Σεμινάρια Σύγχρονης Φυσικής«ΒΙΒΛΙΟΠΩΛΕΙΟ ΑΙΓΗΙΣ»

Ε.Χανιωτάκης,Φυσικός

Τι νομίζετε ότι είναι το άτομο;

Πως πιστεύετε ότι είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας;

Κάποιοι λένε ότι ο άνθρωπος είναι φτιαγμένος από «αστερόσκονη» . Σας φαίνεται «παιδικό» αυτό ή νομίζετε ότι έχει δόση αλήθειας μέσα του;

Γράψτε μία φράση στον πίνακα:

Κυκλώστε την κάθε λέξη της:

Σε κάθε λέξη κυκλώστε το κάθε γράμμα.

Τι βλέπουμε; Η μικρότερη μονάδα από την οποία θα φτιάξουμε μία φράση, ή μία λέξη, είναι το ένα γράμμα.

Έτσι και η ύλη γύρω μας: Η μικρότερη μονάδα από την οποία αποτελείται αν αρχίσω να την κόβω σε ολοένα και πιο μικρά κομμάτια είναι το άτομο!!

Οι κλίμακες της Ύλης: Από τι αποτελούμαστε τελικά;

https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0&t=480s

https://www.youtube.com/watch?v=xazQRcSCRaY

Δημόκριτος: (460 π.Χ – 370 π.Χ)

Μαζί με τον Λεύκιππο ανέπτυξαν την ατομική θεωρία: «Ο κόσμος αποτελείται από απειροελάχιστα τεμάχια Ύληςπου δεν μπορούν να κοπούν σε μικρότερα κομμάτια, τα άτομα.Τα άτομα είναι αιώνια, άφθαρτα, αδιάσπαστα και έχουν διάφορα σχήματα και μεγέθη. Ανάμεσά τους βρίσκεται ο κενός χώρος.Βρίσκονται σε διαρκή κίνηση και ενώνονται σε διάφορους συνδυασμούς για να φτιάξουν την ύλη που ξέρουμε.»

Τζών Ντάλτον: (1766 – 1844)

Σχεδόν 2000 χρόνια μεσολάβησαν από την εποχή του Δημόκριτου έως την επανεμφάνιση και την πειραματική διερεύνηση της έννοιας του ατόμου. Πολλοί Φιλόσοφοι και Επιστήμονες πίστευαν στην ύπαρξή του (Τ. Μπρούνο, Ρ.Μπόυλ, Μ. Λομονόσωφ κ.α)

Ήταν ο πρώτος που εφήρμοσε την ατομική θεωρία για την ανάλυσηπειραματικών δεδομένων: Από τον λόγο της μάζας του οξυγόνου με τη μάζα του υδρογόνου στο νερό (8:1) μπόρεσε να κατατάξει μερικά από τα στοιχεία ανάλογα με τις μάζες τους. Τα άτομα τα θεώρησε άφθαρτακαι ότι μεταφέρονται από ένωση σε ένωση κατά τις χημικές αντιδράσεις.

Ντιμίτρι Μεντελέγιεφ: (1834-1907)

Ο Μεντελέγιεφ ήταν ο πρώτος που μπόρεσε να φτιάξει έναν πίνακαστον οποίο κατένειμε τα στοιχεία (δηλαδή ίδια άτομα ενωμένα μαζί)ανάλογα με το βάρος τους: Τον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων

Tζ. Τόμσον :(1856-1940)

Ο Τζ. Τόμσον ήταν ο άνθρωπος που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Κατάλαβε ότι το ηλεκτρόνιο είναι μέρος τουατόμου. Όμως το ηλεκτρόνιο είναι αρνητικά φορτισμένο(-)ενώ το άτομο ουδέτερο. Άρα υπέθεσε ότι θα πρέπει ναυπάρχει και θετικό φορτίο (+) στο άτομο. Έτσι πρότεινε το μοντέλο του «σταφιδόψωμου»: Το άτομο είναι ένα «ψωμί» από θετικό φορτίοστο οποίο τα ηλεκτρόνια είναι τοποθετημένα πάνω του σαν τις «σταφίδες»

Έρνεστ Ράδερφορντ ( 1871-1937)Ο Έρνεστ Ράδερφορντ, ο πατέρας της σύγχρονης πυρηνικήςφυσικής ήταν ο άνθρωπος ο οποίος με το πείραμά του (1909) απέδειξε ότι το άτομο έχει πυρήνα και τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω του όπως οι πλανήτες γύρω από τον ήλιο.

