Atom

Prvni predstavy o atomu pochazeji z antickeho Recka, ve kterem v 5. stoleti pr. n. l. Demokritos predstavil filozofickou teorii - atomismus, podle ktere nelze hmotu delit do nekonecna, nebot na nejnizsi urovni existuji dale nedelitelne castice, ktere oznacil slovem atomos (atomos). Podle teto teorie je veskera hmota slozena z ruzne usporadanych atomu ruzneho druhu, ktere jsou nedelitelne, pricemz je nelze vytvaret ani nicit. Navic se objevuje i myslenka existence prazdneho prostoru, kterym se mohou atomy pohybovat.^[1] Teorie byly podporeny autoritou zastancu, ne experimenty, proto se spise prosadila Aristotelem zastavane slozeni sveta ze ctyr esenci neboli elementu (zivlu) a pate kvintesence neboli vsevyplnujiciho eteru. A horror vacui, ,,strach z prazdna", tedy ze priroda nedovoli prazdny prostor.

Anticke predstavy a napr. alchymistickou predstavu transmutace kovu (vyrobu zlata) vyvratily az experimenty v novoveku. Torricelliho a Guerickeho pokusy prokazaly existenci vakua, take Newton dovozoval, ze pohyb vesmirnych teles se ridi zakony mechaniky a nejsou ovlivnovany prostredim, jako pohyby teles v atmosfere na Zemi.

Podminky k teorii atomu polozily zaklady chemie koncem 18. stoleti a nahrazeni mylne teorie elementu-zivlu, ktere jsou v podstate skupenstvim, teorii elementu-prvku. Lavoisier z experimentu odvodil, ze se pri chemickych reakci zachovava hmotnost, a z toho dale odvodil, ze hmota nevznika ani nezanika, jen meni sve slozeni. To dalo teoreticky zaklad k chemickemu rozkladu neboli analyze (recka predpona ana- a lysis ,,osvobozeni, odlouceni") sloucenin, tedy rozlozeni latek na dale nedelitelne elementy, cesky prvky, napriklad pyrolyza (pyros ,,ohen") vody ji pusobenim tepla rozlozi na vodik a kyslik. Proust vazenim prvku obsazenych ve slouceninach v roce 1797 dosel k zaveru, ze slouceniny obsahuji prvky v pevne danem pomeru.

John Dalton obdobnymi pokusy s prvky, ktere spolu tvori vice sloucenin, odvodil pravidlo, ze pomery prvku lze vyjadrit jako nasobky malych celych cisel. Tento jev roku 1808 vysvetlil teorii atomu, ze prvky jsou tvoreny stejnymi, velmi malymi casticemi a ve slouceninach jsou prvky zastoupeny pomernym mnozstvim svych atomu. Avogadro roku 1811 zavedl termin molekula pro volne castice tvorici plyn, ktere se skladaji z atomu daneho pomeru vzajemne k sobe silove vazanych. Berzelius roku 1813 pro pomer atomu zavedl dodnes uzivany vzorec, kde jsou zkratky latinskych nazvu prvku doplneny cislem udavajicim pocet atomu daneho prvku.

Atomova teorie 19. stoleti byl dodnes uzitecny model pro vysvetleni chemickych reakci, ale nebyla znama fyzikalni podstata samotnych atomu. Napr. nebyla znama hmotnost jednotlivych atomu, misto toho se uzivala relativni hmotnost, hmotnostni pomer atomu ruznych prvku. Bylo zjisteno, ze s rustem relativni hmotnosti atomu se periodicky opakuje napr. valence (schopnost tvorit vazby), ale nebylo znamo, ze je to rustem nukleonu a s tim spojenym menicim se poctem valencnich elektronu. Jeste na zacatku 20. stoleti tak atomy nebyly vseobecne prijimany jako fyzikalni realita, tedy ze hmota neni spojita (kontinuum) a ze je tvorena diskretnimi, prostorove oddelenymi casticemi.

