Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Fyysikot hienontavat atomin

Vaikka atomi tarkoittaa sanana jakamatonta, se voidaan hajottaa vielä pienempiin osiin. Nyt ollaan lähestymässä kaikkeuden lilliputteja: protonin kvarkeista niihin miljardeihin aavehiukkasiin, jotka läpäisevät paraikaa kehosi.

Polkaistiinpa jalkakäytävän laattaa kuinka kovaa tahansa, betoni ei anna periksi hiukkaakaan – siitäkään huolimatta, että ne atomit, joista se koostuu, ovat oikeastaan tyhjää täynnä.

Atomit ovat niin tyhjiä, että jopa kaikkeuden galaksien välinen tyhjyys jää varjoon. Ja tämä lienee hämmästyttävin havainto, joka viimeisten sadan vuoden atomitutkimuksessa on tehty.

Kaikilla atomeilla on pikkiriikkinen ydin, jonka osuus atomin massasta on 99,94 prosenttia ja jota ympäröi 26 000–60 000 kertaa niin suuri elektronipilvi.

Etäisyydet atomissa vastaavat sitä, että ydin on marmorikuula, joka on sijoitettu jalkapallostadionin keskiympyrään, ja elektronipilvi on katsomo aina sen yläreunaa myöten.

1 000 000 000 000 000

atomia pitää kappaleessa olla, jotta ihmissilmä erottaa sen. Esimerkiksi hius nähdään, kun se on 100 000 atomia leveä, korkea ja pitkä – atomeja on kaikkiaan tuhat biljoonaa.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Hiukseen sisältyy luja proteiiniranka

Hius rakentuu proteiinitukirangan ympärille. Tämä koostuu vahvoja kuituja muodostavasta keratiinista. Kuvan yksittäinen hiussolu on läpimitaltaan kymmenen millimetrin tuhannesosaa.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen/Jamie Bush/John Schmidt

Keratiinimolekyyli syntyy neljänlaisista atomeista

Keratiiinimolekyylillä on pituutta kaksi millimetrin miljoonasosaa eli nanometriä. Siihen kuuluu hiilen, vedyn, typen ja hapen lisäksi karbonyyliryhmä, joka sisältää hiili- ja happiatomin.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Ytimeen on äärettömän pitkä matka

Atomiydin rinnastuu kooltaan marmorikuulaan jalkapallostadionilla, missä elektronipilvi eli se etäisyys, jolla elektronit kiertävät ydintä, ulottuu katsomon yläreunaan asti.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Pieniä hiukkasia ei voida punnita

Fyysikot mittaavat sen sijaan hiukkasten kineettistä energiaa, joka on yhtä suuri kuin sen massa. Yksikkö on elektronivoltti. Yksi elektronivoltti on suuruudeltaan se energiamäärä, jonka elektroni saa kulkiessaan tyhjiössä yhden voltin suuruisen potentiaalieron lävitse.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Neutroni

Läpimitta: Noin 0,8 metrin tuhannesbiljoonasosaa
Massa: 939,57 miljoonaa elektronivolttia (MeV)
Varaus: 0

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Protoni

Säde: 0,831 metrin tuhannesbiljoonasosaa
Massa: 938,27 miljoonaa elektronivolttia (MeV)
Varaus: +1

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Vaikka ydin on pieni, sen tiheys on järjettömän suuri. Atomiytimen tiheys on niin äärimmäinen, että ydinaineella täytetty tulitikkurasia painaisi yhtä paljon kuin seitsemän miljardia kuutiometriä vettä – toisin sanoen 2,8 miljoonaa olympia-altaallista.

Huolimatta tyhjyyden määrästä sähkömagneettiset voimat pitävät atomiytimen ja elektronipilven koossa niin, että ne muodostavat vahvoja ja vakaita kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten aineiden osia.

Fyysikot paljastivat jo kauan sitten, että atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista ja että nämä ydinhiukkaset sisältävät vielä pienempiä rakennuspalikoita.

Silti matka kaikkeuden ehdottomasti pienimpiin rakenneosasiin on vasta alkanut, sillä vaikka protonit ja neutronit ovat hyvin tuttuja, niissä piilee yhä useita arvoituksia.