Στο πείραμά του, έριξε σωμάτια –α από μία ραδιενεργή πηγήσε φύλλα χρυσού. Παρατήρησε προς μεγάλη του έκπληξη ότι αρκετά από αυτά χτυπούσαν στα φύλλα χρυσού και γυρνούσαν προς τα πίσω: Η αναλογία που έδωσε ήταν σαν να πυροβολούσε με περίστροφο μια χαρτοπετσέτα και η σφαίρα να χτυπούσε και να γυρνούσε προς τα πίσω.

Άτομο είναι το ελάχιστο σωματίδιο ύλης το οποίο συνδυάζεται με άλλα άτομα για να δημιουργήσει τις ουσίες που απαρτίζουν τον κόσμο μας. Είναι αδιαίρετο:Δεν μπορεί να κοπεί σε μικρότερα κομμάτια.

Αποτελείται από τον πυρήνα που βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω απ’ τον πυρήνα.

Πυρήνας: Αποτελείται από νετρόνια (nº): ουδέτερα φορτισμένα σωματίδια και πρωτόνια (p+): θετικά φορτισμένα σωματίδια

Ηλεκτρόνια (e-): Αρνητικά φορτισμένα σωματίδια

To άτομο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο: Άρα θα πρέπει να έχει τόσα αρνητικά (e-) φορτίαόσα και θετικά (p+).

Το άτομο έχει μέγεθος 1 εκατομμύριο φορές πιο μικρό από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας!!!

Ο πυρήνας είναι ακόμα μικρότερος!! Αν το άτομο είχε μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, ο πυρήνας θα ήταν σαν ένα βατόμουρο στο κέντρο του!

https://www.youtube.com/watch?v=yQP4UJhNn0I

• Πρόβλημα 1: Με βάση το πλανητικόμοντέλο του Ράδερφορντ,τα ηλεκτρόνια θα πρέπει να «καταρρέουν» στον πυρήνα σε χρόνους της τάξης του 10^-11 sec.Η ύλη δεν θα μπορούσε ποτένα είναι σταθερή

• Πρόβλημα 2: Επιταχυνόμενα κατά την περιστροφή τουςτα ηλεκτρόνια θα εξέπεμπαν ένα συνεχές φάσμα φωτός. Δεν παρατηρούμε αυτό. Αντιθέτως παρατηρούμε διακριτές φασματικές γραμμές.

Προβλήματα στο μοντέλο του Ράδερφορντ

Το φάσμα εκπομπής διαφόρων ατόμων είναι γραμμικό. Παράγουν φως αυστηρά καθορισμένων συχνοτήτωναντίθετα με τις προβλέψεις του μοντέλου του Ράδερφορντ.

Για να λύσει τα προβλήματα του ατόμουτου Rutherford, ο Βohr πρότεινε 2 ριζοσπαστικές λύσεις που έμελλαν νααλλάξουν την αντίληψή μας για το άτομο.

Νίλς Μπόρ (1885-1962)

Πρόβλημα 1: Η ύλη δεν θα μπορούσε ποτέ να είναι σταθερή με το μοντέλο του Ράδερφορντ

Ο Bohr έθεσε αξιωματικά ότι το άτομο ΔΕΝ υπακούει την κλασσική ηλεκτροδυναμική.Τα ηλεκτρόνια δεν καταρρέουν προς τον πυρήνα, αλλά ακολουθούν συγκεκριμένες σταθερές τροχιές γύρω από αυτόν. Αλλιώς, η τροχιά των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένη!

