სიტყვა "ატომი" ძველი ბერძნული სიტყვიდან (Atomos) მოდის და "განუყოფელს" ნიშნავს. იდეაც სწორედ ასეთი იყო: თუ მატერიას სულ უფრო პატარა ნაწილებად დავყოფთ, საბოლოოდ უნდა მივაღწიოთ ნაწილაკს, რომლის დაყოფაც აღარ შეიძლება.

წაიკითხეთ: ატომის 2500-წლიანი ისტორია — დემოკრიტედან თანამედროვე ფიზიკამდე

ეს იდეა ჯერ კიდევ ძველ საბერძნეთში გაჩნდა, თუმცა მეცნიერების ნაწილად ატომი ბევრად გვიან, მეცხრამეტე საუკუნეში იქცა. ატომური თეორია კარგად ხსნიდა, რატომ ერთდებოდა სხვადასხვა ნივთიერება ერთმანეთთან გარკვეული თანაფარდობით და რატომ განსხვავდებოდა ერთი ქიმიური ელემენტი მეორისგან.

მიუხედავად ამისა, ერთი მნიშვნელოვანი კითხვა მაინც რჩებოდა — მართლა იყო ატომი მატერიის ყველაზე პატარა და განუყოფელი ნაწილი?!

მეცხრამეტე საუკუნის ბოლოს ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ არა!

პირველი ნაწილაკი ატომის შიგნით

იმ პერიოდში მეცნიერები ხშირად იყენებდნენ მინის მილებს, რომლებიდანაც ჰაერის თითქმის მთლიანად ამოტუმბვა შეიძლებოდა. თუ ასეთ მილში მოთავსებულ ორ ელექტროდს შორის მაღალ ძაბვას შექმნიდნენ, წარმოიქმნებოდა უცნაური სხივი, რომელიც უარყოფითი ელექტროდიდან (კათოდიდან) მოდიოდა. ამიტომ მას "კათოდურ სხივს" უწოდებდნენ.

მეცნიერებმა თავიდან არ იცოდნენ, რას წარმოადგენდა ეს სხივი. ზოგი ფიქრობდა, რომ ის სინათლის მსგავსი მოვლენა იყო, ზოგი კი ვარაუდობდა, რომ მოძრავ ნაწილაკებთან ჰქონდათ საქმე.

1897 წელს ბრიტანელმა ფიზიკოსმა ჯოზეფ ჯონ ტომსონმა კათოდური სხივების ქცევა შეისწავლა. მან აჩვენა, რომ ეს სხივები უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკებისგან შედგებოდა... მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი სხვა რამ იყო.

ტომსონის ექსპერიმენტებიდან ჩანდა, რომ ამ ნაწილაკების მასა ატომის მასასთან შედარებით ძალიან მცირე იყო. თანაც მნიშვნელობა არ ჰქონდა, რა ნივთიერებას იყენებდა მეცნიერი ექსპერიმენტში, შედეგი მაინც იგივე იყო.

ეს მიანიშნებდა, რომ აღმოჩენილი ნაწილაკი რომელიმე კონკრეტული ნივთიერების თავისებურება არ იყო. ის სხვადასხვა ატომის საერთო შემადგენელი ნაწილი უნდა ყოფილიყო. ამ ნაწილაკს ელექტრონი უწოდეს.

აღმოჩენა ატომის შესახებ წარმოდგენას ძირეულად ცვლიდა. თუ ატომის შიგნით მასზე პატარა ნაწილაკი არსებობდა, მაშინ ატომი "განუყოფელი" ვეღარ იქნებოდა.

და მაინც, თუ ატომს შიდა სტრუქტურა ჰქონდა, როგორი იყო ის?

რა იყო ატომის შიგნით?

ტომსონმა ატომის ერთ-ერთი პირველი მოდელი შემოგვთავაზა. მისი წარმოდგენით, ატომის დადებითი მუხტი მთელ მის მოცულობაში იყო განაწილებული, მასში კი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები იყო მოთავსებული.

ამ მოდელს მოგვიანებით "ქიშმიშიანი პუდინგის მოდელი" უწოდეს: დადებითად დამუხტული ნაწილი პუდინგს ჰგავდა, ელექტრონები კი მასში გაფანტულ ქიშმიშებს.

იმ დროისთვის ეს საკმაოდ გონივრული ახსნა იყო. მეცნიერებმა უკვე იცოდნენ, რომ ელექტრონი უარყოფითად იყო დამუხტული, ატომი კი მთლიანობაში ელექტრულად ნეიტრალური იყო. შესაბამისად, სადღაც მასში დადებითი მუხტიც უნდა ყოფილიყო.

მალე აღმოჩნდა, რომ ეს მუხტი ატომში თანაბრად საერთოდ არ იყო განაწილებული. მეოცე საუკუნის დასაწყისში ერნესტ რეზერფორდის ხელმძღვანელობით ჰანს გეიგერმა და ერნესტ მარსდენმა ექსპერიმენტები ჩაატარეს, რომლებმაც ატომის სურათი მთლიანად შეცვალა.