Edistyksellisen Euroopassa ja Yhdysvalloissa tehtävän fysiikan tutkimuksen odotetaan kuitenkin muuttavan ennen pitkää tilannetta.

Atomi avautuu ydintä myöten

Ajatus, että kaikki koostuu pikkiriikkisistä rakennuspalikoista, juontuu antiikista. Vuoden 400 eaa. tienoilla kreikkalaiset filosofit Leukippos ja Demokritos päättelivät, että kaikki aine rakentuu pienistä palloista, jotka ovat jakamattomia osia eli atomeja.

Kreikkalaiskaksikko oletti, että kiinteiden aineiden, kuten raudan, atomit ovat kovia ja sisältävät koukkuja, joilla ne kiinnittyvät toisiinsa. Nesteen atomit he esittivät pehmeiksi ja sileiksi.

Thomsonin atomimallissa negatiivisesti varautuneet elektronit sijoittuvat positiiviseen taikinaan – kuin rusinat pullassa.

© Shutterstock

Atomioppi oli unohduksissa vuoteen 1897, jolloin englantilainen fyysikko J. J. Thomson todisti kreikkalaisten erehtyneen. Atomi ei ollut jakamaton.

Thomson tutki kahden elektrodin säteilyä ja havaitsi, että negatiivinen elektrodi lähetti säteitä, joita positiivisesti varautuneet metallilevyt vetivät puoleensa ja negatiiviset levyt hylkivät.

Thomsonin mukaan säteet koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joita elektrodin atomit lähettivät. Hiukkanen sai nimekseen elektroni.

Thomsonin atomimallissa, jota kutsutaan rusinapullamalliksi, pallomainen atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ”taikinasta”, jossa on elektroneja vastaavia negatiivisia ”rusinoita”.

Englantilainen fyysikko Ernest Rutherford pudotti kuitenkin vuonna 1909 pohjan pois rusinapullateorialta, kun hän tulitti positiivisesti varautuneilla alfahiukkasilla kultafoliota.

Video: Fyysikot matkaavat atomien maailmaan

Tee syvä, syvä, syvä sukellus hiuksen juureen, keratiinin ja solujen ohi kohti atomin rakennuspalikoita.

Positiivisten hiukkasten olisi pitänyt Thomsonin atomimallin mukaan läpäistä folio, sillä jos elektronit olivat hajallaan positiivisessa ytimessä kuten rusinat pullassa, ydin olisi neutraali eikä se siksi voisi hylkiä positiivisia alfahiukkasia.

Rutherford huomasi ällistyksekseen, että osa alfahiukkasista taipui sivuille. Sen täytyi tarkoittaa, että kulta-atomien positiivinen varaus oli keskittynyt pienen pieneen ytimeen, jota ympäröi selvästi suurempi negatiivinen elektronipilvi.

Tämä sai positiivisesti varautuneet alfahiukkaset muuttamaan suuntaansa.

Fyysikot kehittivät teorian, jonka mukaan raskaiden atomien, kuten raudan, atomiydin oli rakentunut vety-ytimistä.

Vuonna 1925 Rutherford nimesi vety-ytimet protoneiksi ja totesi, että protonien määrä atomiytimessä määrää atomin laadun – esimerkiksi happiatomi sisältää kahdeksan protonia, kun taas rauta-atomissa niitä on 26.

Protoni kutistui entisestään

Vaikka protoni on tunnettu kohta vuosisadan, se haastaa yhä tutkijat. Heille selvisi esimerkiksi vasta vuonna 2019, kuinka pieni atomin kantava rakennuspalikka tosiasiassa on.

Mittausten lähtökohta oli vetyatomi, jolla ytimen yhden protonin lisäksi on vain yksi sitä kiertävä elektroni.

Yhdysvaltalainen tutkijaryhmä, jota johti W. Xiong Durhamin yliopistosta, nosti elektronin radioaaltojen avulla korkeammalle energiatasolle ja mittasi sen taajuuden, kun se palasi takaisin perustilaan.