Teorii o nedelitelnych atomech (presneji casticich, ktere atomy nazval Dalton) vsak v roce 1897 vyvratil J. J. Thomson, ktery pri studiu katodoveho zareni objevil elektron -- tedy prvni subatomarni castici. Na zaklade tohoto objevu vytvoril tzv. Thomsonuv model atomu (tez pudinkovy model), ktery predpokladal, ze atom je tvoren rovnomerne rozlozenou kladne nabitou hmotou, ve ktere jsou (jako rozinky v pudinku) rozptyleny zaporne nabite elektrony.

Thomsonuv model prekonal na zacatku 20. stoleti Ernest Rutherford, ktery analyzou experimentu Geigera a Marsdena dokazal, ze vetsina hmoty s kladnym nabojem je umistena ve velmi malem prostoru ve stredu atomu.^[2] To ho vedlo k Rutherfordove modelu, podle ktereho se atom sklada z kladne nabiteho hutneho jadra, kolem ktereho obihaji zaporne nabite elektrony obdobne jako planety obihaji Slunce (proto se tento model nazyva tez planetarni model atomu). Pozdeji take zjistil, ze jadro atomu vodiku je nejjednodussim jadrem, ktere je tvoreno jedinou castici, pricemz tato castice je obsazena take v jadrech ostatnich atomu. Tato castice se nazyva proton. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, ktery se v jadre nachazi spolu s protony.

Planetarni model vsak trpel mnoha zasadnimi nedostatky: napriklad podle vsech znamych zakonu by elektricky nabite teleso (elektron) obihajici po kruhove ci elipticke draze muselo vysilat elektromagneticke zareni, cimz by ztracelo energii a ve velmi kratkem case by se vsechny elektrony spiralovite zritily do atomovych jader.

Zasadni problemy Rutherfordova modelu prekonala az nova kvantova teorie, podle ktere je elektromagneticke zareni vysilano i pohlcovano po nedelitelnych mnozstvich, kvantech. V roce 1913 vytvoril Niels Bohr podle teto teorie Bohruv model atomu. Podle tohoto modelu obihaji elektrony atomove jadro jen na nekterych dovolenych kruhovych drahach, pricemz nemohou vyzarovat a spiralovite padat do jadra, protoze mezilehle drahy nejsou mozne a vyzarovani energie neni spojite, mohou pouze za urcitych podminek jednorazovymi zmenami ,,preskocit" z jedne energeticke hladiny do jine.

Bohruv model byl navrzen ad hoc, byl pomerne komplikovany, ale dokazal predpovedet nekolik dulezitych faktu o atomovych spektrech. V nekterych ohledech vsak stale selhaval (napr. vysvetleni stepeni spektralnich car). Bohruv model je stale zalozen na klasicke fyzice, na rozdil od planetarniho modelu vsak doplnil nektere postulaty, kterymi se pokusil odstranit rozpory planetarniho modelu. Jedna se tedy o soubor umele definovanych fenomenologickych tvrzeni, o kterem byl samotny Bohr presvedcen, ze nemuze byt konecnym vysvetlenim. Bohrovy postulaty vsak byly jednim z podstatnych podnetu, ktere iniciovaly vznik kvantove teorie -- noveho teoretickeho zakladu, ze ktereho postulaty prirozene vyplyvaji.

Arnold Sommerfeld doplnil Bohruv model o vybrane elipticke drahy obehu elektronu a pridal prislusne postulaty. Umoznil tak dilci vysvetleni pro rozstepeni nekterych spektralnich linii a nektere zmeny spekter v magnetickem poli.

Moderni kvantovemechanicky model atomu vznikl na zaklade de Broglieho teorie casticovych vln a nasledne Schrodingerovy prace, v niz predstavil tzv. Schrodingerovu rovnici, podle ktere elektron (stejne jako vsechny ostatni castice) neni popisovan jako hmotny bod, ale jako vlnova funkce definujici pravdepodobnosti vyskytu elektronu v ruznych mistech prostoru. Spolu s Heisenbergovymi relacemi neurcitosti to znamena, ze mechanisticke elipticke drahy Bohrova-Sommerfeldova modelu byly opusteny a nahrazeny neostre definovanymi oblastmi, ve kterych se elektron s urcitou pravdepodobnosti naleza, tzv. orbitaly.

