Atomul: din ce e făcută materia, de la protoni la quarci

Atomul este cea mai mică parte a unui element chimic care își păstrează proprietățile: cea mai mică „bucată” de fier care încă e fier sau de oxigen care încă e oxigen. Fiecare atom are în centru un nucleu foarte mic și dens, alcătuit din protoni cu sarcină pozitivă și neutroni fără sarcină, iar în jurul lui se află electronii, cu sarcină negativă. Protonii și neutronii nu sunt indivizibili: fiecare este format din câte trei particule și mai mici, numite quarci.

Toată materia obișnuită, de la aerul pe care îl respiri la stâncile munților și la propriul corp, este făcută din doar trei tipuri de „cărămizi”: quarcii up și down și electronii. Mai jos afli cum au descoperit oamenii structura atomului, cât de mici sunt componentele lui, ce sunt izotopii și radioactivitatea, ce forțe țin atomul laolaltă și cum studiază fizicienii particulele în acceleratoare uriașe, inclusiv cu participarea cercetătorilor români.

Ce este atomul

Atomul este unitatea de bază a materiei obișnuite, din care sunt construite toate elementele chimice și, prin combinarea lor, toate substanțele. Un atom este neutru din punct de vedere electric, pentru că are tot atâția electroni câți protoni; dacă pierde sau câștigă electroni, devine un ion, încărcat pozitiv sau negativ.

Atomii se leagă între ei și formează molecule: doi atomi de hidrogen și unul de oxigen formează o moleculă de apă, iar mii de atomi formează moleculele complexe din celulele vii. Chimia studiază aceste legături, iar fizica studiază structura interioară a atomului.

Cât de mici sunt atomii? Un atom are un diametru de ordinul a 0,1 nanometri, adică o zece-miliardime de metru. Într-un singur pahar cu apă se află mai mulți atomi decât pahare cu apă în toate oceanele Pământului.

Scurtă istorie: de la Democrit la quarci

Ideea de atom este veche de peste două milenii, dar dovezile experimentale au apărut abia în ultimele două secole. Fiecare pas a venit dintr-un experiment care contrazicea modelul anterior, un exemplu clasic al felului în care funcționează metoda științifică.

Experimentul care a găsit nucleul

Experimentul decisiv a fost făcut în laboratorul lui Rutherford: o foiță foarte subțire de aur a fost bombardată cu particule alfa, adică nuclee de heliu. Majoritatea particulelor treceau aproape nedeviate, ceea ce arăta că atomul e în mare parte gol. Câteva însă ricoșau puternic, aproape înapoi. Rutherford a comparat surpriza cu situația în care ai trage cu un proiectil într-o foaie de hârtie și el s-ar întoarce spre tine. Explicația: toată sarcina pozitivă și aproape toată masa atomului sunt concentrate într-un nucleu minuscul.

Cum arată un atom

Un atom are un nucleu central, extrem de mic, și un înveliș de electroni, mult mai mare, care determină dimensiunea atomului și comportamentul lui chimic. Imaginea școlară, cu electroni care se rotesc pe orbite ca planetele în jurul Soarelui, este utilă ca prim pas, dar fizica cuantică a înlocuit-o cu un tablou mai subtil.

Nucleul

Nucleul conține protonii și neutronii, numiți împreună nucleoni. Are un diametru de ordinul a 10⁻¹⁵ m, de aproximativ 100.000 de ori mai mic decât atomul. Dacă atomul ar fi cât un stadion de fotbal, nucleul ar fi cât o boabă de mazăre în mijlocul terenului. Totuși, nucleul conține peste 99,9% din masa atomului.

Electronii și norul electronic

Electronii nu au traiectorii precise ca niște bile mici. Mecanica cuantică arată că poți calcula doar probabilitatea de a găsi un electron într-o anumită regiune. Aceste regiuni se numesc orbitali și au forme diferite: sfere, „gantere” și forme mai complicate. Electronii ocupă niveluri de energie distincte și pot sări între ele absorbind sau emițând lumină de anumite culori, motiv pentru care fiecare element are un „spectru” propriu, ca o amprentă, folosit inclusiv pentru a afla din ce sunt făcute stelele. Legătura dintre lumină și atomi este dezvoltată în Lumina și culorile: de ce vedem curcubeul și cerul albastru.

