TEMA BROJA

Pripremio: M. Rajković

ATOM
Ivan Aničin, redovni profesor nuklearne fizike Fizičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu
Od Demokrita do Fermija

Na početku priče o atomu behu starogrčki mislioci Leukip iz Eleje i Demokrit iz Abdere. Oni su prostim razmišljanjem zaključili da beskonačna nedeljivost ne može da funkcioniše, da iz nje ne možemo jednoznačno da reprodukujemo određene situacije, da objasnimo prelaz iz jednog u drugo agregatno stanje. Da bismo mogli da dobijemo jednu istu supstancu ili bilo koju drugu, mora da postoje, verovali su oni, neki konačni entiteti sa definisanim osobinama.

Ivan Aničin, redovni profesor nuklearne fizike Fizičkog fakulteta Univerziteta u Beogradu

Leukipova i Demokritova „atomska“ misao je gotovo duže od hiljadu i po godina mirovala, „ubijena“ praktično religioznim zabranama. U protivnom, zahtevala bi preispitivanje čina kreacije, sporenje sa biblijskom pričom o postanku sveta – kaže Ivan Aničin, profesor nuklearne fizike Fizičkog fakulteta u Beogradu.

Bilo je ljudi koji su, kao Ruđer Bošković, vrlo dosledno i dubokoumno razmišljali o atomskoj strukturi, što je ušlo u fundus znanja čovečanstva, ali ona nisu bila presudna za razvoj fizike atoma. Za to su zaslužni hemičari 19. veka, uključujući i Majka Faradeja, koji je bio laborant kod Dejvija, praktično amater.

- Faradejeva elektrohemijska merenja eksplicitno su ukazala na konačnost u naelektrisanjima, iz čega se kao pojava ispilio atomizam naelektrisanja, a zatim kinetička teorija gasova, Avogadrov broj, Dalton-Braunova hipoteza da su mase elemenata jednake umnošcima mase vodonika, gde se vodonik automatski pojavio kao kvant mase. Jedna struja naučnika je ovu hipotezu logički i eksperimentalno dalje razvijala. Na drugoj strani, njeni oponenti nikako nisu mogli da se pomire sa činjenicom da je materija zrnasta i diskretna. Bila je stalna ljuta borba između ta dva pristupa u strukturu materije.

Otkriće elektrona

Ernerst Raderford

Sve je brže počelo da se odmotva kada je Dž. Tomson, 1897. mereći naelektrisanje prema masi, definisao prvu elementarnu česticu - elektron. Fizičari su dostojno obeležili stogodišnjicu elektrona velikim simpozijumom u SANU, koji je rezultirao izdanjem šest debelih, supstancijalnih tomova o Tomsonovom otkriću. To je u svetskim razmerama zanimljiv izdavački poduhvat. Organizacija simpozijuma bila je delo pokojnog profesora Milana Kurepe.

Godinu dana pre elektrona otkrivena je radioaktivnost. Mendeljejev je već ranije otkrio periodni sistem elemenata. Sve veći broj naučnika učestvovao je u istraživanjima strukture materije.

Tomson je prvi formulisao sopstveni model atoma (tzv. „Tomsonov model“), Anglosaksonci ga zovu „šljiva u pudingu“, analogno našem kolaču sa suvim grožđem. Prema Tomsonovom modelu, elektroni su u masi pozitivnog naelektrisanja raspoređeni kao grožđice u kolaču. To je jedna homogena, pozitivno naelektrisana sfera, jer se pretpostavljalo da atom mora biti električno neutralan i da materija ne poseduje eksplicitnu osobinu naelektrisanosti dok se ne naruši ravnoteža pozitivnog i negativnog naelektrisanja. Niko još nije imao predstavu šta je to „masa pozitivnog naelektrisanja“ u kojoj su relativno pravilno raspoređeni negativni elektroni.

- Istorija otkrivanja strukture atoma ima zanimljivih epizoda - podseća naš sagovornik. - Maksvel koji je praktično formulisao kompletnu teoriju elektromagnetizma, perfektno, bezgrešno, jednu reč nije posvetio kvantovanju naelektrisanja. Za Maksvela je naelektrisanje kontinuirano promenljiva veličina. Elektrodinamika pretpostavlja da je naelektrisanje kontinuum. To je jedna tipična teorija kontinuuma. Sve to nije smetalo da na toj teoriji bude bazirana sva elektrotehnika i radio-tehnika. Zrnasta struktura u teoriji elektromagnetizma ne igra apsolutno nikakvu ulogu. Lorenc je, kasnije, formulisao teoriju elektrona u kojoj je modifikovao Maksvelovu elektrodinamiku na čestičnu strukturu naelektrisanja.

