tutkijankloppi pani fysiikan uusiksi...

Transkriptio

1 Cromalin-godk. Red sek.: Layouter: HB.: Prod.: Niels Bohrin atomimalli tutkijankloppi pani fysiikan uusiksi vuotta 1900-luvun alkuun asti maailmaa yritettiin selittää klassisen fysiikan laeilla. Sitten vuonna 1913 nuori fyysikonalku esitti atomimallin, joka mullisti koko tieteenalan ja teki maailmankaikkeudesta niin kaoottisen, että jopa Albert Einsteinia hirvitti. S yksyllä 19 Norjan yläpuolella lensi brittiläinen De Havilland Mosquito -pommikone. Kone oli matkalla Ruotsista Britanniaan mukanaan erikoislasti: Nobelin fysiikanpalkinnon saanut tanskalainen Niels Bohr. Hänet piti kiireesti saada pois Tanskan miehittäneiden saksalaisten ulottuvilta, sillä maailmankuulu tutkija oli valittu ryhmään, jonka piti kehittää Yhdysvalloille ydinpommi. Kaikki ei sujunut aivan suunnitelmien mukaan. Matkustaja oli pantu pommikuiluun, jonne oli ohjaamosta vain radioyhteys. Ohjaaja yritti toistuvasti Teksti: Helle ja Henrik Stub. Kuvitus: Claus Lunau Kvanttimekaniikka sai alkunsa tanskalaisen Niels Bohrin atomimallista. Hän oli mallin kehittäessään 28-vuotias. SPL/Scanpix kehottaa Bohria panemaan hengitysnaamarin kasvoilleen. Koska kone lensi korkealla vähähappisessa ilmassa, matkustaja saattoi pyörtyä tai jopa menettää henkensä ilman lisähappea. Yhteyttä ei saatu, mutta pian Mosquito pääsi laskeutumaan Skotlantiin. Ohjaaja riensi avaamaan pommiluukun nähdäkseen, oliko Bohr kunnossa. Huvittuneen oloinen matkustaja kertoi, että lentäjänlakki kuulokkeineen oli ollut liian pieni hänen isoon päähänsä, joten hän ei ollut kuullut ohjaajan ääntä. Hän kertoi myös, että välillä oli vähän hui-

2 ja siitä syntyivät dvd-soitin tietokone digikamera Print: lku Status: Er PDFet Layout:NB Red.sek:MKP aurinkokenno gps elektronimikroskooppi Magneettikuvaus mannut, mutta siitä ei kannattanut tehdä numeroa. Lentäjät huokaisivat helpotuksesta: tehtävä oli suoritettu ja yksi Euroopan tieteen huipuista oli saatu pelastettua saksalaisten käsistä. Kolmisenkymmentä vuotta aikaisemmin Niels Bohr oli kehittänyt teorian, joka oli mullistanut koko tieteenalan silloisen maailmankuvan. Newtonin maailmankaikkeus kävi kuin kello 1800-luvun loppu ja 1900-luvun alku olivat fysiikan kulta-aikaa. Keksinnöt ja tutkimustulokset täydensivät ja kyseenalaistivatkin vakiintuneita käsityksiä, jotka olivat vallinneet Isaac Newtonin ajoista lähtien. Newtonin päättelemät lait muun muassa painovoimasta ja kappaleiden liikkeestä olivat 1600-luvulla luoneet kuvan maailmankaikkeudesta, joka toimi ennustettavasti kuin kellon koneisto. Uudet havainnot osoittautuivat kuitenkin hankaliksi selitettäviksi pelkillä Newtonin laeilla löydettiin elektroni, ja 1905 Albert Einstein esitti vastaansanomattomat todisteet siitä, että kaikki aine muodostui atomeista. Tanskan kaltaisessa pienessä maassa tiedepiirit olivat suppeat ja rahoitus tiukassa. Nuoren Niels Bohrin oli haettava oppia ulkomailta. Lupaavin kohde oli Englanti, missä Ernest Rutherford tutki atomin rakennetta radioaktiivisilla hiukkasilla. Pommittaessaan kultakalvoa radioaktiivisesta Mutta, mutta... se, joka sanoo, että hän pystyy ajattelemaan kvantti teoriaa tuntematta huimausta, ei ole ymmärtänyt siitä yhtään mitään. Niels Bohr (Otto. R. Frischin 1979 kirjoittaman What Little I Remember -elämäkerran mukaan).