Model zalozeny na Schrodingerove kvantove mechanice dokazal vysvetlit mnoho atomovych vlastnosti, ktere byly drivejsimi teoriemi nepredpoveditelne (napr. pravdepodobnosti prechodu a tedy intenzity spektralnich car). Nektere jevy v jemne strukture spekter se vsak pomoci neho vysvetlit nepodarilo.

K presnejsimu vystizeni vlastnosti atomoveho obalu je potreba relativisticka kvantova mechanika. Chovani elektronu tak lepe popisuje relativisticka Diracova rovnice, ze ktere prirozene vyplyvaji i korekce k Schrodingerovu modelu, majici puvod v relativisticke zmene hmotnosti a v interakci spinu elektronu (presneji jejich magnetickych poli) ve viceelektronovych atomovych obalech. Podobne Kleinova-Gordonova rovnice popisuje vlastnosti exotickych mezoatomu, jejichz atomovy obal je tvoreny mezony (zpravidla zaporne piony).

V atomovem jadre muze byt nukleon nahrazen hyperonem, zpravidla hyperonem L. Jedna se pak o atom s hyperjadrem.

Elektron v atomovem obalu muze byt nahrazen mionem (nebo lehcim zaporne nabitym mezonem, napr. pionem^[3]). Takovy atom se pak nazyva mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k vetsi hmotnosti je klasicky Bohruv polomer mioatomu mnohem mensi, mion je vazan tesneji a je vysoka pravdepodobnost zachytu mionu jadrem (obdoba zachytu elektronu u radioaktivni premeny beta). Atomove orbitaly mezoatomu se lisi nejen kvuli odlisne hmotnosti, ale take tim, ze k popisu kvantovemechanickeho chovani mezonu v obalu je nutno pouzit Kleinovu-Gordonovu rovnici (na rozdil od Diracovy rovnice pro elektron). Take jadro (proton u atomu lehkeho vodiku) muze byt take nahrazeno antimionem nebo kladne nabitym mezonem - v r. 2016 tak napr. byla prokazana existence exotickych atomu slozenych z pionu a kaonu (jak K⁺p^- tak p⁺K^-).^[4]

Nekdy byva za exoticky atom povazovano i tzv. pozitronium, vazana soustava pozitronu a elektronu, a mionium, nazev nesystematicky pouzivany jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve vsech techto pripadech kladne nabity antilepton nahrazuje klasicke atomove jadro.

Mohou existovat i vazane soustavy atomoveho jadra a antiprotonu, nahrazujiciho elektron v obalu. Takove soustavy se nazyvaji baryonove atomy. V r. 1991 bylo objeveno antiprotonove helium (atomove jadro helia s ,,obalem" tvorenym antiprotonem a elektronem), v r. 2006 pak byla prokazana produkce protonia cili antiprotonoveho vodiku, vazane soustavy protonu a antiprotonu.^[5] V pripade antiprotonoveho helia, jakehosi hybridu mezi atomem a molekulou, se pouziva tez nazev atomkule. Za relativni stabilitu dvou jeho konfiguraci muze koordinace kvantoveho chovani antiprotonu a elektronu v jeho obalu.^[6]

Vsechny exoticke atomy jsou nestabilni.

Vizualizaci makroskopickych objektu lze bezproblemove provest opticky, tedy pomoci viditelneho svetla. Tehdy lze proces vizualizace popsat nasledovne: Svetlo putuje ze zdroje zareni na objekt od nejz se odrazi (nebo je svetlo pohlceno a nasledne vyzareno) a pokracuje do mericiho pristroje, napr. mikroskopu. Makroskopicke objekty jsou diky sve hmotnosti ovlivneny svetelnym tokem pouze nepatrne a vliv mereni se zpravidla zanedbava.