Presudna 1905.

U razvoju fizike atoma presudna je bila 1905. Ajnštajn je, kao u svim drugim oblastima u kojima je začeprkao, i ovoj dao preloman doprinos. Po pitanju atomske strukture, Ajanštajnov rad o Braunovom kretanju, jedan od njegovih pet epohalnih radova, imao je revolucionaran značaj. Sve „neverne Tome“, svi protivnici atomističke teorije su ovim Ajnštajnovim radom bili presaldumljeni.

Nils Bor

- Nisu imali kud dalje. U tom medijumu, koji je naizgled kontinuum, postoje centri u kojima čestice naglo skreću na nečemu što je tačno moglo da se izračuna i da se složi i sa hemijskim procenama iz atomskih težina. Sve je jednoznačno pokazalo da je to tako.Tada se antička hipoteza oživotvorila. To je dovelo do sadašnjeg prodora u strukturu materije. Prisećam se kako je Njutn pisao o elementarnim česticama. To su bili majstorski potezi čistoga uma. Isak Njutn je taj koji je definisao osobine onoga što mi danas zovemo elementarne čestice. Bez greške. Njutnu je bilo jasno da one moraju da postoje.

Godina 1911. je preloman trenutak u pravljenju realističnijeg modela atoma. Prvo je to učinio Ernest Raderford sa svojim rasejanjem alfa čestica na tankim folijama zlata. Alfa čestice iz prirodne radioaktivnosti, otkrivene 1896, kao prirodno spontano zračenje raznih radioaktivnih elemenata, kada prolazi kroz tanku foliju, primetio je Raderford, u jednom broju se vraćaju nazad.

- Ako imamo u vidu Tomsonov model atoma, alfa čestica bi kroz tu foliju trebalo da prođe kao kroz sir, bez mogućnosti da rikošetira - objašnjava prof. Aničin. - To je govorilo da cela masa atoma, dobro procenjena na osnovu Avogadrovog broja atomskih težina elemenata, mora de facto da bude koncentrisana u jako maloj zapremini. Ukupno pozitivno naelektrisanje mora tamo da stoji. Na tom pozitivnom naelektrisanju, budući je istoimeno naelektrisana, alfa čestica može da se odbije. Raderford je pretpostavio postojanje malog teškog jezgra pozitivnog naelektrisanja oko koga se roje lagani elektroni koji čine celinu atoma. Tako je ustanovio svoj model atoma.

Od iskazivanja Raderfordove hipoteze do Borove teorije prvog takvog modela proteklo je svega dve godine. Nils Bor je bio kod Raderforda, u Kembridžu, i pod njegovim rukovodstvom je radio druge stvari. Pošto je bio na izvoru tih ideja, u trenutku prosvetljenja došao je na pomisao da, u takvom sistemu naelektrisanja, elektroni neće emitovati elektromagnetsko zračenje dok se nalaze u stabilnim stanjima kretanja, nego samo kada prelaze iz jednog stanja u drugo. Bor je to mogao kvantitativno da reši i dobije energije elektromagnetnog zračenja koje se emituju u takvim prelazima između različitih dozvoljenih stanja kretanja. One su se egzaktno i praktično slagale sa eksperimentalnim vrednostima energija elektromagnetnog zračenja, odnosno fotona koji se pri tom emituju, ili sa talasnim dužinama, kako se elektromagnetno zračenje opisuje u klasičnoj talasnoj slici sa čestičnom slikom elektromagnetnog zračenja, koju je Anjnštajn formulisao u svojoj teoriji „fotoelektričnog efekta“.

Sve se lepo složilo, ali je Prvi svetski rat izazvao zastoj u istraživanjima i ništa se nije događalo do 1919, kada je opet Raderford pokazao da u jezgrima postoje protoni. Proton je druga elementarna čestica otkrivena posle elektrona. Bor nije imao pojma šta ima u jezgru atoma. Niko to nije znao pa ni on. Koliko god da se nešto nije znalo, to nije smetalo fizičarima da istražuju strukturu materije.