3 Cromalin-godk. Red sek.: Layouter: HB.: Prod.: Maa Tähtitaivas Maailmankaikkeus Demokritos 4 eaa. Thomson 1896 Rutherford SPL/Scanpix kaikki koostuu atomeista Kreikkalainen Demokritos esitti, että Maa ja tähdet ovat rakentuneet atomeista, jotka alun perin olivat ajelehtineet irrallaan maailmankaikkeudessa. Bohr pani elektronit radoilleen Ernest Rutherfordin malli osoitti, että elektronit kiertävät raskasta atomiydintä. Klassisen fysiikan opin mukaan elektronien olisi kuitenkin pitänyt lähettää sähkömagneettista säteilyä ja lopulta pudota ytimeen. Niels Bohrin atomimalli selitti, miksi näin ei tapahtunut. Claus Lunau & thinkstock 1. Elektroneilla on pysyvät kiertoradat. Bohr esitti, että ydintä kiertävät radat, joilla elektroni kulkee menettämättä energiaa. Kullakin radalla elektroni on tietyssä energiatilassa. Radat ovat kvantittuneet eli niiden energiatilalla voi olla vain tietty arvo. Bohr antoi radoille arvoiksi 1, 2, 3 ja niin edelleen. Mitä kauempana ytimestä rata on, sitä suurempi sen energiatila on. 3. voi hypätä radalta toiselle. Kun atomi on virittynyt, Bohrin mukaan elektroni on saanut lisäenergiaa, joka on saanut sen hyppäämään toiselle, energiatilaltaan korke - ammalle radalle. Tieteen Kuvalehti. 2/2013 Rata 2 Ulkoinen vaikutus Rata 1 4. Kun elekroni hyppää takaisin, vapautuu valoa. hakeutuu aina radalle, jonka energiatila on mahdollisimman alhainen. Kun ulkoinen vaikutus lakkaa, elektroni siirtyy takaisin alkuperäiselle radalleen. Siirtymä tapahtuu hyppäyksittäin radalta radalle. Joka hyppäyksellä vapautuu energiaa valokvanttina eli fotonina. Positiivinen varaus Atomi on kuin rusinapulla Brittiläisen Joseph Thomsonin atomimallissa positiivinen varaus on jakautunut tasaisesti mutta negatiiviset elektronit ovat kuin rusinat pullassa. 2. Ulkoinen vaikutus antaa atomille energiaa. Atomi imee energiaa esimerkiksi valosta. Silloin atomi Bohrin mukaan virittyy. Ydin Fotoni Ydin t kiertävät ydintä Brittifyysikko Ernest Rutherford kumosi Thomsonin mallin esittämällä, että atomissa on raskas ydin, jota elektronit kiertävät kuin planeetat Aurinkoa. radalta 6 radalle 2. radalta 5 radalle 2. radalta 4 radalle 2. radalta 3 radalle 2. BOHR Bohrin malli selittää vedyn spektriviivat. Eri atomit lähettävät valoa eri aallonpituuksilla, jotka näkyvät väreinä. Värit tulevat näkyviin, kun valo hajotetaan spektriksi eli kirjoksi sveitsiläinen Johann Balmer huomasi, että vedyn lähettämän valon spektrissä on nähtävissä neljän värisiä viivoja. Balmer ei osannut selittää, mistä Balmerin viivat, kuten niitä kutsutaan, syntyvät. Selitys saatiin Bohrin atomi mallista. Bohrin mukaan spektriviivat syntyvät, kun virittynyt vetyatomi palaa normaalitilaan eli sen elektroni hyppää radalle, jonka energiatila on alhaisempi.