Tällöin fyysikot selvittivät sen energian, jonka elektronin virittyminen vaatii, ja koska protonin koko riippuu nimenomaan tästä energiamäärästä, he pystyivät määrittämään, että protonin säde on 0,833 metrin tuhannesbiljoonasosaa – viisi prosenttia oletettua pienempi.

Neutronin elinikä on arvoitus

Protonin vakiokumppani atomiytimessä, neutroni, löydettiin vuonna 1938, kun englantilainen fyysikko James Chadwick pommitti berylliummaalitaulua alfahiukkasilla.

Berylliumatomit lähettävät erittäin suurienergiaisia neutraaleja säteitä, jotka voivat tunkeutua 20 senttiä lyijyesteeseen

0,833 metrin tuhannesbiljoonasosaa on protonin säde.

Chadwick osoitti, että säteet koostuivat neutraaleista eli sähkövarauksettomista ydinhiukkasista.

Neutronin olemassaolo selittää isotoopit eli saman alkuaineen massaltaan poikkeavat lajit.

Esimerkiksi tavallisessa happiatomissa on kahdeksan protonia ja kahdeksan neutronia, mutta on olemassa raskaampaa happea, jonka atomiytimessä on kymmenen neutronia.

Atomiytimen ulkopuolella neutronista tulee epävakaa ja se hajoaa protoniksi, elektroniksi ja neutriinoksi.

Atomiydin on niin tiiviisti pakattu, että se vastaa 6,2 miljardin, keskimäärin kaksi tonnia painavan henkilöauton ahtamista pussiin, jonka koko on 30 x 30 x 30 senttiä.

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Vapaiden neutronien elinaikaa ei ole onnistuttu määrittämään tarkasti muun muassa siksi, että kumpikin hyväksytty mittaustapa antaa eri tuloksen.

Tästä syystä on kehitetty teoria peiliatomien käänteisestä kaikkeudesta, joka on olemassa oman universumimme rinnalla. Peilikuvamaailma muodostaa galaksien tuntemattoman pimeän massan.

Teorian mukaan mittauserot voivat johtua siitä, että neutronit kykenevät liikkumaan meidän universumimme ja peilikuvauniversumin välillä.

Toisistaan poikkeavat tulokset saavat selityksensä, jos yksi sadasta vapaasta neutronista muuttuu peilikuvakseen ja häviää toiselle puolelle ennen hajoamistaan.

Antikvarkit päivänvaloon

Tällä haavaa eniten tutkijoille päänvaivaa tuottavat kuitenkin kvarkit – atomin sisäiset rakennuspalikat.

Esimerkiksi protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia ja yhden alas-kvarkin ja neutroni rakentuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista.

Kvarkkien suurperhe

Vuonna 1968 selvisi, että protonit ja neutronit ovat hajotettavissa kvarkeiksi, joita pitävät koossa liimahiukkaset, gluonit. Kvarkit voidaan jakaan kolmeen sukuun, joista kaksi on olemassa vain hetkellisesti isojen kiihdyttimien protonitörmäyksissä ja kaikkeuden suurienergiaisissa tapahtumissa, kuten supernovaräjähdyksissä.

Lisäksi on rekisteröity neljä raskaampaa kvarkkia, joita syntyy vain muun muassa supernovissa ja jotka hajovat nopeasti kevyemmiksi hiukkasiksi ja säteilyksi. Vapaita kvarkkeja oli olemassa vain mikrosekunnin ajan heti alkuräjähdyksen jälkeen.

Silloin universumi oli tulipallo, jonka läpimitta oli alle viisi kilo­metriä ja lämpötila 2 000 miljardia astetta.

Kun kaikkeus kasvoi ja jäähtyi, kvarkit tarttuivat eräänlaisiin liimahiukkasiin, gluoneihin, jotka ovat sittemmin sitoneet kvarkit kolmen ryhmiksi.

Esimerkiksi klassisessa protonin mallissa kolmella gluonilla on rautainen ote kolmesta kvarkista, mutta uudet fysiikan teoriat antavat ymmärtää, että protonin sisäinen elämä on paljon dynaamisempaa ja monimutkaisempaa.

