Jonas Grigas. Žvilgsnis į atomų ir savo pasaulį

Esame sudaryti iš atomų, gimusių žvaigždėse ir išsklaidytų į Visatą jų sprogimų metu. Tad pažvelkime giliau į atomų, o tuo pačiu ir į savo pasaulį. 1911 m. Ernestas Rezerfordas atrado, kad kiekvieno atomo šerdyje yra branduolys. Atomo branduoliai susideda iš teigiamų protonų ir neutralių neutronų, apie kuriuos rašiau anksčiau. Juos laiko kartu stipriausia žinoma jėga, vadinama stipriąja jėga. Branduolys sudaro mažiau nei 0,01 % atomo tūrio, bet jame yra daugiau nei 99,9 % atomo masės.

Medžiagų chemines savybes lemia branduolį gaubiantys elektronai. Elektronų skaičius sutampa su protonų skaičiumi branduolyje. Kai kurie branduoliai yra nestabilūs ir radioaktyviai skyla, išskirdami fotonus, elektronus ar pozitronus, helio branduolius arba šių procesų derinius. Branduoliai gali virpėti ir suktis, kai į juos atsitrenkia kitos dalelės.
Smėlio grūdelyje yra daugiau nei 10 milijonų trilijonų branduolių – 100 kartų daugiau nei sekundžių nuo Visatos pradžios.

Branduolys sudaro daugiau nei 99,9994% atomo masės, bet užima mažiau nei dešimt trilijonąją atomo tūrio. Atomai yra iš esmės tušti.

Visų branduolių tankis yra maždaug vienodas. Jei Mėnulis būtų tokio pat tankio, jis tilptų futbolo stadione.

Atomų branduolių statybiniai blokai yra kvarkai ir gliuonai, sudarantys protonus ir neutronus. Kvarkų ir gliuonų negalima suskaidyti. Jie gali turėti tris elektros krūvio būsenas: teigiamą ir neigiamą raudonumą, žalumą ir mėlynumą. Šios spalvos nesusiję su tikromis spalvomis.

Jėga, jungianti teigiamus ir neigiamus spalvų krūvius, yra vadinama stipriąja branduoline jėga. Ši branduolinė jėga yra pati galingiausia jėga, laikanti medžiagą kartu. Ji yra daug stipresnė už kitas tris pagrindines jėgas: gravitaciją, elektromagnetizmą ir silpnąją branduolinę jėgą. Kadangi stiprioji branduolinė jėga yra tokia galinga, labai sunku atskirti kvarkus ir gliuonus. Vienintelis būdas juos atskirti yra sukurti vadinamąją kvarko-gliuono plazmą.

Šios plazmos tankis ir temperatūra yra tokie dideli, kad protonai ir neutronai ištirpsta. Ši kvarkų ir gliuonų sriuba persmelkė Visatą po Didžiojo sprogimo. Kai Visata atvėso, kvarkai ir gliuonai sustingo į protonus ir neutronus. Iš jų formavosi atomai.
Sąveika tarp kvarkų ir gliuonų yra atsakinga už beveik visą protonų ir neutronų masę, dėl kurios ir mes turime savo masę.

Dar yra subatominės dalelės miuonai, panašūs į elektronus, bet sveria daugiau nei 207 kartus. Toks skirtumas tarp suaugusio žmogaus ir dramblio.

Miuonai atsiranda dėl dalelių Žemės atmosferoje susidūrimo su kosminiais spinduliais – didelės energijos protonais ir atomų branduoliais. Miuonai egzistuoja tik 2,2 mikrosekundės, kol suyra į elektroną ir neutrinus. Tačiau, kadangi jie juda beveik šviesos greičiu, miuonai prieš suirdami nukeliauja 22 km. Atmosferoje sukurti miuonai nuolat bombarduoja kiekvieną Žemės paviršiaus centimetrą ir mus, ir praeina beveik bet kurią medžiagą.

Gausiausios dalelės Visatoje yra neutrinai: jos mažytės, neutralios ir sveria tiek mažai, kad niekas negalėjo išmatuoti jų masės. Kiekvieną kartą, kai atomų branduoliai susijungia (kaip Saulėje) arba skyla (kaip branduoliniame reaktoriuje), jie gamina neutrinus. Net bananas išskiria neutrinus dėl esančio kalio radioaktyvumo.

Šios vaiduokliškos dalelės beveik nesąveikauja su medžiaga. Dešimtys trilijonų neutrinų iš Saulės kas sekundę praeina mūsų kūną, nors jų nejaučiame.

Fizikai numatė neutrino egzistavimą 1930 m., tačiau jį aptikto po 26 metų. Šiandien mokslininkai bando nustatyti neutrino masę, kaip jis sąveikauja su medžiaga ir ar neutrinas yra jo paties antidalelė. Neutrinai gali būti priežastis, kodėl visa antimedžiaga išnyko po Didžiojo sprogimo.

Dar yra Higso (Dieviškoji) subatominė dalelė, pavadinta fiziko Peterio Higgso vardu, 1964 m. numačiusiu jos egzistavimą. Ji susijusi su lauku, kuris persmelkia visą Visatą ir suteikia masę kitoms dalelėms. Mokslininkai ją atrado 2012 m. CERN dalelių greitintuve Šveicarijoje. Už šį atradimą 2013 m. P. Higsui ir F. Englertui skirta Nobelio fizikos premija. Sulaukęs 94 metų vakar Higsas mirė.

Norėdamas suprasti vykstančius fazinius virsmus ir feroelektros prigimtį, aš į protonų ir kitų atomų pasaulį žvelgiau mikrobangomis. Bet sudėtingiausias atomų darinys Visatoje yra žmogaus protas. Nuotraukoje – į ką pavirsta suskaldytas atomas.

Autorius yra akademikas, profesorius, fizinių mokslų habilituotas daktaras, tikrasis LMA narys