4 aineesta säteilevillä alfahiukkasilla Rutherford havaitsi, että fyysikoiden kiinteänä aineena pitämä massa olikin enimmäkseen tyhjää täynnä. Lähes koko atomin massa oli kerääntynyt positiivisesti varautuneeseen atomiytimeen. Tähtitieteestä inspiroituneena Rutherford kuvitteli, että elektronit kiertävät ydintä radoillaan kuin planeetat Aurinkoa. Vieras paranteli isäntänsä teoriaa Rutherford julkaisi oman atomiteoriansa 1911, ja keväällä 1912 hän sai vieraakseen Bohrin, joka silloin oli 27-vuotias. Isäntä ja vieras olivat hyvin erilaisia. Bohrin perhe oli Kööpenhaminan hyvinvoivaa porvaristoa; Rutherford taas oli talonpoikaisperheestä. Bohr puhui mumisten, ja hänen oli vaikeaa ilmaista ajatuksiaan selkeästi; Rutherford oli ulospäin suuntautunut ja hän kokeili innokkaasti uusia asioita. Eroista huolimatta kaksikon yhteistyö oli läheistä, ja se jatkui monta vuotta. Bohr näki pian, että Rutherfordin teoriassa oli heikkoja kohtia. Jos sähköisesti varautunut hiukkanen, kuten elektroni, kiertäisi atomiydintä, se menettäisi nopeasti energiansa sähkömagneettisena säteilynä ja putoaisi ytimeen. Rutherfordin aurinkokunta-atomi luhistuisi sekunnin miljoonasosassa. Huhtikuussa 1913 Bohr otti rohkean askeleen ja totesi julkisesti, että klassisen fysiikan lait eivät päde atomin sisäisessä maailmassa. Fyysikonalku julkaisi ideansa kolmessa artikkelissa Philosophical Magazine -lehdessä. Hän esitti, että atomissa on stationaarisia eli pysyviä ratoja, joilla elektroni voi kiertää menettämättä energiaa. voi hypätä radalta toiselle. Jos se siirtyy ylemmältä radalta alemmalle, se menettää tietyn määrän energiaa, joka näkyy värillisenä valona. Mitään minun lausettani ei pidä ymmärtää väitteeksi vaan kysymykseksi. Niels Bohr varoittaessaan opiskelijoitaan ahdasmielisyydestä. Nimenomaan aineiden kemiallisiin reaktioihin liittyvä värillinen valo oli aiheuttanut tutkijoille harmaita hiuksia luvun alussa huomattiin, että kun esimerkiksi suolaa siroteltiin tuleen ja liekkiä katsottiin valoa taittavan prisman läpi, tuli näkyviin värillisiä raitoja, niin sanottuja spektriviivoja. Niiden syntyä ei osattu selittää klassisen fysiikan laeilla, mutta vihdoin Bohrin atomimalli tarjosi selityksen. Varmuus vaihtui todennäköisyyksiksi Spektriviivojen ongelman ratkaisu sai kollegat ottamaan Bohrin atomimallin vakavasti. Malli oli kuitenkin vasta ensimmäinen askel, osa kehkeytymässä olevaa suurempaa teoriaa. Teoria sai nimekseen kvanttimekaniikka, ja sitä kehiteltäessä kuluivat seuraavat kaksi vuosikymmentä. Kotona Tanskassa Bohrista tuli vuonna 1916 teoreettisen fysiikan professori. Hänen työhuoneensa oli aluksi teknisessä ammattikoulussa, koska Kööpenhaminan yliopistossa ei ollut fysiikan laitosta eikä edes laboratoriota. Niinpä Bohr perusti fysiikan laitoksen itse. Sen nimi oli alun perin Yliopiston teoreettisen fysiikan laitos, mutta nykyään sen virallinen nimi on Niels Bohr -instituutti. Laitos perustettiin 1921, ja se oli toiseen maailmansotaan asti maailman johtavia teoreettisen Print: lku Status: Er PDFet Layout:NB Red.sek:MKP Jumala ei heitä noppaa, kirjoitti Einstein. Hän ei sulattanut Bohrin ja kvanttimekaniikan ideoiden sisältämää ennakoimattomuutta. SPL/Scanpix 2/2013. Tieteen Kuvalehti

