Atom

Teorii o nedělitelných atomech (přesněji částicích, které atomy nazval Dalton) však v roce 1897 vyvrátil J. J. Thomson, který při studiu katodového záření objevil elektron — tedy první subatomární částici. Na základě tohoto objevu vytvořil tzv. Thomsonův model atomu (též pudinkový model), který předpokládal, že atom je tvořen rovnoměrně rozloženou kladně nabitou hmotou, ve které jsou (jako rozinky v pudinku) rozptýleny záporně nabité elektrony.

Thomsonův model překonal na začátku 20. století Ernest Rutherford, který analýzou experimentů Geigera a Marsdena dokázal, že většina hmoty s kladným nábojem je umístěna ve velmi malém prostoru ve středu atomu.[2] To ho vedlo k Rutherfordově modelu, podle kterého se atom skládá z kladně nabitého hutného jádra, kolem kterého obíhají záporně nabité elektrony obdobně jako planety obíhají Slunce (proto se tento model nazývá též planetární model atomu). Později také zjistil, že jádro atomu vodíku je nejjednodušším jádrem, které je tvořeno jedinou částicí, přičemž tato částice je obsažena také v jádrech ostatních atomů. Tato částice se nazývá proton. V roce 1932 pak James Chadwick objevil neutron, který se v jádře nachází spolu s protony.

Planetární model však trpěl mnoha zásadními nedostatky: například podle všech známých zákonů by elektricky nabité těleso (elektron) obíhající po kruhové či eliptické dráze muselo vysílat elektromagnetické záření, čímž by ztrácelo energii a ve velmi krátkém čase by se všechny elektrony spirálovitě zřítily do atomových jader.

Bohrův model atomu

Zásadní problémy Rutherfordova modelu překonala až nová kvantová teorie, podle které je elektromagnetické záření vysíláno i pohlcováno po nedělitelných množstvích, kvantech. V roce 1913 vytvořil Niels Bohr podle této teorie Bohrův model atomu. Podle tohoto modelu obíhají elektrony atomové jádro jen na některých dovolených kruhových drahách, přičemž nemohou vyzařovat a spirálovitě padat do jádra, protože mezilehlé dráhy nejsou možné a vyzařování energie není spojité, mohou pouze za určitých podmínek jednorázovými změnami „přeskočit“ z jedné energetické hladiny do jiné.

Bohrův model byl navržen ad hoc, byl poměrně komplikovaný, ale dokázal předpovědět několik důležitých faktů o atomových spektrech. V některých ohledech však stále selhával (např. vysvětlení štěpení spektrálních čar). Bohrův model je stále založen na klasické fyzice, na rozdíl od planetárního modelu však doplnil některé postuláty, kterými se pokusil odstranit rozpory planetárního modelu. Jedná se tedy o soubor uměle definovaných fenomenologických tvrzení, o kterém byl samotný Bohr přesvědčen, že nemůže být konečným vysvětlením. Bohrovy postuláty však byly jedním z podstatných podnětů, které iniciovaly vznik kvantové teorie — nového teoretického základu, ze kterého postuláty přirozeně vyplývají.

Arnold Sommerfeld doplnil Bohrův model o vybrané eliptické dráhy oběhu elektronů a přidal příslušné postuláty. Umožnil tak dílčí vysvětlení pro rozštěpení některých spektrálních linií a některé změny spekter v magnetickém poli.

Moderní kvantověmechanický model atomu vznikl na základě de Broglieho teorie částicových vln a následné Schrödingerovy práce, v níž představil tzv. Schrödingerovu rovnici, podle které elektron (stejně jako všechny ostatní částice) není popisován jako hmotný bod, ale jako vlnová funkce definující pravděpodobnosti výskytu elektronu v různých místech prostoru. Spolu s Heisenbergovými relacemi neurčitosti to znamená, že mechanistické eliptické dráhy Bohrova-Sommerfeldova modelu byly opuštěny a nahrazeny neostře definovanými oblastmi, ve kterých se elektron s určitou pravděpodobností nalézá, tzv. orbitaly.

