piątek, 25 stycznia 2013

Jak wygląda atom?



Atomy platyny.
Czas sesji zbliża się wielkimi krokami, a na blogu pustki. Korzystając z chwili wolnego czasu między zajęciami, uznałem, że to odpowiedni czas na nowy artykuł. Do napisania go skłonił mnie ostatni komentarz zamieszczony na stronie AtomForTheWorld na FB- nie będę go przytaczał, ale wymowa była swego rodzaju wyzwaniem- „jak wygląda jądro atomu?". Postanowiłem podjąć to wyzwanie i spróbować naszkicować współczesny obraz jądra atomowego, ale żeby nie było tak łatwo, postaram się przybliżyć wygląd całego atomu. Jest to zadanie co najmniej nie łatwe, biorąc pod uwagę, że żaden obecnie przyjęty model nie oddaje w 100% "obrazu" jadra atomowego, takim, jakie jest ono w swojej istocie. Najlepszą metodą byłoby odwoływanie się do fizyki kwantowej i jej zawiłych praw, ale myślę, że nie o to tutaj chodzi- ja raczej chciałbym w jakimś pewnym stopniu przybliżyć teorię fizyki kwantowej i przełożyć je na prostszy język, ale uprzedzam, że sporo stwierdzeń jakich użyję podczas pisania artykułu są moimi prywatnymi przemyśleniami i nie mogę gwarantować stuprocentowej zgodności z faktami przedstawianymi przez inne osoby. 

Pytanie, czy rozmiar ma znaczenie może wydawać się nam śmieszne, ale myślę, że mimo temu co się mówi, rozmiar ma ogromne znacznie, a przynajmniej jeśli mamy na myśli rozmiary jąder atomowych jak i całych atomów i ich otoczenia. Dlaczego atomy są takie małe? Pytanie, które niby jest poprawne, ale jednak po dłuższym zastanowieniu- przynajmniej dla mnie- traci ono sens, jeśli popatrzymy na atom w trochę młodszym i nowocześniejszym świetle niż tym, który obowiązywał bardzo, bardzo długo (za długo). W starym świetle fizyki newtonowskiej atom to kulka, we wnętrzu której kilka- kilkanaście bardzo małych kulek lata po określonych, kołowych orbitach dookoła zlepka kilku- kilkunastu większych kulek, które trzymają się siebie. Niby jest to poprawny opis, ale zdecydowanie jest on zbyt stary w świetle dzisiejszej wiedzy. Na szczęście fizyka newtonowska zaczyna coraz bardziej odczepiać się od świata cząstek i zawraca w stronę tematów, od których nigdy nie powinna się odrywać. Wracając do rozmiaru, na ogół pytając o wielkość atomów mówimy, że są one bardzo, bardzo, bardzo małe, jądra jeszcze mniejsze, a elektrony w sumie są prawie jak punktowe elementy całej układanki. Trzeba zdać sobie sprawę, że pojęcie „małe” jest tutaj subiektywne- to my, nasza świadomość i postrzeganie świata wywiera na nas wrażenie, że atomy są tak małe, że prawie nie ma mniejszych obiektów. Myślę, że aby „poprawnie zobaczyć atom w wyobraźni” trzeba go trochę powiększyć co pozwoli lepiej przyjrzeć się jego elementom. 