Yksinkertainen malli ei nimittäin pysty selittämään, miksi kolmen kvarkin osuus protonin massasta on vain viisi prosenttia ja protonin pyörimismäärä johtuu niistä vain pieneltä osin.

Uuden oletuksen mukaan protonilla on monimutkainen sisäinen dynamiikka: kvarkkeja ja antikvarkkeja syntyy ja häviää jatkuvasti liemessä, jossa gluoneja syntyy ja häviää runsain mitoin.

Teorian testaamiseksi New Yorkin 3,8 kilometriä pitkä RHIC-kiihdytin muutetaan Electron-Ion Collider -nimiseksi törmäyttimeksi, jossa elektronit ja protonit osuvat toisiinsa suuremmalla voimalla kuin koskaan ennen.

Kvarkit löydettiin nimenomaan, kun protoneja pommitettiin elek­troneilla, jotka heijastuivat protonin kolmesta mitättömän pienestä pistemäisestä hiukkasesta.

Elektronipommitus Stanfordin lineaarikiihdyttimellä vuonna 1968 todisti, että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi.

© Brookhaven National

Uudessa kiihdyttimessä elek­tronit tunkeutuvat syvemmälle protoneihin ja paljastavat gluonien yhteispelin.

Neutriinot läpäisevät kaiken

Vaikka kvarkit ovat käsittämättömän pieniä, ne altistuvat jatkuvasti neutriinoille, joita ytimensä ylimääräisen neutronin takia epävakaat radioaktiiviset atomit lähettävät.

Atomia vakauttaa niin sanottu beetahajoaminen, jossa neutroni muuttuu protoniksi lähettämällä elektronin ja neutriinon.

Valtaosa neutriinoista syntyy tähtien fuusioreaktioissa ja lähtee niistä melkein valon nopeudella.

Maahan osuu joka sekunti tuhansia triljoonia Auringosta peräisin olevia neutriinoja, mutta ne enimmäkseen läpäisevät planeetan, sillä neutriino reagoi atomin kanssa vain päätyessään ytimeen.

65 miljardia neutriinoa virtaa sekunnissa kehon jokaisen neliösenttimetrin läpi.

Ennen vuotta 1998 neutriinoa pidettiin massattomana, mutta silloin japanilainen ja kanadalainen ilmaisin paljastivat, että Auringon neutriinot tekevät matkallaan Maahan ihmeitä.

Neutriinoista on olemassa kolme vaihtoehtoa, mutta Aurinko lähettää vain yhdenlaisia neutriinoja.

Fyysikot olivat 30 vuoden ajan yrittäneet selvittää, miksi vain 33–50 prosenttia neutriinoista saapuu Maahan.

Sitten he totesivat, että neutriinot voivat vaihtaa tyyppiään matkalla. Siis jos Aurinko lähettäisi appelsiineja, osa niistä muuttuisi matkalla omeniksi ja päärynöiksi.

Muodonmuutos on mahdollinen vain, jos neutriinoilla on äärimmäisen pieni massa.

Niitä on pyritty punnitsemaan kaksi vuosikymmentä, ja saksalaisilmaisin KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) on nyt vihdoin määrittänyt massan ylärajaksi 1/500 000 elektronin massasta.

Tyhjiösäiliö punnitsee lilliputteja

Neutriinot ovat elektronien neutraaleja serkkuja, joilla on vähiten massaa universumissa. Sinivalaan kokoinen saksalaisilmaisin KATRIN alkaa ensimmäisenä punnita näitä olemattoman pieniä aavehiukkasia.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Radioaktiivinen vety lähettää neutriinoja

Superraskas vety on epävakaata ytimen ylimääräisen neutronin takia. Muuttamalla neutronin protoniksi ja luovuttamalla elektronin ja neutronin atomi muuttuu vakaaksi helium-3:ksi.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Radioaktiivinen hajoaminen ruokkii ilmaisinta