Model založený na Schrödingerově kvantové mechanice dokázal vysvětlit mnoho atomových vlastností, které byly dřívějšími teoriemi nepředpověditelné (např. pravděpodobnosti přechodů a tedy intenzity spektrálních čar). Některé jevy v jemné struktuře spekter se však pomocí něho vysvětlit nepodařilo.

K přesnějšímu vystižení vlastností atomového obalu je potřeba relativistická kvantová mechanika. Chování elektronů tak lépe popisuje relativistická Diracova rovnice, ze které přirozeně vyplývají i korekce k Schrödingerovu modelu, mající původ v relativistické změně hmotnosti a v interakci spinů elektronů (přesněji jejich magnetických polí) ve víceelektronových atomových obalech. Podobně Kleinova–Gordonova rovnice popisuje vlastnosti exotických mezoatomů, jejichž atomový obal je tvořený mezony (zpravidla záporné piony).

V atomovém jádře může být nukleon nahrazen hyperonem, zpravidla hyperonem Λ. Jedná se pak o atom s hyperjádrem.

Elektron v atomovém obalu může být nahrazen mionem (nebo lehčím záporně nabitým mezonem, např. pionem[3]). Takový atom se pak nazývá mioatomem (resp. mezoatomem). Vzhledem k větší hmotnosti je klasický Bohrův poloměr mioatomu mnohem menší, mion je vázán těsněji a je vysoká pravděpodobnost záchytu mionu jádrem (obdoba záchytu elektronu u radioaktivní přeměny beta). Atomové orbitaly mezoatomů se liší nejen kvůli odlišné hmotnosti, ale také tím, že k popisu kvantověmechanického chování mezonu v obalu je nutno použít Kleinovu–Gordonovu rovnici (na rozdíl od Diracovy rovnice pro elektron). Také jádro (proton u atomu lehkého vodíku) může být také nahrazeno antimionem nebo kladně nabitým mezonem – v r. 2016 tak např. byla prokázána existence exotických atomů složených z pionu a kaonu (jak K⁺π⁻ tak π⁺K⁻).[4]

Někdy bývá za exotický atom považováno i tzv. pozitronium, vázaná soustava pozitronu a elektronu, a mionium, název nesystematicky používaný jak pro soustavu antimionu a elektronu, tak antimionu a mionu. Ve všech těchto případech kladně nabitý antilepton nahrazuje klasické atomové jádro.

Mohou existovat i vázané soustavy atomového jádra a antiprotonu, nahrazujícího elektron v obalu. Takové soustavy se nazývají baryonové atomy. V r. 1991 bylo objeveno antiprotonové hélium (atomové jádro hélia s "obalem" tvořeným antiprotonem a elektronem), v r. 2006 pak byla prokázána produkce protonia čili antiprotonového vodíku, vázané soustavy protonu a antiprotonu.[5] V případě antiprotonového hélia, jakéhosi hybridu mezi atomem a molekulou, se používá též název atomkule. Za relativní stabilitu dvou jeho konfigurací může koordinace kvantového chování antiprotonu a elektronu v jeho obalu.[6]

Všechny exotické atomy jsou nestabilní.

Vizualizaci makroskopických objektů lze bezproblémově provést opticky, tedy pomocí viditelného světla. Tehdy lze proces vizualizace popsat následovně: Světlo putuje ze zdroje záření na objekt od nějž se odrazí (nebo je světlo pohlceno a následně vyzářeno) a pokračuje do měřícího přístroje, např. mikroskopu. Makroskopické objekty jsou díky své hmotnosti ovlivněny světelným tokem pouze nepatrně a vliv měření se zpravidla zanedbává.

