαν στην ανακάλυψη του ηλεκτρονίου: ενός σωματιδίου με πολύ μικρή μάζα και μικρό μέγεθος σε σύγκριση με τα άτομα, αλλά με μεγάλο και σημαντικό αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Λίγο αργότερα, τα σωματίδια βήτα αναγνωρίστηκαν ως ηλεκτρόνια, συνδυάζοντας αυτές τις δύο ανεξάρτητες πτυχές της πραγματικότητας.

Αυτό σήμαινε ότι τα ίδια τα άτομα δεν ήταν στην πραγματικότητα αδιαίρετα, αλλά μάλλον μπορούσαν να διαιρεθούν σε τουλάχιστον δύο συστατικά: τα ηλεκτρόνια που υπήρχαν μέσα σε αυτά, με κάποιο τρόπο, και κάποιο άλλο θετικά φορτισμένο συστατικό. Ο Thomson ήταν ο πρώτος που μοντελοποίησε τα άτομα ως τέτοια: αυτό που ονόμασε μοντέλο «δαμάσκηνου», όπου τα ηλεκτρόνια ήταν σαν αρνητικά φορτισμένα δαμάσκηνα μέσα στο θετικά φορτισμένο πουτίγκα του υπόλοιπου ατόμου.

Αλλά στη συνέχεια, στις αρχές του 1900, ο Έρνεστ Ράδερφορντ σχεδίασε ένα υπέροχο πείραμα που είχε σχεδιαστεί για να δοκιμάσει ακριβώς αυτό: το περίφημο πείραμά του με το φύλλο χρυσού.

Το πείραμα του Ράδερφορντ με το χρυσό φύλλο έδειξε ότι το άτομο ήταν ως επί το πλείστον κενός χώρος, αλλά ότι υπήρχε μια συγκέντρωση μάζας σε ένα σημείο που ήταν πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα ενός σωματιδίου άλφα: τον ατομικό πυρήνα. Παρατηρώντας ότι ορισμένα από τα εκπεμπόμενα, ραδιενεργά σωματίδια αναπήδησαν πίσω ή εξοστρακίστηκαν σε διαφορετική κατεύθυνση από αυτήν προς την οποία εκπεμπόντουσαν, ο Ράδερφορντ μπόρεσε να αποδείξει την ύπαρξη ενός συμπαγούς, ογκώδους πυρήνα στο άτομο. Rutherford’s gold foil experiment showed that the atom was mostly empty space, but that there was a concentration of mass at one point that was far greater than the mass of an alpha particle: the atomic nucleus. By observing that some of the emitted, radioactive particles bounced back, or ricocheted off, in a different direction than they were emitted in, Rutherford was able to demonstrate the existence of a compact, massive nucleus to the atom. Credit: Chris Impey

Αυτό που έκανε ο Ράδερφορντ ήταν να πάρει ένα λεπτό φύλλο χρυσού, ένα μέταλλο που ήταν γνωστό για την εύπλαστη φύση του, και να το σφυρηλατήσει όσο το δυνατόν λεπτότερο, μέχρι που μετά βίας συγκρατήθηκε. Στη συνέχεια, ο Ράδερφορντ τοποθέτησε μια ραδιενεργό πηγή στη μία πλευρά του φύλλου, περιβάλλοντας την υπόλοιπη συσκευή με έναν απορροφητικό δακτύλιο από στερεό υλικό. Αυτό που περίμενε ότι θα έβρισκε ήταν ότι αυτά τα ραδιενεργά σωματίδια θα περνούσαν κατευθείαν μέσα από το φύλλο και θα κατέληγαν στην άλλη πλευρά, δεδομένου του πόσο ενεργητικά ήταν τα εκπεμπόμενα σωματίδια και πόσο λεπτό και εύθραυστο ήταν στην πραγματικότητα το φύλλο χρυσού.