Patrząc na Układ Okresowy pierwiastków widzimy, że najlżejszym atomem jest wodór. Jest to subiektywnie bardzo mała i lekka cząstka. Jej waga to 1 unit, czyli masa równa  0,00000000000000000000000167g, a promień atomu wodoru to około 0,0000000000529177m. Napisałem, że są to subiektywnie małe wartości, ponieważ zależy to (moim zdaniem) od tego jak na wodór popatrzymy. Co prawda, gdybyśmy chcieli poukładać obok siebie, w jednym rzędzie atomy wodoru, które ściśle przylegałyby do siebie na długości równej długości równika Ziemskiego (40076000m), cała nasza konstrukcja zawierałaby w sobie około 757500000000000000 atomów wodoru (przy okazji, liczba atomów wodoru, które ułożone na długości równej długości równika, byłaby mniejsza od ilości 1 mola atomów wodoru) i ważyłaby niespełna 0,000001265025g [sic!]!. Jest to niewyobrażalnie mała i wielka liczba- wielka (ale nie na tyle wielka, aby była chociaż jednym molem) pod względem ilości obiektów, tak jakby swoich klonów poukładanych jeden obok drugiego, identycznych w swoich właściwościach fizyko-chemicznych, ale zarówno na tyle mała, że nie ważyłaby nawet 1 grama. Może trochę inny przykład, trochę bardziej realistyczny, a który możemy zaobserwować w domu (no może nie całkiem). 18ml wody zawiera w sobie 623000000000000000000000 cząsteczek wody. Łatwo można policzyć, że jedna szklanka wody (250ml) ma w sobie 8652777777777777777777777 cząsteczek wody, jedna na drugiej, obok siebie, a każda taka sama jak cząsteczka po lewej, albo po prawej, albo nad, czy pod. Dla ciekawostki w naszej szklance wody o objętości 250ml znajduje się około 1347784700588438906195 cząsteczek ciężkiej wody (co stanowi około 0,04g)- czyli wody zawierającej deuter zamiast protonu, którą szeroko stosuje się w reaktorach atomowych do spowalniania rozpędzonych neutronów wyzwalanych w reakcjach jądrowych. Gdybyśmy cząsteczka obok cząsteczki wody ułożyli kwadrat o grubości jednej warstwy cząsteczek, miałby on bok o długości około 588m, a jego powierzchnia wyniosłaby około 345744 metrów kwadratowych (czyli powierzchnia około 50 boisk piłkarskich). Nie bez powodu przytaczam tutaj te ogromne i zawrotnie małe liczby. Zmierzam tymi porównaniami w jednym kierunku- jeśli jedna szklanka wody o masie około 250gram -gdyby była rozlana w kwadracie o grubości pojedynczej cząsteczki wody- pokryłaby powierzchnię około 50 boisk piłkarskich- musi to oznaczać, że materia to w większości próżnia. 

To, że otaczający nas Wszechświat jest w około 99% pustką jest zadziwiającym faktem, ale wynika to z samej natury materii. Badania nad atomami, nad ich budową i działaniem trwały wiele lat i przeżywały swoje wielkie wzloty, jak i zatrważające porażki. Ostatecznie ustalono powszechnie akceptowaną wersję, że prawie cała masa atomu skupia się w niezwykle małym obszarze jądra atomu, a tylko bardzo niewielki odsetek masy atomu niosą na sobie elektrony krążące po orbitach elektronowych. Dowiedziono też, że w atomie jest bardzo dużo wolnego miejsca. W tym momencie, gdy przyglądamy się pojedynczemu atomowi, zauważamy, że jest to twór w sumie na pewno nie mały, a można powiedzieć, że jest to coś dość dużego (oczywiście przy zastosowaniu odpowiednich skali). Myślę, że spokojnie można powiedzieć, że atom wypełniony jest polami i można natrafić w odpowiednich miejscach na małe skupiska materii, czyli skondensowanej energii . Do pól w atomie zaraz wrócimy, a tymczasem chciałbym wejść trochę głębiej w atom- naszą prawdziwą podróż po atomie zaczniemy od jądra, a w sumie… jeszcze głębiej.