Zaključak da u jednom neutralnom atomu datog hemijskog elementa ima onoliko elektrona koliki je njegov redni broj u periodnom sistemu isto tako nije došao odoka. Zna se da je zlato 79 elemenat u periodnom sistemu. Međutim, Raderford iz svojih eksperimenata sa rasejanjem uopšte nije dobio da je naelektrisanje jezgra jednako 79 elementarnih pozitivnih naelektrisanja, već nešto sasvim drugo. To nikome tada nije smetalo. Tek posle Borovog modela atoma i raznih pravilnosti u spektrima zračenja, ukazuje profesor Aničin, izvanredno daroviti engleski fizičar Mozli (stradao u Prvom svetskom ratu, na Galipolju) doprineo je da se konačno shvati da broj elektrona datog atoma i broj protona u jezgru mora da budu isti a da je broj elektrona jednak rednom broju elementa u periodnom sistemu. Dakle, vodonik mora da ima jedan, helijum dva, litijum tri elektrona, i tako redom do urana. To je najjednostavnija moguća struktura.

Nova hipoteza

Raderfordovim otkrićem protona u reakcijama alfa zračenja sa nekim lakim jezgrima, iz čega se oslobađaju jezgra vodonika, nastala je protonsko-elektronska hipoteza jezgra pa i atoma. Tu hipotezu je formulisala 1921. Liza Majtner, koja je kasnije odigrala presudnu ulogu u tumačenju fisije (radila je kod Ota Hana, u Berlinu). Liza Majtner je pretpostavila: da bismo imali električno neutralni atom a da ima potrebnu masu u jezgru, mora postojati onoliko protona kolika je praktično masa datog atoma, jer je masa protona dve hiljade puta veća od mase elektrona, koji praktično ništa ne doprinosi masi. Celu masu atomu daje jezgro koje sadrži onoliko protona kolika je masa atoma. Masa atoma zlata treba da bude 197 jedinica koje odgovaraju masi jednog protona. Znači ima 197 protona. Redni broj zlata je 79, što znači da u omotaču mora da ima 79 elektrona, ali time ne dobijamo električno neutralni atom. To je navelo naučnike da razmišljaju da u jezgru mora da postoje čestice koje neutrališu višak protona. Te pretpostavljene čestice su u početku zvali nuklearni elektroni. Smatralo se da u jezgru postoji taman toliko elektrona koliko nedostaje da bi atom bio neutralan. Za zlato je to bilo 118.

Naučnici su bili na dobrom tragu da reše zagonetku. Iz pojave radioaktivnosti znalo se da se elektroni iz atoma emituju spontano, da je jedan od oblika radioaktivnosti beta raspad, da elektroni mogu da izađu kada su energetski uslovi pogodni. Tako je objašnjavana beta radioaktivnost. S druge strane, verovalo se, to je omogućavalo takvom jezgru da uopšte postoji iako nije bilo sasvim jasno kako. Budući da su svi protoni istoimeno naelektrisani, između njih u tako maloj zapremini vladaju užasne odbojne električne sile. Jezgro bi se prosto razletelo kada bi bilo sačinjeno samo od protona. Pri tom se priznaje da postoje samo električne sile. Bilo je dobro što između pozitivnog i negativnog naelektrisanja postoje privlačne sile jer bi takav protonsko-elektronski kompozit mogao da ima neku stabilnost. Odbojne sile bi se kompenzovale privlačnim i sve zajedno bi nekako, nije bilo jasno kako jer nije isti broj protona i elektrona, imalo neku nadu da funkcioniše.

Period između 1921. i 1930. godine je doba razvoja kvantne mehanike, najburnijeg razvoja teorije mikro-sveta, počevši od klasične kvantne mehanike, preko Dirakove narativističke kvantne mehanike, do kvantne elektrodinamike.

- Sve su te teorije o najsitnijoj strukturi materije napravljene na pogrešnoj slici o strukturi atoma. Potpuno pogrešnoj slici. I opet ništa nije smetalo - podseća profesor Aničin. - Čedvik tek 1932. godine otkriva neutron. Tek te godine je otkriveno da u jezgrima postoji čestica koja ima masu sličnu kao proton, ali nije naelektrisana. Sam taj momenat je bio apsolutno revolucionarni preokret.

Šta se stvarno desilo?

- Protonsko-elektronska hipoteza je zamenjena protonsko-neutronskom hipotezom o strukturi jezgra i koliko god to danas možda izgleda trivijalno u tom trenutku uopšte nije bilo jednostavno pretpostaviti. Verner Hajzenberg je bio jedan od prvih koji je novu hipotezu formulisao a drugi, Ivanjenko koji je objavljivao radove u nemačkim časopisima. Šta se pri tom eksplicitno priznavalo? Ostali su samo pozitivno naelektrisani protoni i njihovo električno odbijanje ničim više nije bilo kompenzovano. Moralo se pretpostaviti da, ako je jezgro stvarno sačinjeno od protona i neutrona, među njima vladaju neke sile o kojima fizičari do tada nisu ni sanjali da postoje. To se u prvo vreme zvalo nuklearna sila a kasnije jaka interakcija. Bila je to treća sila u prirodi do koje su naučnici došli, posle gravitacije i elektromagnetizma u Maksvelovoj formi. Njene osobine je postulirao Hajzenberg, a reagovali su i drugi naučnici.