Pitkä putki täytetään superraskaalla vetykaasulla, joka saa aikaan 100 miljardia radioaktiivista hajoamista sekunnissa. Hajoamisten neutriinot häviävät, ja elektronit jatkavat matkaansa tyhjiöön.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Magneettikenttä erottaa elektronit toisistaan

Ultravahva tyhjiösäiliö on 23 metriä pitkä ja 10 metriä leveä. Magneetti-kelat luovat magneettikentän, joka levittää elektronien ratoja, kun ne kulkevat kohti säiliön toista päätä.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Heikoimmat elektronit kääntyvät takaisin

Säiliö on vuorattu elektrodeilla, jotka luovat sähkökentän. Tämä vastustaa elektronien liikettä säiliössä ja saa kaikkein pienienergiaisimmat elektronit tekemään täyskäännöksen.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Energialaskelma paljastaa neutriinon koon

Suurienergiaisimmat elektronit päätyvät ilmaisimeen. Kun niiden energia vähennetään kokonaisenergiasta, joka jakautuu elektronin ja neutriinon kesken hajoamisessa, saadaan neutriinon massa.

Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Lähivuosina neutriino koetetaan punnita Saksassa tarkasti, sillä tieto auttaa tähtitieteilijöitä ymmärtämään paremmin neutriinojen osuutta maailmankaikkeuden kehityksessä.

Pimeä aine sivutuotteena

Neutriinojen muuntautumiskykyä koskeva tutkimus voi ratkaista vielä suuremman arvoituksen: pimeän aineen.

Kolme tunnettua neutriinotyyppiä ovat vuorovaikutuksessa atomiytimen kanssa heikon ydinvoiman kautta muun muassa beetahajoamisessa.

Uusi oletus on kuitenkin raskas isoveli, steriili neutriino, joka vaikuttaa vain painovoimalla.

Jos steriili neutriino löytyy, se on ilmeinen ehdokas pimeäksi aineeksi, jonka osuus galaksien massasta on 85 prosenttia.

KATRIN valmistettiin 400 kilometrin päässä Baijerissa, mutta koon takia se jouduttiin tuomaan Karlsruheen 9 000 kilometriä pitkää kiertotietä jokia, Mustaamerta ja Atlanttia pitkin.

© Karlsruhe Institue of Technology

Uuden teorian mukaan tunnetut neutriinotyypit voivat muuttua sekä toisikseen että raskaaksi isoksiveljeksi, joka häviää ilmaisimista jäljettömiin.

Yhdysvallat on juuri päättänyt tehdä jo suljetusta Fermilabin kiihdyttimestä välineen, jolla tuotettavat neutriinot ohjataan niiden ominaislaadun muutoksia mittaaviin kolmeen ilmaisimeen.

Siinä tapauksessa, että kokeet paljastavat steriilin neutriinon ja samalla pimeän aineen, atomin pienimmät ja merkillisimmät rakennuspalikat saavat aikaan 2000-luvun suurimman läpimurron fysiikan alalla.

Lue myös:

Fysiikan ilmiöt

Atomien liike määrää aineen olomuodon

0 minuuttia
Fysiikan ilmiöt

Tämän vuoksi paahdut mustissa vaatteissa

2 minuuttia
Fysiikan ilmiöt

Yhdysvaltalaisfyysikko aikoo luoda spiraalin nykyisyyden ja menneisyyden välille

17 minuuttia

Kirjaudu sisään

Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
Näytä Piilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!

Nollaa salasana

Syötä sähköpostiosoitteesi, niin saat ohjeet salasanasi nollaamiseksi.
Tarkista sähköpostiosoite

Tarkista sähköpostisi

Olemme lähettäneet sinulle sähköpostia osoitteeseen . Siinä on ohjeet, joiden avulla voit nollata salasanasi. Jos et ole saanut sähköpostia, tarkista, että se ei ole joutunut roskapostin joukkoon.

Anna uusi salasana.

Nyt sinun pitää antaa uusi salana. Salasanassa pitää olla vähintään 6 merkkiä. Kun olet luonut uuden sanasanan, sinua pyydetään kirjautumaan sisään palveluun.

Salasana vaaditaan
Näytä Piilota