მეცნიერები ძალიან თხელ ოქროს ფირფიტას ალფა ნაწილაკებს ესროდნენ. ეს დადებითად დამუხტული ნაწილაკები იყო და მკვლევრებს შეეძლოთ დაენახათ, როგორ იცვლებოდა მათი მოძრაობის მიმართულება ოქროს ფირფიტის გავლისას.

თუ ტომსონის მოდელი სწორი იყო და დადებითი მუხტი მთელ ატომში იყო გაფანტული, ალფა ნაწილაკებს ოქროს ფირფიტაში თითქმის პირდაპირ უნდა გაევლო. უმეტესობა მართლაც ასე იქცეოდა.

მეორე მხრივ, ზოგი ნაწილაკი მიმართულებას მკვეთრად იცვლიდა. ძალიან მცირე ნაწილი კი თითქმის უკან ბრუნდებოდა. ეს მოულოდნელი შედეგი იყო.

რეზერფორდმა დაასკვნა, რომ ატომის დადებითი მუხტი მთელ მის მოცულობაში არ უნდა ყოფილიყო განაწილებული. პირიქით, ის თავმოყრილი უნდა ყოფილიყო ცენტრში მდებარე ძალიან პატარა არეში.

ამ ნაწილს ატომის ბირთვი ეწოდა! აღმოჩნდა, რომ ატომის ზომასთან შედარებით ბირთვი უკიდურესად პატარაა, თუმცა ატომის მასის თითქმის მთელი ნაწილი სწორედ მასშია თავმოყრილი.

ეს იმასაც ნიშნავდა, რომ ატომის მოცულობის უდიდესი ნაწილი ცარიელი სივრცეა.

ამ აღმოჩენამ კიდევ ერთი კითხვა გააჩინა: რისგან შედგებოდა თავად ბირთვი?

პროტონი და დაკარგული მასა

რეზერფორდის შემდგომმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ატომის ბირთვში დადებითად დამუხტული ნაწილაკები არსებობდა. მათ პროტონები ეწოდა.

შეიძლებოდა გვეფიქრა, რომ სურათი უკვე გასაგები იყო: ატომის ცენტრში დადებითად დამუხტული პროტონები იყო თავმოყრილი, მათ გარეთ კი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები.

და მაინც, პრობლემა კვლავ არსებობდა!

ატომური ბირთვების მასა მხოლოდ მათში არსებული პროტონებით ვერ აიხსნებოდა. მაგალითად, ჰელიუმის ბირთვს ორი ერთეული დადებითი მუხტი აქვს, რაც ორი პროტონის არსებობას შეესაბამება, მაგრამ მისი მასა დაახლოებით ოთხჯერ აღემატება წყალბადის ბირთვის მასას.

ბირთვში რაღაც კიდევ უნდა ყოფილიყო! თანაც ეს "რაღაც" ელექტრულად ნეიტრალური უნდა ყოფილიყო, რადგან დამატებით დადებით მუხტს მეცნიერები ვერ ხედავდნენ.

პასუხი 1932 წელს ბრიტანელმა ფიზიკოსმა ჯეიმზ ჩედვიკმა იპოვა. ჩედვიკი ექსპერიმენტებს ატარებდა გამოსხივებაზე, რომელიც ბერილიუმის ალფა ნაწილაკებით დაბომბვისას წარმოიქმნებოდა. თავდაპირველად მეცნიერების ნაწილი ფიქრობდა, რომ საქმე ძალიან ენერგიულ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებასთან ჰქონდა.

ჩედვიკის ექსპერიმენტებმა კი აჩვენა, რომ ეს ახსნა არ მუშაობდა. საქმე ახალ ნაწილაკთან გვქონდა! მას დაახლოებით პროტონის ტოლი მასა ჰქონდა, მაგრამ ელექტრული მუხტი არ გააჩნდა. ეს იყო ნეიტრონი.

ატომის სურათი კიდევ ერთხელ შეიცვალა... ახლა უკვე იცოდნენ, რომ ატომის ცენტრში მდებარე ბირთვი პროტონებისა და ნეიტრონებისგან შედგებოდა, ატომის დანარჩენ ნაწილში კი ელექტრონები გვხვდებოდა.

შეიძლებოდა გვეფიქრა, რომ მატერიის ყველაზე პატარა ნაწილაკებს ბოლოს და ბოლოს მივაგენით, თუმცა ეს წარმოდგენაც მცდარი აღმოჩნდა...

პროტონისა და ნეიტრონის შიგნით

მეოცე საუკუნის შუა წლებში ნაწილაკების ფიზიკა სწრაფად ვითარდებოდა. ახალი ექსპერიმენტების შედეგად მეცნიერებმა სულ უფრო მეტი უცნობი ნაწილაკი აღმოაჩინეს. მათი რაოდენობა იმდენად გაიზარდა, რომ გაჩნდა კითხვა: ნუთუ ბუნებას მართლაც ამდენი ერთმანეთისგან დამოუკიდებელი ელემენტარული ნაწილაკი სჭირდებოდა?