Και πράγματι, αυτό συνέβη για την πλειονότητα των εκπεμπόμενων σωματιδίων που στάλθηκαν προς την κατεύθυνση του φύλλου χρυσού: πέρασαν κατευθείαν στην άλλη πλευρά. Αλλά για ένα κλάσμα αυτών των σωματιδίων, συνέβη κάτι άλλο. Αντί να περάσουν, φάνηκαν να εξοστρακίζονται από κάτι σκληρό, ογκώδες και ακίνητο μέσα σε αυτό το φύλλο χρυσού, εκτρέποντας σε ορισμένες περιπτώσεις ή αναπηδώντας πίσω, σε άλλες περιπτώσεις, στο εσωτερικό της πειραματικής συσκευής. Ο Ράδερφορντ δεν μπορούσε να συγκρατήσει τον ενθουσιασμό και την αμηχανία του για το θέμα, σημειώνοντας για το πείραμά του του 1909:

«Ήταν το πιο απίστευτο γεγονός που μου έχει συμβεί ποτέ στη ζωή μου. Ήταν σχεδόν τόσο απίστευτο σαν να έριχνες ένα βλήμα 15 ιντσών σε ένα κομμάτι χαρτομάντιλο και αυτό να γύριζε πίσω και να σε χτυπούσε.»

Αν τα άτομα ήταν φτιαγμένα από συνεχείς δομές, τότε όλα τα σωματίδια που εκτοξεύονταν σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού θα αναμενόταν να περάσουν κατευθείαν μέσα από αυτό. Το γεγονός ότι οι σκληρές ανάκρουσεις παρατηρούνταν αρκετά συχνά, προκαλώντας μάλιστα ορισμένα σωματίδια να αναπηδήσουν πίσω από την αρχική τους κατεύθυνση, βοήθησε να καταδειχθεί ότι υπήρχε ένας σκληρός, πυκνός πυρήνας εγγενής σε κάθε άτομο. Ενώ τα άτομα έχουν μέγεθος περίπου ένα άνγκστρομ, ο πυρήνας μοιάζει περισσότερο με μερικά φεμτόμετρα σε διάμετρο: μια διαφορά ενός παράγοντα ~100.000. If atoms had been made of continuous structures, then all the particles fired at a thin sheet of gold would be expected to pass right through it. The fact that hard recoils were seen quite frequently, even causing some particles to bounce back from their original direction, helped illustrate that there was a hard, dense nucleus inherent to each atom. Whereas atoms are about one angstrom in size, the nucleus is more like a few femtometers across: a difference of a factor of ~100,000. Credit: Kurzon/Wikimedia Commons

Με άλλα λόγια, τα άτομα όχι μόνο δεν ήταν άκοπα, αλλά αποτελούνταν από δύο πολύ διαφορετικά μέρη: τα ελαφρά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και έναν βαρύ, θετικά φορτισμένο ατομικό πυρήνα. 10 χρόνια αργότερα, το 1919, η συνεχιζόμενη εργασία του Ράδερφορντ ήταν σε θέση να παρατηρήσει πυρήνες υδρογόνου να εκτοξεύονται από άτομα αζώτου που είχαν βομβαρδιστεί με σωματίδια άλφα (τώρα γνωστά ως πυρήνες ηλίου), αποδεικνύοντας την ύπαρξη του πρωτονίου. Την επόμενη χρονιά, το 1920, ο Ράδερφορντ έδωσε στα πρωτόνια το όνομά τους, διδάσκοντάς μας ποια ήταν τα δύο κύρια συστατικά των ατόμων.

Πώς, όμως, υπήρχαν ισότοπα αυτών των διαφορετικών στοιχείων, όπου άτομα με τις ίδιες χημικές ιδιότητες μεταξύ τους θα μπορούσαν να έχουν διαφορετικές μάζες μεταξύ τους; Μια ιδέα ήταν ότι μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα, δεν υπήρχαν μόνο πρωτόνια, αλλά και κάποια ηλεκτρόνια που είχαν σχηματίσει συνδεδεμένες καταστάσεις με πρωτόνια στο εσωτερικό τους. Αυτό οδήγησε σε ένα παράδοξο, ωστόσο: γιατί μόνο ορισμένα ηλεκτρόνια θα σχηματίζουν συνδεδεμένη κατάσταση με πρωτόνια, ενώ άλλα παρέμειναν σε τροχιά γύρω από το άτομο; Υπήρχαν δύο θεμελιωδώς διαφορετικοί τύποι ηλεκτρονίων;

Τελικά, το ζήτημα θα διευθετούνταν πειραματικά: από τον James Chadwick το 1932, ο οποίος βομβάρδισε πυρήνες βηρυλλίου με σωματίδια άλφα και σημείωσε την εκπομπή ενός ογκώδους, ουδέτερου σωματιδίου που εκπέμπεται από τη διαδικασία. Αυτό το νέο σωματίδιο, το νετρόνιο, ολοκλήρωσε τελικά τη βασική εικόνα του ατόμου.