Electronii exteriori participă la legăturile chimice și la curentul electric din metale, cum explică Electricitatea: curent, tensiune și rezistență explicate.

Protoni, neutroni și electroni: cartea de identitate

Cele trei particule care alcătuiesc atomul diferă prin sarcină, masă și loc. Tabelul de mai jos le compară.

Numărul atomic și elementele chimice

Ce face ca un atom să fie de carbon și altul de aur? Numărul de protoni din nucleu, numit număr atomic și notat Z. Hidrogenul are un proton, heliul doi, carbonul șase, oxigenul opt, fierul 26, aurul 79, uraniul 92. În prezent sunt cunoscute 118 elemente, ordonate în tabelul periodic după numărul atomic. Unele dintre cele mai grele au fost obținute doar în laborator și există doar fracțiuni de secundă.

Majoritatea elementelor mai grele decât hidrogenul și heliul s-au format în interiorul stelelor și în exploziile lor. Atomii de carbon din corpul tău și de fier din sânge au fost produși, cu miliarde de ani în urmă, în stele care nu mai există, cum explică Stelele: cum se nasc, cum strălucesc și cum se sting. Primele nuclee, de hidrogen și heliu, s-au format în primele minute după Big Bang.

Izotopii și radioactivitatea

Izotopii sunt atomi ai aceluiași element, cu același număr de protoni, dar cu număr diferit de neutroni. Au aceleași proprietăți chimice, dar mase diferite și, uneori, stabilitate diferită.

• Hidrogenul obișnuit nu are niciun neutron; deuteriul are unul, iar tritiul are doi. Apa în care hidrogenul este înlocuit cu deuteriu se numește apă grea. Centrala nucleară de la Cernavodă folosește reactoare de tip CANDU, care funcționează cu uraniu natural și cu apă grea.
• Carbonul-12 are 6 neutroni și este stabil; carbonul-14 are 8 neutroni și este radioactiv.
• Uraniul-235 și uraniul-238 diferă prin trei neutroni; doar primul se fisionează ușor în reactoare.

Radioactivitatea

Unele nuclee sunt instabile și se transformă spontan în alte nuclee, emițând radiații. Fenomenul se numește radioactivitate și a fost descoperit în 1896 de Henri Becquerel, apoi studiat de Marie și Pierre Curie, care au descoperit poloniul și radiul.

Radiațiile principale sunt:

1. alfa: nuclee de heliu, oprite de o foaie de hârtie sau de stratul superficial al pielii;
2. beta: electroni sau pozitroni rapizi, opriți de câțiva milimetri de aluminiu;
3. gama: radiație electromagnetică de energie foarte mare, care cere straturi groase de plumb sau beton.

Timpul de înjumătățire

Timpul de înjumătățire este intervalul în care jumătate dintre nucleele radioactive dintr-o probă se dezintegrează. Pentru carbonul-14 este de aproximativ 5.730 de ani. Pe această regularitate se bazează datarea cu radiocarbon, folosită pentru resturi organice vechi de până la câteva zeci de mii de ani. Pentru rocile și fosilele mult mai vechi se folosesc alți izotopi, cu timpi de înjumătățire de milioane sau miliarde de ani, cum se arată în Fosilele: cum se formează și ce spun despre trecutul vieții.

Important: Radiațiile ionizante sunt prezente natural în jurul nostru, în roci, în aer și chiar în corpul omenesc, în doze mici. Expunerile medicale (radiografii, tomografii) și cele profesionale sunt reglementate și controlate. În România, activitățile nucleare sunt autorizate și supravegheate de Comisia Națională pentru Controlul Activităților Nucleare (CNCAN).

Quarcii și particulele elementare

Particulele elementare sunt particulele care, după cunoștințele actuale, nu au structură internă. Ele sunt descrise de Modelul Standard al fizicii particulelor, teoria care a trecut cu succes, de zeci de ani, toate testele de laborator.

Protonul este format din doi quarci up și un quarc down, iar neutronul din un quarc up și doi quarci down. Quarcii au sarcini electrice fracționare: up are +2/3, iar down −1/3 din sarcina protonului. Adunate, sarcinile dau exact +1 pentru proton și 0 pentru neutron. Quarcii nu au fost niciodată observați izolați: sunt mereu „închiși” în grupuri.