Problem nastava u mikroskopickych objektu, jako jsou atomy, kde vliv mereni zanedbat nelze. Maximalni presnost mereni je dana principem neurcitosti, ${\displaystyle \triangle x\triangle p\geq \hbar /2}$. Vyplyva z nej, ze polohu atomu nemuzeme zmerit naprosto presne, takze obraz bude vzdy rozostren a toto omezeni nelze nijak obejit. Dale z nej vyplyva, ze cim mensi rozostreni ${\displaystyle \triangle x}$ chceme, tim vetsi hybnost svetlo musi mit. Protoze ale hovorime o rozostreni mensim nez velikost atomu, tedy v radu ${\displaystyle \triangle x\approx 10^{-10}\,{\mbox{m}}}$, tak hybnost fotonu musi byt v radu ${\displaystyle \triangle p\approx 10^{-24}\,{\mbox{kgms}}^{-1}}$, neboli minimalni frekvence pouzitelneho svetla je ${\displaystyle \nu \approx 10^{18}\,{\mbox{Hz}}}$. Nejvyssi frekvence viditelneho svetla je ale radu ${\displaystyle 10^{14}\,{\mbox{Hz}}}$ a tedy viditelnym svetlem neni mozne atomy pozorovat. Zpetny vypocet ukazuje, ze viditelnym svetlem je mozne pozorovat pouze objekty, ktere jsou alespon 10000krat vetsi nez je atom. Toto omezeni je platne pro vsechny opticke mikroskopy bez ohledu na jejich konstrukci.

Aby se daly atomy vizualizovat, je nutne misto viditelneho svetla pouzit neco jineho nebo pouzit uplne jiny zpusob vizualizace. Mezi zakladni zarizeni pro vizualizaci atomu patri:

• Elektronovy mikroskop - Namisto viditelneho svetla (fotonu) pouziva elektrony a namisto optickych cocek pouziva elektromagneticke cocky. Pouziti elektronu umoznuje kvantova mechanika, podle niz maji vsechny castice, a tedy i elektron, vlnovou povahu (korpuskularne-vlnovy dualismus). Vyhoda elektronoveho mikroskopu je jeho mnohostrannost.
• Radkovaci tunelovy mikroskop - Pro zobrazeni povrchu vyuziva tunelovy jev. Ostry hrot se pohybuje tesne nad povrchem zkoumaneho vzorku. Tunelovy jev umoznuje prechod proudu (elektronu) z povrchu na hrot i kdyz se hrot povrchu ,,nedotyka". Mikroskop v dane poloze hrotu ${\displaystyle [x,y,0]}$ z velikosti prochazejiciho proudu urci vzdalenost mezi hrotem a povrchem a tedy vysku povrchu (z-ovou souradnici). Na zaklade zmapovani vzdalenosti hrotu a povrchu v mnoha bodech roviny v niz se hrot pohybuje, vytvori mikroskop obraz reliefu zkoumaneho povrchu. Nevyhodou tunelovaciho mikroskopu je, ze se da pouzit pouze pro vizualizaci vodivych povrchu.
• AFM mikroskop - Pro zobrazeni povrchu vyuziva atomarnich sil atomu povrchu zkoumaneho vzorku. Ostry hrot pripevneny na ohebnem nosniku se pohybuje po povrchu vzorku. Atomarni sily povrchovych atomu pusobi na hrot a ohybaji nosnik. Mikroskop sledovanim ohybu nosniku v dane poloze ${\displaystyle [x,y]}$ urci polohu hrotu a tedy i vysku povrchu. K vizualizaci reliefu celeho povrchu je potreba hrotem zmapovat cely povrch. Vyhoda AFM je, ze se da pouzit i pro vizualizaci nevodivych povrchu.

S jednotlivymi atomy se poprve podarilo manipulovat v roce 1989 Donaldu Eiglerovi z IBM, ktery ze 35 atomu xenonu vytvoril napis ,,IBM". Pro manipulaci s atomy pouzil radkovaci tunelovy mikroskop pri velmi nizkych teplotach a v ultravysokem vakuu.

Manipulace s jednotlivymi atomy je velmi dulezita pro budouci rozvoj nanotechnologie, oboru, ktery na urovni atomu a molekul pomaha vytvaret materialy specialnich vlastnosti, napr. materialy s vysokou pevnosti.