Σκεφτείτε τις συνέπειες ενός τέτοιου μοντέλου:Το ηλεκτρόνιο επιτρέπεται να πάρει μόνο συγκεκριμένες τιμές

ταχύτητας (στροφορμής) στο άτομο!!

Πρόβλημα 2: Τα άτομα εκπέμπουν και απορροφούν φως κατά διακριτό και όχι κατά συνεχή τρόπο! Ο Bohr χρησιμοποίησε τη θεωρία των Planck-Einstein με βάση την οποία το φως διαδίδεται σε «κυματοπακέτα», τα φωτόνια. Η ενέργεια των φωτονίων είναι ανάλογη της συχνότητάς τους:«..Όσο πιο ‘μπλέ’ τόσο πιο υψηλοενεργειακό »

Energy = h x frequency

Το ηλεκτρόνιο απορροφά ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με τη διαφορά ενέργειας ανάμεσα σε δύο επιτρεπόμενες τροχιές.Έτσι «διεγείρεται» και «μεταπηδά» σε μια τροχιάυψηλότερης ολικής ενέργειας.

Το ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε «διεγερμένη»τροχιά μετά από λίγο χρόνο αποδιεγείρεται εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Η διαφορά ενέργειας ανάμεσα στις τροχιές του ηλεκτρονίου ισούται με την ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου

Το άτομο μπορεί να απορροφήσει και να εκπέμψει φως συγκεκριμένης ενέργειας (άρα και συχνότητας)!

Σκεφτείτε: Παρ’ότι τα κύτταρα του σώματός μας αναπλάθονται κάθε ~10 χρόνια,τα άτομα που μας απαρτίζουν είναι αιώνια. τα άτομα που μας απαρτίζουν είναι αιώνια. Το υδρογόνο μέσα μας δημιουργήθηκε λίγο μετά την Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) που δημιούργησε το Σύμπαν,Το Άζωτο και το Οξυγόνο προέρχονται από τις διεργασίες στο εσωτερικό των άστρων,ενώ τα βαριά στοιχεία (Σίδηρος, Νικέλιο κ.α) δημιουργήθηκαν από αστρικές εκρήξεις!

Τα άτομα που φτιάχνουν το σώμα μας, αυτά που αναπνέουμε είναι τα ίδια που ανέπνεε ο Σωκράτης κι ο Πλάτωνας πριν από εμάς, τα ίδια που ανέπνεαν οι δεινόσαυροι και όλα αυτά παραμένουν τα ίδια από την Δημιουργία του Σύμπαντος!!

Η ύλη από την οποία εμείς οι άνθρωποι είμαστε φτιαγμένοι είναι στην πραγματικότητασυνδυασμός ατόμων. Τα πιο βασικά άτομα είναι τα παρακάτω: Υδρογόνο, Οξυγόνο, Άνθρακας, Άζωτο, Ασβέστιο, Φώσφορος

Σε αυτή τη διάλεξη μάθαμε για το άτομο: την εξέλιξη των ιδεών γύρω από αυτό από τον Δημόκριτο έως και τον Bohr.

Από τι αποτελείται το άτομο; Πόσο μεγάλο είναι; Πόσο βαρύ είναι;

Συζητήσαμε για το πώς η κλασσική φυσική αποτυγχάνει να εξηγήσει ακόμα και την ίδια την ύπαρξη του ατόμου. Η κβαντομηχανική και ο κυματοσωματιδιακός δυισμός του φωτός «έσωσαν» το άτομο δίνοντάς του μερικές περίεργες ιδιότητες:

Τα ηλεκτρόνια στο άτομο «τριγυρνάνε» σε κάτι περίεργες τροχιές, οι οποίες τέθηκαν αξιωματικά από τον Bohr. Στη συνέχεια θα μάθουμε την σύγχρονη εικόνα του ατόμου και θα εξηγήσουμε τι πραγματικά είναι αυτές οι περίεργες τροχιές.

Τελικά είμαστε αστερόσκονη..

https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0

https://www.youtube.com/watch?v=bZ6Hv_du2Zo

https://www.youtube.com/watch?v=rNf-A3m6HVo