Όλα τα άτομα άνθρακα αποτελούνται από 6 πρωτόνια στον ατομικό τους πυρήνα, αλλά υπάρχουν τρεις κύριες ποικιλίες που υπάρχουν στη φύση. Ο άνθρακας-12, με 6 νετρόνια, αποτελεί την πιο κοινή μορφή σταθερού άνθρακα. Ο άνθρακας-13 έχει 7 νετρόνια και αποτελεί το υπόλοιπο 1,1% του σταθερού άνθρακα. Ο άνθρακας-14 είναι ασταθής, με χρόνο ημιζωής λίγο περισσότερο από 5.700 χρόνια, αλλά σχηματίζεται συνεχώς στην ατμόσφαιρα της Γης λόγω των προσπίπτουσων κοσμικών ακτίνων. Η ύπαρξη τόσο του πρωτονίου όσο και του νετρονίου είναι απαραίτητη για να εξηγηθούν αυτά τα διαφορετικά ισότοπα. All carbon atoms consist of 6 protons in their atomic nucleus, but there are three main varieties that exist in nature. Carbon-12, with 6 neutrons, makes up the most common form of stable carbon; carbon-13 has 7 neutrons and makes up the remaining 1.1% of stable carbon; carbon-14 is unstable, with a half-life of a little more than 5,700 years, but is constantly being formed in Earth’s atmosphere due to incident cosmic rays. The existence of both the proton and the neutron is required to explain these different isotopes. Credit: Coastal Systems Group/Woods Hole Oceanographic Institute

Οι ατομικοί πυρήνες, λοιπόν, αποτελούνταν από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ηλεκτρικά αφόρτιστα νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους περιβάλλονταν από πολύ ελαφριά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια για να ολοκληρώσουν το άτομο. Αυτά τα άτομα μπορούσαν στη συνέχεια να συνδεθούν μεταξύ τους, όπως ακριβώς είχε διατυπώσει ο Δημόκριτος περισσότερα από 2000 χρόνια πριν, στα μόρια και τις μεγαλύτερες δομές που αποτελούσαν τον μακροσκοπικό μας κόσμο. Δεν υπήρχαν άπειροι αριθμοί από αυτούς, αλλά μάλλον ένας τεράστιος αλλά μετρήσιμος αριθμός υποατομικών συστατικών αυτών των ατόμων, και συναρμολογούνταν για να συνθέσουν ολόκληρη την πραγματικότητα.

Στο διάστημα που μεσολάβησε από τότε, ανακαλύψαμε μια ομάδα ασταθών σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια: σωματίδια για τα οποία αρχικά υπήρχαν υποψίες (σύμφωνα με το λαμπρό αλλά λανθασμένο μοντέλο Sakata ) ότι ήταν σύνθετα βαρυόνια όπως πρωτόνια, νετρόνια, αντιπρωτόνια και αντινετρόνια, τα οποία θα μπορούσαν να επιτύχουν πολύ χαμηλότερες μάζες μαζί λόγω της έννοιας της ενέργειας σύνδεσης. Μεσόνια όπως τα καόνια θα μπορούσαν στη συνέχεια να εξηγηθούν αν προσθέσουμε και το ασταθές βαρυόνιο Λάμδα (και το αντισωματίδιό του) στο μείγμα, με πρωτόνια, νετρόνια και το βαρυόνιο Λάμδα να αποτελούν μια τριάδα που μερικές φορές είναι γνωστή ως σακατόνια.