მეტიც, შესაძლოა, მათი ნაწილი თავადაც რაღაც უფრო მარტივისგან შედგებოდა.

1964 წელს ფიზიკოსებმა მიურეი გელ-მანმა და ჯორჯ ცვაიგმა ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად გამოთქვეს იდეა, რომ იმ დროისთვის ცნობილი ნაწილაკების ნაწილის ახსნა უფრო მცირე შემადგენელი ნაწილებით შეიძლებოდა.

გელ-მანმა მათ "კვარკები" უწოდა. თავდაპირველად კვარკები უფრო თეორიული იდეა იყო, მაგრამ რამდენიმე წლის შემდეგ ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ პროტონები მართლაც არ იქცეოდა როგორც შიდა სტრუქტურის არმქონე ნაწილაკები.

მაღალი ენერგიის ნაწილაკების პროტონებზე დაჯახებით მეცნიერებმა შეძლეს მის შიგნით უფრო ღრმად "ჩაეხედათ". აღმოჩნდა, რომ პროტონსა და ნეიტრონს შიდა სტრუქტურა აქვს. დღეს ვიცით, რომ პროტონის სამი ძირითადი, ანუ ვალენტური კვარკია — ორი up და ერთი down კვარკი, ხოლო ნეიტრონის — ერთი up და ორი down კვარკი.

მეორე მხრივ, პროტონი არ უნდა წარმოვიდგინოთ როგორც პატარა ბურთი, რომელშიც კიდევ სამი უფრო პატარა ბურთი ზის. მის შიგნით გაცილებით რთული კვანტური პროცესები მიმდინარეობს. კვარკებს ერთმანეთთან ძლიერი ურთიერთქმედება აკავშირებს, ამ ურთიერთქმედებაში კი სხვა ნაწილაკები (გლუონები) მონაწილეობს. პროტონის შიგნით ასევე მუდმივად წარმოიქმნება და ქრება კვარკებისა და ანტიკვარკების წყვილები.

ამიტომ ფრაზა "პროტონი სამი კვარკისგან შედგება" სასარგებლო გამარტივებაა, მაგრამ სრულ სურათს არ აღწერს.

მთავარი აღმოჩენა სხვა იყო: პროტონი და ნეიტრონი, ისევე როგორც მანამდე ატომი, ფუნდამენტური ნაწილაკები არ აღმოჩნდა — მათაც ჰქონდა შიდა სტრუქტურა.

სად მთავრდება დაყოფა?

მატერიის შესწავლის ისტორია ერთგვარ ჯაჭვს ჰგავს. ნივთიერებები მოლეკულებისგან შედგება; მოლეკულები ატომებისგან; ატომის შიგნით ელექტრონები და ბირთვია; ბირთვი პროტონებისა და ნეიტრონებისგან შედგება; პროტონებსა და ნეიტრონებში კი კვარკებს ვხვდებით.

ამიტომ, ბუნებრივად ჩნდება კიდევ ერთი კითხვა: კვარკებიც რაღაცისგან ხომ არ შედგება? ან იქნებ ელექტრონსაც აქვს შიდა სტრუქტურა, რომლის დანახვაც ჯერ უბრალოდ არ შეგვიძლია?

დღევანდელი ექსპერიმენტული მონაცემებით, ამის მტკიცებულება არ გაგვაჩნია. ელექტრონებსა და კვარკებს შიდა სტრუქტურა არ აღმოაჩნდათ და თანამედროვე ფიზიკაში ისინი ფუნდამენტურ ნაწილაკებად მიიჩნევა.

მეორე მხრივ, "ფუნდამენტური" სიფრთხილით უნდა გამოვიყენოთ. ეს არ ნიშნავს, რომ მეცნიერებამ საბოლოოდ დაამტკიცა, თითქოს მათ "ქვემოთ" აღარაფერი არსებობს. უბრალოდ, დღემდე ჩატარებულ ექსპერიმენტებში უფრო ღრმა სტრუქტურის კვალი არ გვიპოვია.

ამიტომ, მატერიის დაყოფის 2500-წლიანი კითხვა ჯერ კიდევ ბოლომდე დახურული არ არის. ოდესღაც განუყოფელი ატომი გვეგონა. შემდეგ აღმოჩნდა ელექტრონი და ბირთვი. მოგვიანებით თავად ბირთვის ნაწილაკებშიც კვარკები აღმოვაჩინეთ.

დღეს კვარკები და ელექტრონები იმ საზღვარზე დგას, რომლის მიღმაც ექსპერიმენტულად ჯერ ვერაფერს ვხედავთ. არის თუ არა ეს მართლაც მატერიის საბოლოო დონე, ეს ჯერ არ ვიცით.