Četvrta sila

Istovremeno, javio se problem porekla beta-zraka, odnosno elektrona koji se emituju iz jezgra jer ih sada više tamo nije bilo. Ako u jezgru nema elektrona, otkuda u njemu beta zraci? To je najgenijalnije rešio, svi se slažu, jedan od najboljih fizičara svih vremena, Enriko Fermi. Fermi je postulirao postojanje četvrte sile u prirodi, koju fizičari zovu slaba sila ili slaba interakcija. To se desilo 1934.

- Ta 1934, to prvi put i ja formulišem, je godina kada je u potpunosti upoznat i definsian atom. Kada je u potpunosti shvaćen. Ni dan-danas nismo makli dalje od te četiri interakcije. Fermi je formulisao teoriju beta-raspada koja je uvela novu silu odgovornu za pojavu beta-zraka iz jezgra. Taj proces predstavlja transformaciju jednog neutrona u proton i elektron, što ne narušava nijedan zakon održanja, ali zahteva novu silu koja bi je omogućavala. Po pitanju atomske strukture, fundamentalno ništa novo se od tada nije desilo. Sve sile koje učestvuju u izgradnji atoma, sve čestice koje čine atom, sklopljene su u zadovoljavajuću celinu.

Ako je atom srce materije, zaloga njene stabilnosti, zašto je čovek dirao u njenu zloćudnost? Najmoćnije države sveta imaju nepregledni arsenal atomskog, nuklearnog, biološkog i kakvog sve ne oružja za masovno uništenje?

- Najdrastičnije se ponaša jezgro, jer su u njemu veze energije najveće, i kao što samo ime kaže jake interakcije. Ako bilo šta hoćemo da promenimo, moramo da uložimo veliku energiju, jer se nuklearni sastav materije teško menja. Samo zbog toga jer su jezgra stabilna. To je velika sreća. Kada jednom rastavimo vodu na kiseonik i vodonik, i dalje ostaju jezgra vodonika i kiseonika. Možemo da jonizujemo sve elektrone, ostaće jezgra oko kojih će kasnije da se stvore isti kiseonik i vodonik kao što su i bili. Ta reprudicibilnost materije potiče od nuklearne stabilnosti, od te velike energije veze. S druge strane, oslobađena energija je isto tako velika.

Ima nekoliko fundamentalnih procesa u kojima se oslobađa ogromna energija. Svaki put kada zahvatimo jedan nukleon u jezgru, oslobodi se energija koja je, uslovno govoreći, milion puta veća od one kada se elektron veže za atom. Ako smo u stanju da jezgru dodamo jedan nukleon, oslobođama energiju koja je milion puta veća od čiste atomsko-molekulske energije, jer prelazimo između manje stabilnog u stabilnije jedinjenje. Nuklearna energija igra na toj jačini nuklearne sile. Mehanizmi za to su veliki i tražila se izvanredna oštroumnost da bi se sve eksploatisalo kako treba. Na razne načine, u raznim sferama. Jedan od bitnih ljudi za miroljubivu eksploataciju nuklearne energije opet je bio Fermi. On je na teorijskom planu otkrio i formulisao četvrtu silu u prirodi a u eksperimentalnom domenu napravio prvi nuklearni reaktor. Poslednji je univerzalni fizičar, vrhunski teoretičar i vrhunski eksperimentalista. Nikako da se rodi neko sličan njemu da sa tako obimnim materijalom izađe na kraj.

Manipulisanje jezgrima je najavilo nuklearno doba, izazvalo „hladni rat“. Kuda to dalje vodi: samouništenju?

- Možda je bolje da ne kažem šta mislim. Mirno bure baruta nikada nije ostalo neeksplodirano. To je neminovnost! Kad se negde nešto pojavi, nikada neće ostati neeksploatisano. Gubi svoj raison d'etre. Ako je u neki segment uloženo strašno mnogo novca, teško to možete ostaviti nerealizovano. Prva atomska bomba bačena je na Hirošimu potpuno nepotrebno. Samo zato što je to tada koštalo dve milijarde dolara, po današnjim cenama računanja 200 milijardi dolara. Ta bomba nije mogla ostati u nekom depou, morala je da bude bačena.

M. Rajković