Καθώς όμως προχωρούσαμε στην εκτέλεση πειραμάτων βαθιάς ανελαστικής σκέδασης, το μοντέλο Sakata έχασε την εύνοια του κοινού, καθώς οι πιο επιτυχημένες θεωρίες των κουάρκ και των παρτονίων (που τώρα είναι γνωστό ότι είναι τα ίδια μεταξύ τους) περιέγραφαν καλύτερα το αποτέλεσμα. Αυτή η εξέλιξη των γεγονότων ήταν που τελικά μας έφερε στη σύγχρονη εικόνα της πραγματικότητας και στο Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα κουάρκ, τα αντικουάρκ και τα γλουόνια του Καθιερωμένου Μοντέλου έχουν χρωματικό φορτίο, εκτός από όλες τις άλλες ιδιότητες όπως η μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο. Όλα αυτά τα σωματίδια, εκτός από τα γλουόνια και τα φωτόνια, υφίστανται την ασθενή αλληλεπίδραση. Μόνο τα γλουόνια και τα φωτόνια είναι άμαζα. Όλα τα άλλα, ακόμα και τα νετρίνα, έχουν μη μηδενική μάζα ηρεμίας. The quarks, antiquarks, and gluons of the Standard Model have a color charge, in addition to all the other properties like mass and electric charge. All of these particles, except gluons and photons, experience the weak interaction. Only the gluons and photons are massless; everyone else, even the neutrinos, have a non-zero rest mass. Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Κι όμως, παρόλο που πιστεύαμε ότι τα άτομα ήταν πραγματικά αδιαίρετες οντότητες για περισσότερα από 90 χρόνια, από την εισαγωγή τους από τον Ντάλτον μέχρι τις ανακαλύψεις της ραδιενέργειας και της φύσης των καθοδικών ακτίνων, εξακολουθούμε να τους δίνουμε το όνομα «άτομο». Μερικοί άνθρωποι απογοητεύονται από αυτή την κατάσταση πραγμάτων, ισχυριζόμενοι ότι η αρχική έννοια του ατόμου — που ανάγεται στην ελληνική λέξη άτομο — θα έπρεπε να προορίζεται για οντότητες που είναι πραγματικά θεμελιώδεις ή στοιχειώδεις: οντότητες που δεν μπορούν να κοπούν ή να διασπαστούν.

Κρίμα για τους ανθρώπους που το πιστεύουν αυτό· αυτός δεν είναι ο τρόπος που λειτουργεί η επιστήμη. Τα πράγματα ονομάζονται τη στιγμή της ανακάλυψής τους και συνήθως ονομάζονται με την πιο ακριβή (ή πιασάρικη) περιγραφή που έχουμε γι' αυτά εκείνη τη στιγμή. Αυτά τα ονόματα επιμένουν ακόμη και καθώς η κατανόησή μας για αυτά τα αντικείμενα ή τα φαινόμενα βελτιώνεται, ακόμα κι αν αυτό που μαθαίνουμε στη συνέχεια έρχεται σε αντίθεση με το αρχικό όνομα που τους δώσαμε.

• Τα άτομα μπορούν πράγματι να κοπούν ή να διασπαστούν.
• Οι εξωπλανήτες, συντομογραφία των εξωηλιακών πλανητών, δεν πληρούν τον τεχνικό ορισμό της λέξης πλανήτης που έδωσε η IAU το 2006.
• Η Μεγάλη Έκρηξη, που ονομάστηκε για πρώτη φορά έτσι το 1949 , δεν σημαίνει πλέον ένα αρχικό γεγονός που δημιούργησε το Σύμπαν μας, αλλά απλώς τα θερμά, πυκνά, επεκτεινόμενα επακόλουθα του τέλους του κοσμικού πληθωρισμού.

Μαζί με πολλά άλλα παραδείγματα, τα άτομα είναι απλώς αυτό που είναι. Παρόλο που μπορούν να κοπούν, εξακολουθούν να αποτελούν μια ζωτικής σημασίας έννοια για την κατανόηση της πραγματικότητάς μας.