Nie wiem, czy zeszliśmy już dostatecznie nisko, ale wyobraźmy sobie, że widzimy przed sobą kwark1. Ta malutka cząsteczka należy do fermionów i posiada ładunek kolorowy (proszę się nie obawiać tych dziwnie brzmiących nazw, ponieważ później zajmiemy się tą tematyka). Kwarki występują trójkami i tworzą one protony i neutrony. Wnętrze protonu skrywa w sobie dwa kwarki górne i jeden dolny, a wnętrze neutronu skrywa w sobie dwa kwarki dolne i jeden górny. Mówi się, że proton to jednolita cząstka, obdarzona jednolicie rozłożonym ładunkiem dodatnim co jest nieprawdą. Doświadczenia wykazały, że cząstki elementarne takie jak elektrony odbijają się od protonów w najróżniejszych kierunkach. Jest to zadziwiające, ponieważ gdyby proton rzeczywiście był obdarzony jednolicie rozłożonym ładunkiem, niezależnie od zorientowania w przestrzeni protonu, elektrony powinny się odbijać od niego i rozpraszać, ale rozproszenia te zawierałyby w sobie bardzo niewielkie rozbieżności. W momencie, gdy okazało się, że elektrony rozpraszają się w losowych kierunkach i pod najróżniejszymi kątami, udało się potwierdzić, że proton (później dowiedziono podobne zjawisko w neutronach) ma swoją wewnętrzną strukturę, którą okazały się kwarki. Oczywiście to wszystko nie miałoby sensu, gdyby nie istniał klej spajający ze sobą kwarki- bardzo szybko znaleziono owy "klej" i okazały się nim kolejne cząstki, gluony. Nie wiem czy jest sens mówić o rozmiarach kwarków- są to cząstki punktowe, czyli takie, których rozmiar dąży do zera. Wydaje się to niewyobrażalne, ale można to przetłumaczyć na język zwyczajny jako coś w rodzaju „kwarki są tak małe, że praktycznie ich nie ma, ale jednak są”. Trzy cząstki punktowe oddziałują na siebie poprzez wymianę gluonów. Gluony są cząstkami bez masy, które przenoszą na sobie jedynie ładunek kolorowy, odpowiedzialny za powstanie pola sił kolorowych, czyli wymieniane gluony między kwarkami można uznać za małe porcję skondensowanej energii o określonych właściwościach, które tworzą w przestrzeni pole Yanga- Millsa. Teraz przetłumaczę to co przed chwilą przeczytaliście. Kwarki występują zawsze w obecności innych kwarków- nie istnieją kwarki niezwiązane z innymi kwarkami. W protonach i neutronach są po trzy kwarki. Ponieważ nic nie trzyma się we Wszechświecie na ‘ojcze nasz’ kwarki, aby utrzymywać się przy sobie wymieniają między sobą energię, która spaja je ze sobą. Energią tą są cząstki bez masy i bez rozmiaru- gluony. Nie mają one praktycznie żadnych właściwości, oprócz tego, że energia w nich zawarta jest energią charakteryzującą się tym, że przenosi ona ładunek kolorowy (i częściowo ładunek elektryczny o czym później). Można w sumie uznać, że ta energia jest ładunkiem kolorowym, a ładunek kolorowy jest w pewnym sensie energią. Ponieważ kwarki nieustannie wymieniają między sobą gluony, roztacza się w przestrzeni dookoła kwarków specyficzne miejsce, które nazywamy polem sił kolorowych- inaczej polem sił Yanga- Millsa. W stanie ‘zwykłym’ w przestrzeni przenoszone są gluony o określonej energii, które utrzymują kwarki w miarę stałych od siebie odległościach. W momencie, gdy chcemy rozsunąć od siebie kwarki muszą one wysyłać coraz to bardziej energetyczne gluony, które indukują powstanie jeszcze bardziej silnego pola kolorowego wewnątrz protonu. Jest to jedna z przyczyn, dla których nie można wyizolować pojedynczych kwarków- im bardziej chcemy je rozsunąć, tym silniej one oddziaływają ze sobą, co skutkuje tym, że próbowanie rozszczepienia kwarków za pomocą ogromnych ilości energii prowadzi jedynie do powstania kolejnych kwarków, ponieważ energia użyta do rozłupania trójki kwarkowej ‘wykrystalizowuje’ z otoczenia jako kolejne kwarki.  Trzeba dodać jeszcze, że jednemu kwarkowi nie można przypisać stałego ładunku koloru. Ponieważ kwarki cały czas ze sobą oddziałują poprzez wymianę gluonów, wynika z tego fakt, że cały czas kwarki wewnątrz protonów zmieniają swoje ładunki koloru, ale sama struktura trójki kwarkowej się nie zmienia tylko dlatego, że jeśli jeden kwark wyśle za dużo energii stanie się kwarkiem o innym kolorze, ale kwark, który otrzyma energię z lekkim nadmiarem, również zmieni kolor o odpowiednią wartość, ale suma summarum ładunek całości tej konstrukcji pozostaje taki sam, zgodnie z zasadą zachowania ładunku/ energii. 