Problém nastává u mikroskopických objektů, jako jsou atomy, kde vliv měření zanedbat nelze. Maximální přesnost měření je dána principem neurčitosti, ${\displaystyle \triangle x\triangle p\geq \hbar /2}$. Vyplývá z něj, že polohu atomu nemůžeme změřit naprosto přesně, takže obraz bude vždy rozostřen a toto omezení nelze nijak obejít. Dále z něj vyplývá, že čím menší rozostření ${\displaystyle \triangle x}$ chceme, tím větší hybnost světlo musí mít. Protože ale hovoříme o rozostření menším než velikost atomu, tedy v řádu ${\displaystyle \triangle x\approx 10^{-10}\,{\mbox{m}}}$, tak hybnost fotonů musí být v řádu ${\displaystyle \triangle p\approx 10^{-24}\,{\mbox{kgms}}^{-1}}$, neboli minimální frekvence použitelného světla je ${\displaystyle \nu \approx 10^{18}\,{\mbox{Hz}}}$. Nejvyšší frekvence viditelného světla je ale řádu ${\displaystyle 10^{14}\,{\mbox{Hz}}}$ a tedy viditelným světlem není možné atomy pozorovat. Zpětný výpočet ukazuje, že viditelným světlem je možné pozorovat pouze objekty, které jsou alespoň 10000krát větší než je atom. Toto omezení je platné pro všechny optické mikroskopy bez ohledu na jejich konstrukci.

Aby se daly atomy vizualizovat, je nutné místo viditelného světla použít něco jiného nebo použít úplně jiný způsob vizualizace. Mezi základní zařízení pro vizualizaci atomů patří:

• Elektronový mikroskop – Namísto viditelného světla (fotonů) používá elektrony a namísto optických čoček používá elektromagnetické čočky. Použití elektronů umožňuje kvantová mechanika, podle níž mají všechny částice, a tedy i elektron, vlnovou povahu (korpuskulárně-vlnový dualismus). Výhoda elektronového mikroskopu je jeho mnohostrannost.
• Řádkovací tunelový mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívá tunelový jev. Ostrý hrot se pohybuje těsně nad povrchem zkoumaného vzorku. Tunelový jev umožňuje přechod proudu (elektronů) z povrchu na hrot i když se hrot povrchu "nedotýká". Mikroskop v dané poloze hrotu ${\displaystyle [x,y,0]}$ z velikosti procházejícího proudu určí vzdálenost mezi hrotem a povrchem a tedy výšku povrchu (z-ovou souřadnici). Na základě zmapování vzdáleností hrotu a povrchu v mnoha bodech roviny v níž se hrot pohybuje, vytvoří mikroskop obraz reliéfu zkoumaného povrchu. Nevýhodou tunelovacího mikroskopu je, že se dá použít pouze pro vizualizaci vodivých povrchů.
• AFM mikroskop – Pro zobrazení povrchu využívá atomárních sil atomů povrchu zkoumaného vzorku. Ostrý hrot připevněný na ohebném nosníku se pohybuje po povrchu vzorku. Atomární síly povrchových atomů působí na hrot a ohýbají nosník. Mikroskop sledováním ohybu nosníku v dané poloze ${\displaystyle [x,y]}$ určí polohu hrotu a tedy i výšku povrchu. K vizualizaci reliéfu celého povrchu je potřeba hrotem zmapovat celý povrch. Výhoda AFM je, že se dá použít i pro vizualizaci nevodivých povrchů.

S jednotlivými atomy se poprvé podařilo manipulovat v roce 1989 Donaldu Eiglerovi z IBM, který ze 35 atomů xenonu vytvořil nápis „IBM“. Pro manipulaci s atomy použil řádkovací tunelový mikroskop při velmi nízkých teplotách a v ultravysokém vakuu.

Manipulace s jednotlivými atomy je velmi důležitá pro budoucí rozvoj nanotechnologie, oboru, který na úrovni atomů a molekul pomáhá vytvářet materiály speciálních vlastností, např. materiály s vysokou pevností.