Η παραπάνω άποψη είναι προσβάσιμη στην ανθρωπότητα εδώ και σχεδόν 250 χρόνια: ένα αντικείμενο, περίπου στο μέγεθος του Δία, με έναν φωτεινό κυκλικό δακτύλιο που σταδιακά εξασθενεί προς τα έξω και προς τα μέσα, αλλά με ένα φωτεινό κεντρικό σημείο μέσα του. Αυτό είναι το Νεφέλωμα Δακτυλίου, ή Μεσιέ 57 (M57), που ανακαλύφθηκε το 1779. Αν και ήταν το αντικείμενο που έδωσε το όνομα «πλανητικό νεφέλωμα», γνωρίζουμε εδώ και αιώνες ότι δεν έχει καμία σχέση με πλανήτες, ωστόσο το όνομα επιμένει. The above view has been accessible to humanity for nearly 250 years: an object, about the size of Jupiter, with a bright circular annulus gradually faintening toward the outside and inside, but with a bright central point within it. This is the Ring Nebula, or Messier 57 (M57), discovered in 1779. Although it was the object that spurred the name “planetary nebula,” we’ve known for centuries that it has nothing to do with planets at all, yet the name persists. Credit: Mike Reid of Mike’s Astro

Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, είχα την ευκαιρία να ταξιδέψω σε πολλά αρχαία ρωμαϊκά ερείπια, συμπεριλαμβανομένων πολλών ναών. Πολλοί είχαν ορθογώνιο σχήμα, αλλά μερικοί ήταν και στρογγυλοί. Για εκατοντάδες χρόνια, οι κλασικοί μελετητές αναγνώριζαν λανθασμένα τους στρογγυλούς ως «Ναό της Εστίας», λόγω του διάσημου στρογγυλού Ναού της Εστίας που σώζεται εν μέρει στην αρχαία ρωμαϊκή αγορά. Στη σύγχρονη εποχή, έχουμε μάθει ότι αυτοί οι διάσημοι ναοί πιθανότατα δεν ήταν καθόλου Ναοί της Εστίας, αλλά μάλλον ήταν ναοί άλλων θεών, μερικοί από τους οποίους είναι γνωστοί και μερικοί των οποίων η προέλευση παραμένει άγνωστη. Ακόμα και όταν γνωρίζουμε καλύτερα, ωστόσο, το να πείσουμε τους ανθρώπους να αποδεχτούν μια αλλαγή ονόματος είναι, για να μην πούμε τίποτα άλλο, μια δύσκολη μάχη.

Γι' αυτό το λόγο, η προσέγγιση που ακολουθεί γενικά η επιστήμη δεν είναι να αλλάξει το όνομα, αλλά να επιτρέψει στην έννοια του ονόματος που έχουμε δώσει να εξελιχθεί. Αν ανακαλύψουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια όντως εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, θα την ονομάζουμε ακόμα σκοτεινή ενέργεια, αλλά θα σταματήσουμε να τη συνδέουμε με μια κοσμολογική σταθερά. Αν ανακαλύψουμε ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη ή με το φως, θα την ονομάζουμε ακόμα σκοτεινή ύλη, παρόλο που η φύση της δεν θα είναι πλέον εντελώς «σκοτεινή» για εμάς. Γνωρίζουμε εδώ και καιρό ότι τα πλανητικά νεφελώματα δεν είναι πλανήτες , αλλά διατηρούν το ίδιο όνομα από τότε που δόθηκε για πρώτη φορά το 1779. Ο Ήλιος δεν «δύει» και δεν «ανατέλλει» καθώς η Γη περιστρέφεται και τα «πεφταστέρια» δεν είναι στην πραγματικότητα αστέρια, αλλά αυτά τα ονόματα - ηλιοβασίλεμα, ανατολή και πεφταστέρι - είναι απίθανο να εξαφανιστούν σύντομα.

Στην επιστήμη, δεν προσκολλόμαστε σε ξεπερασμένες έννοιες των λέξεων. Βρίσκουμε κάτι, το ονομάζουμε και μετά συνεχίζουμε να το μελετάμε. Αν αυτά που μαθαίνουμε έρχονται σε αντίθεση με τις προσδοκίες που είχαμε όταν το ονομάσαμε, τόσο το καλύτερο για εμάς. Άλλωστε, οι συμβάσεις ονομασίας δεν είναι ο σκοπός της επιστήμης. Η εκμάθηση για το Σύμπαν, δηλαδή η διεξαγωγή και η αποκόμιση των μαθημάτων της ίδιας της επιστήμης, είναι ο λόγος που το κάνουμε.

Πηγή: https://startswithabang.substack.com/p/the-atom-lost-its-original-meaning