Wiemy już, że kwarki posiadają głównie ładunek kolorowy, odpowiedzialny za ich trzymanie się razem. Oprócz ładunku kolorowego, kwarki posiadają cząstkowy ładunek elektryczny- cząstkowy mówię dlatego, że ładunek, który uważamy za elementarny, czyli niepodzielny w zwyczajnych doświadczeniach, obserwacjach itp. Przypisywany jest protonowi, ale proton posiada ten ładunek tylko dlatego, że budują go trzy kwarki z których każdy ma na sobie jakąś określoną część ładunku elektrycznego. Jak już wcześniej podałem, ładunek elektryczny nie jest rozłożony wewnątrz protonu równomiernie. Co do tego, czy ładunek ten jest równomierny wewnątrz kwarków nie jestem w stanie odpowiedzieć, z tego co wiemy kwarki są obecnie najmniejszymi składowymi budującymi cząstki takie jak protony i neutrony (chyba, że weźmie się pod uwagę teorię strun, ale nie będziemy się tu tym zajmować). 

Ponieważ z grubsza powiedzieliśmy sobie co tkwi wewnątrz protonów i neutronów zajmijmy się tym, jak te cząstki oddziałują na siebie, że jądro atomu jest (prawie zawsze) stabilne. Okazuje się, co jest całkiem logiczne, że protony w jądrze odpychają się siłami elektrostatycznymi. Teoretycznie powinno to powodować dosłowną eksplozję jąder atomowych, ale na szczęście tak nie jest, dzięki czemu cokolwiek może istnieć. Okazuje się również, co już nie jest takie oczywiste, że siły spajające kwarki wewnątrz protonów i neutronów, spaja te cząstki również ze sobą wewnątrz jądra. Mimo tego, że siły te są najsilniejsze między kwarkami, są w stanie oddziaływać na odległości mniej więcej równe wielkości jądra atomowego, ale tylko do pewnego momentu. Gdy w jądrze pojawia się za dużo protonów, jądro danego atomu staje się tak duże, że nie są w stanie działać siły spajające nukleony ze sobą i zaczynają przeważać siły odpychania elektrostatycznego, co skutkuje tym, że jądra zaczynają się rozpadać na mniejsze. Myślę, że możemy zahaczyć tutaj o jeszcze jeden temat- prawie zawsze w jądrze atomowym jest znacznie więcej neutronów nad protonami. Jest to szczególnie widoczne dla pierwiastków powyżej wapnia i z tego co widzę, patrząc na Układ Okresowy, przewaga neutronów nad protonami powoli rośnie i tak jak np. w skandzie (pierwszym pierwiastku po wapniu) w jądrze występują jedynie 3 neutrony więcej niż jest tam protonów, to już w żelazie neutronów tych jest 30 więcej, w rtęci jest to już 121 neutronów więcej, a dla bardzo ciężkich jąder tj. jądra ununbium (obecnie używa się nazwy copernicum) przewaga neutronów nad protonami wynosi aż 165. Myślę, że przewaga neutronów nad protonami w jądrze wynika z faktu, że im więcej protonów- tym silniej się one od siebie odpychają i potrzeba coraz więcej neutronów, które pomagałyby całą konstrukcję utrzymać w ryzach. Jednocześnie widać, że w jądrach ultraciężkich atomów tj. wyżej wspomniany copernicum posiada tak duże jądro, że mimo posiadania ogromnej ilości neutronów, nie są one w stanie utrzymać całego jądra i bardzo szybko się ono rozpada. 