5 Cromalin-godk. Red sek.: Layouter: HB.: Prod.: Vuoden 4 tienoilla eaa. kreikkalainen Demokritos esitti teorian, jonka mukaan kaikki aine koostuu jakamattoman pienistä hiukkasista. Hän antoi niille nimen Atomos, jakamaton. Atomi kaikki aine asteroideista ihmiskehoon ja kirjahyllyyn koostuu alkuaineiden atomeista. Luonnossa esiintyviä alkuaineita on satakunta. aine Tieteen Kuvalehti. 2/2013 atomeja aine on hajotettu yhä pienempiin osiin Fyysikoiden maailmankuva perustuu yhä pääosin siihen, mitä Niels Bohr kollegoineen päätteli luvuilla. Esimerkiksi ymmärrys elektronien käyttäytymisestä ei juuri ole muuttunut kvanttimekaniikan alkuajoista. Nykytutkimus on keskittynyt etsimään alkeishiukkasia eli aineen ja maailmankaikkeuden pienimpiä rakennusosasia. fysiikan tutkimuskeskuksia. Sen johtajana toimi itseoikeutetusti Niels Bohr, joka keräsi ympärilleen alan lupaavia nuoria tutkijoita. Bohrin laitoksessa ajatukset virtasivat ja uusia ideoita saatettiin pohtia yömyöhään asti. Suuri osa kvanttimekaniikan ja siten modernin fysiikan perusteista luotiin 1920-luvun Kööpenhaminassa. Nimenomaan nuori tutkijapolvi oli tärkeä Bohrille, sillä varttuneemmat kollegat olivat kasvaneet kiinni Newtonin maailmankuvaan, jossa fysiikka asetti luonnolle selkeät säännöt. Vähitellen ilmeni, Atomiteorian nykytilaa kuvaa se, että emme pelkästään ole vakuuttuneita atomien olemassaolosta vaan uskomme myös tietävämme varsin tarkkaan sen, mistä atomit koostuvat. että maailma ei ollut niin yksinkertainen. Vuonna 1923 ranskalainen Louis de Broglie esitti ajatuksen, että elektroni voi käyttäytyä sekä hiukkasen että aallon tavoin. Sen myötä Bohrin atomimalli hyväksyttiin entistä laajemmin. Stationaariset radat voitiin selittää radoiksi, joilla elektroni voi muodostaa seisovan aallon. Seisova aalto ei etene, eikä se siksi voi menettää energiaa. Vuonna 1926 itävaltalainen Erwin Schrödinger esitteli oman aaltofunktionsa, josta tuli kvanttimekaniikan perusyhtälö. Moni oli toivonut, että se tekisi atomimallista ymmärrettävämmän myös Bohr Nobelin fysiikanpalkinnon kiitospuheessa Ydin Atomi ei ole jakamaton Joseph Thomson todisti, että atomi koostuu negatiivisesti varautuneista elektroneista. 14 vuotta myöhemmin Ernest Rutherford löysi atomiytimen. maallikoille, mutta toisin kävi. Bohrin atomimallin selkeiden kiertoratojen tilalle tulivat orbitaalit, joilla määritetään, missä kohtaa elektroni todennäköisimmin sijaitsee. Muuallakin ennen varmana pidetyn tiedon tilalle tuli todennäköisyyksiä. Fyysikot pystyivät vain laskemaan todennäköisyyden sille, että elektroni käyttäytyi tietyllä tavalla. Einstein ei niellyt Bohrin ideoita Kvanttiteoria ja todennäköisyys eivät olleet Albert Einsteinin mieleen. Vaikka Bohr ja Einstein arvostivat suuresti toisiaan, modernin fysiikan osalta heidän näkemyksensä eivät käyneet yksiin. Kokeet osoittivat, että elektronit todella käyttäytyivät välillä kuin hiukkaset ja välillä kuin aallot. Sitä paitsi niiden ominaisuudet vaihtelivat sen mukaan, miten niitä tarkkailtiin. Bohr hyväksyi tosiasiaksi sen, että elektronin käyttäytyminen riippui mittauslaitteista. Einstein ei moista sulattanut. Einstein kieltäytyi hyväksymästä ajatusta, että elektronin käyttäytymisen määräsi fyysikoiden tarkastelutapa. n täytyi olla joko aalto tai hiukkanen tai sitten jotain aivan muuta. Maailmankaikkeutta ei voinut ohjata sattumanvaraisuus. Einstein etsi selittäjäksi suurempaa rakennetta. Vuonna 1926 hän kirjoitti saksalaiselle kollegalleen Max Bornille: En usko, että Jumala heittää noppaa. Johtavien fyysikoiden ja kemistien tapaamisessa, niin sanotussa Solvay-konferenssissa, 1927 Einstein