Doar quarcii up și down și electronul alcătuiesc materia obișnuită. Celelalte particule apar în razele cosmice, în acceleratoare sau au existat din abundență în primele momente ale Universului.

De unde vine masa protonului

Un detaliu care surprinde: masele celor trei quarci dintr-un proton reprezintă doar o mică parte, de ordinul a 1%, din masa protonului. Restul provine din energia de mișcare a quarcilor și din energia câmpului de gluoni care îi leagă. Este o ilustrare directă a echivalenței dintre masă și energie, E = mc², explicată în Teoria relativității a lui Einstein, explicată simplu.

Antimateria

Fiecare particulă are o antiparticulă, cu aceeași masă, dar sarcină opusă. Antiparticula electronului este pozitronul, descoperit în 1932. Când o particulă întâlnește antiparticula ei, ambele se transformă în energie. În spitale, tomografia cu emisie de pozitroni (PET) folosește tocmai acest fenomen pentru imagistică medicală.

Forțele care țin atomul laolaltă

Atomul există pentru că patru interacțiuni fundamentale acționează la scări diferite, fiecare cu rolul ei. Fără vreuna dintre ele, materia așa cum o știm nu ar exista.

Nucleul este un loc de „tensiune”: protonii, toți pozitivi, se resping electric, dar interacțiunea tare, mult mai puternică la distanțe mici, îi ține împreună. La nucleele foarte mari, echilibrul devine fragil, de aceea elementele cele mai grele sunt radioactive. Eliberarea energiei din acest echilibru, prin fisiune sau fuziune, este sursa energiei nucleare și a luminii Soarelui, cum arată Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles.

Cum sunt studiate particulele

Particulele elementare sunt prea mici pentru a fi văzute, chiar și cu cel mai bun microscop, așa că fizicienii le studiază ciocnindu-le cu energie foarte mare și analizând ce rezultă. Instrumentele principale sunt acceleratoarele de particule și detectoarele.

Cel mai mare accelerator din lume, Large Hadron Collider (LHC), se află la CERN, organizația europeană pentru cercetare nucleară de lângă Geneva, într-un tunel circular de aproximativ 27 km, sub granița dintre Elveția și Franța. Protonii sunt accelerați aproape de viteza luminii și ciocniți frontal, iar detectoare de mărimea unor clădiri înregistrează particulele produse. Aici a fost descoperit, în 2012, bosonul Higgs.

Contribuția României

România este stat membru al CERN, iar cercetători și ingineri români lucrează în marile experimente de acolo. În țară, principalul centru de cercetare în domeniu se află la Măgurele, lângă București: Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” (IFIN-HH) și centrul ELI-NP, care folosește lasere de putere foarte mare și fascicule de radiație gama pentru studiul nucleului atomic.

Sfat: Dacă vrei să înțelegi intuitiv scara atomului, încearcă un exercițiu simplu: taie o foaie de hârtie în jumătate, apoi iar în jumătate, și tot așa. După aproximativ 30 de tăieturi succesive ai ajunge, teoretic, la dimensiunea unui atom. În practică te oprești după șapte-opt, ceea ce arată cât de departe e lumea atomică de experiența noastră.

Pentru felul în care structura atomului se leagă de restul fizicii, de la electricitate la lumină și relativitate, citește ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur.

Ce merită reținut

Atomul este alcătuit dintr-un nucleu minuscul, cu protoni și neutroni, și un înveliș de electroni care îi dă dimensiunea și proprietățile chimice. Numărul de protoni decide elementul, iar numărul de neutroni decide izotopul. Unele nuclee sunt instabile și emit radiații, cu timpi de înjumătățire care permit datarea resturilor vechi. Protonii și neutronii sunt formați din quarci, iar Modelul Standard descrie toate particulele elementare cunoscute și trei dintre cele patru interacțiuni fundamentale. Acceleratoarele precum LHC de la CERN, la care participă și România, continuă să testeze această imagine.

De reținut:

• nucleul este de circa 100.000 de ori mai mic decât atomul, dar are peste 99,9% din masă;
• numărul de protoni (numărul atomic) definește elementul chimic;
• izotopii au același număr de protoni și număr diferit de neutroni;
• protonul este format din doi quarci up și unul down;
• interacțiunea tare ține nucleul laolaltă, cea electromagnetică ține electronii.