Powszechna jest opinia, że jądra są stabilne, nie oddziałują praktycznie ze światem zewnętrznym, a składowe jądra są względem siebie nieruchome. Jest to opinia błędna. Wobec najnowszych metod badawczych wiemy obecnie, że jądra są bardzo ruchliwe. Protony, podobnie jak neutrony mogą migrować wewnątrz jądra i przemieszczać się w jego obrębie. Wiemy obecnie, że lekkie pierwiastki mają jądra w przybliżeniu koliste, natomiast pierwiastki ciężkie posiadają jądra elipsoidalne. Owe ruchy tłumaczą to, że jądra posiadają swój własny, magnetyczny moment spinowy. Wynika on ze zjawiska właśnie ruchów składowych jądra, oraz ich wewnętrznych spinów. Jądro jako całość również wiruje i drga w przestrzeni. Okazuje się również, że jądro może przyjmować i emitować energię w postaci fotonów. Podobnie jak elektrony na powłokach, jądro może przejść w chwilowy stan wzbudzenia, który powróci do stanu podstawowego, gdy jądro odda energię w postaci fotonu. 

Myślę, że ciężko jest opisać jądro atomowe, a tym bardziej ciężko jest sobie je wyobrazić. Jak dla mnie jądro jest jednym wielkim tworem, powiązanym ze sobą skomplikowanymi oddziaływaniami. Jest to twór, który nie jest statyczny- zmienia się, obraca się, wiruję, a składowe zmieniają miejsca i nie są na stałe przylepione do siebie. Staram się wyobrażać jądro jak wirującą kulkę energii, która roztacza dookoła siebie pole elektryczne, która posiada swój wewnętrzny kręt- bardzo prosto mówiąc obraca się w określonych kierunkach. Oczywiście jądro też może się rozprysnąć- albo na skutek zderzeń z wysokoenergetycznymi cząstkami subatomowymi, albo na skutek zastosowania wysokoenergetycznego promieniowania, które oddziela od siebie cząstki składowe, a gdy znajdą się w odpowiedniej odległości od siebie zanikają oddziaływania jądrowe i jedynymi oddziaływaniami są siły odpychania elektrostatycznego między protonami i jądro rozpierzcha się wyzwalając przy tym ogromne ilości energii, która jest jak gdyby ukryta w wiązaniach między protonami i neutronami. Jak powszechnie wiadomo jądro atomowe waży mniej, niż protony i neutrony je tworzące ustawione obok siebie i nie oddziaływujące na siebie żadnymi siłami. Nazywa się to defektem masy jądra atomowego i wynika to właśnie z faktu, że energia, która utrzymuje jądro w całości jest tak silna, że praktycznie ma ona masę. Bardzo ciężko jest to sobie uzmysłowić i wyobrazić (jeśli w ogóle się da), ale jest to kluczowa sprawa, która pomaga nam zrozumieć, dlaczego jądro atomowe jest tak trudno dostępne i dlaczego na ogół w chemii pomija się właściwości jądra i skupia na czymś zupełnie innym.

Chemia nie skupia się na jądrach atomowych. Chemików uczy się jego budowy i funkcjonowania, ale na ogół w chemii nie ma się bezpośredniego "kontaktu" z wnętrzami atomów. Chemicy pracują z elektronami. Elektron jak dla mnie jest to jedna z najbardziej kontrowersyjnych, egzotycznych i nadal słabo poznanych cząsteczek/ nie cząsteczek subatomowych. Z tego co obecnie wiemy elektrony są to cząstki o znikomej masie i elementarnym ładunku ujemnym. Z tego co do niedawna wiedzieliśmy elektrony nie mają wewnętrznej budowy tak jak protony i neutrony. Jest to o tyle nietypowe, że proton zbudowany jest jak już sobie powiedzieliśmy z trzech kwarków, z których każdy ma część ładunku elementarnego protonu. Sądzono, że elektron nie posiada wewnętrznej budowy, ale samotnie unosi ze sobą równowartość ładunku elementarnego protonu, jedynie z przeciwnym znakiem. Obecnie naucza się (co jest dla mnie paradoksem), że elektrony są niepodzielne. 