6 ydin Protoni Neutroni Rutherford nimesi vuonna 1920 atomiytimen toisen hiukkasen Protoniksi brittiläinen James Chadwick todisti neutronin olemassaolon ja edisti siten osaltaan ydinpommin kehittämistä. arvosteli kovin sanoin Bohrin teoriaa. Hän haastoi tanskalaiskollegansa ajatuskokeisiin, joilla hän kyseenalaisti kvanttimekaniikan. Bohr vietti yönsä vasta väitteitä hiomalla ja saikin kumottua Einsteinin kritiikin käyttämällä perusteena muun muassa Einsteinin omaa suhteellisuusteoriaa. Ydinpommin tekijästä rauhanaktivistiksi Toisin kuin monet muut fysiikan huiput Niels Bohr jatkoi tuotteliasta tutkimustaan lähes koko elämänsä. Hän oli eturivissä ratkomassa aineen arvoituksia toiseen maailmansotaan asti. Bohr sai Nobelin fysiikan palkinnon työstään atomin rakenteen selvittämiseksi vuonna 1922, mutta vielä 1930-luvun lopullakin hän oli täysillä mukana atomitutkimuksessa. Vuonna 1936 Bohr keksi verrata atomiydintä nestepisaraan, joka alkaa värähdellä, kun siihen osuu hiukkanen. Hänen oivalluksensa edisti omalta osaltaan ymmärrystä atomiytimen halkeamisesta, mikä puolestaan loi perustan ydinpommin kehittämiselle. Paettuaan 19 Tanskasta Ruotsin kautta Britanniaan ja edelleen Yhdysvaltoihin Bohr osallistui Manhattan-tutkimusohjelmaan, jossa kehitettiin ydinpommia. Hänen osuutensa jäi kuitenkin vähäiseksi, sillä jo vuotta myöhemmin hän tuli katumapäälle ymmärrettyään, millainen tuhovoima aseella oli. Sodan päätyttyä Bohr pyrki monin tavoin varoittamaan maailmaa ydinaseiden vaaroista. Usein Bohrin sanat kaikuivat kuuroille korville. Winston Churchill ei sietänyt häntä, eivätkä hänen YK:ssa esittämänsä vetoomuksetkaan estäneet ydinasevarustelua. Hän sai kuitenkin järjestettyä ydinenergian rauhanomaista käyttöä edistävän Atoms for Peace -konferenssin Genevessä Hän sai myös palkinnon ydinaseiden vastaisesta toiminnastaan Bohr kuoli 77-vuotiaana vuonna Bohrin työ kantaa yhä hedelmää. Hänen ideoihinsa perustuu muun muassa sairaaloiden magneettikuvauslaite. Se luo elimistöön magneettikentän, johon solujen atomien protonit reagoivat. Kun magneettikenttä kumotaan, protonit palaavat normaalitilaan. Samalla niistä vapautuu energiaa säteilynä, jonka perusteella luodaan kuva elimistöstä. Ylös-kvarkki protoni Ylös-kvarkki Alas-kvarkki 1964 yhdysvaltalaiset Murray Gell-Mann ja George Zweig esittivät, että neutronit ja protonit koostuvat vielä pienemmistä osasista eli kvarkeista. Ensimmäiset saivat nimekseen ylös, alas ja outo. alkeishiukkanen Standardimallissa on kahdenlaisia alkeishiukkasia 1970-luvulla fyysikot päättelivät kolmen muunkin kvarkin olemassaolon. Niiden nimiksi tulivat lumo, huippu ja pohja. Samalla alettiin kehittää standardimallia, jolla pyritään kuvaamaan kaikkien luonnonlakien yhteisvaikutus. Fermionit: Alkeishiukkasia, joista tavallinen aine koostuu. Fermioneja ovat kvarkit (ylös, alas, lumo, outo, huippu, pohja) ja niiden antihiukkaset sekä leptonit (elektroni, myoni, tau, elektronin neutriino, myonin neutriino, taun neutriino) ja niiden antihiukkaset. Bosonit: Voimaa välittäviä alkeishiukkasia, jotka määräävät, miten aine käyttäytyy. Bosoneita ovat fotonit, W-bosonit, Z-bosonit, gluonit, Higgsin hiukkaset ja gravi tonit (joiden olemassaoloa tosin ei vielä ole todistettu). Säieteorian mukaan muut alkeishiukkaset ovat avoimia säikeitä, mutta painovoimaa välittävä gravitoni on suljettu säie. Säikeet täydentäisivät mallin Standardimallissa riittää yhä työsarkaa fyysikoille. Malli käsittää neljä perusluonnonvoimaa: vahvan vuorovaikutuksen, heikon vuorovaikutuksen, sähkömagnetismin ja gravitaation eli painovoiman. Kolme ensimmäistä on saatu sovitettua standardimalliin, mutta gravitaatio tuottaa ongelmia, sillä sitä välittävää hiukkasta ei ole havaittu. Avuksi on otettu säieteoria. Sen mukaan alkeishiukkaset eivät olekaan pistemäisiä vaan säikeitä, jotka voivat värähdellä jopa 11 ulottuvuudessa. Säie teoria laajentaisi standardimallin niin sanotuksi kaiken teoriaksi. 2/2013. Tieteen Kuvalehti Print: lku Status: Er PDFet Layout:NB Red.sek:MKP