W 2012 roku szwajcarscy i niemieccy badacze po raz pierwszy zarejestrowali rozpad elektronu na mniejsze, quasi- cząstki, z których każda przejęła jakąś część własności elektronu. Naukowcy zaobserwowali, że wzbudzone elektrony miedziowca rozpadały się na dwie cząsteczki- spinon i orbiton. Są to nowo poznane cząsteczki i obecnie postuluje się, że spinon ‘zabrał’ ze sobą spin elektronu, natomiast orbiton zachował moment orbitalny elektronu. Są to bardzo ważne własności elektronu, ponieważ to głównie one "rządzą" elektronem oraz jego ruchem. Trzeba pamiętać, że podobne eksperymenty przeprowadzano w 1996 roku, z tym, że w tamtym roku udało rozbić się elektron na holon i  spinon- w 2012 roku do tych dwóch quasi- cząstek dołączył również orbiton. Może te trzy cząstki budujące wnętrze elektronu są odpowiednikami kwarków w protonach i neutronach?

Zanim przejdę do omówienia roli elektronu w atomie, chciałbym się jeszcze zatrzymać w temacie oddziaływań między elektronami, co ułatwi nam dalsze rozwiązania. Pozwolę sobie porównać elektron z fotonem. Fotony są częściowo cząsteczkami, a częściowo falami- podobnie jak elektrony. Fotony jak pewnie większość wie przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne z prędkością światła. Ponieważ są praktycznie obojętne mogą przebywać obok siebie i "nie przeszkadza im" obecność innych fotonów w pobliżu. Elektrony nie są już tak towarzyskie. Dawniej sądzono, że elektrony odpychają się tylko dlatego, że mają ujemne znaki, a jak wiadomo dwa jednoimienne znaki się odpychają. Mówiąc "znaki" mam na myśli ładunki. Dzisiaj wiemy, że elektrony odpychają się nie tylko dlatego, że mają ten sam ładunek, ale zależy to w dużej mierze od przekazywania sobie fotonów. Dwa elektrony zgodnie z zakazem Pauliego nie mogą być w tym samym miejscu, mieć tę samą energię i mieć ten sam spin. Gdy tak się dzieje, elektrony wymieniają między sobą fotony dzięki czemu odpychają się zachowując tym samym zgodność z zakazem Pauliego. Wyjaśnia to fakt, dlaczego elektrony w atomie nie mogą zajmować tych samych pozycji. 

Na początku nauki chemii mówi się, że elektrony w atomie krążą sobie dookoła jądra atomu. Nie wdając się w szczegóły dzieci dowiadują się, że są tak jakby dwie grupy elektronów- te mało znaczące ‘rdzeniowe’ i te dzięki którym tworzą się wiązania chemiczne ‘walencyjne’. Na tym etapie mniej więcej kończy się wiedza z gimnazjum, a w wielu przypadków całkowita wiedza na temat elektronów. W liceum jeśli ktoś chce, ma szanse dowiedzieć się, że atom posiada orbity w przybliżeniu kołowe, z których każda różni się energią od innej i na każdej są tak jakby ‘boksy’ w których przebywają po dwa elektrony o przeciwnych spinach, koniec, kropka. Na tym etapie poprzestaje znaczna część osób, a dalsza wiedza zarezerwowana jest albo dla bardzo dociekliwych, albo dla studentów chemii. Dopiero od tego etapu zaczyna robić się ciekawie, ale i ciężko. Bohr stworzył koncepcję polegającą na tym, że elektrony krążą po odpowiednio wyznaczonych orbitach stacjonarnych dookoła jądra i gdy nic się nie dzieje one po prostu krążą i nie oddają, ani nie przyjmują energii. Gdy coś się dzieje (atom zostaje wzbudzony) elektron pobiera z otoczenia energię, albo w postaci fotonu o określonej długości fali, albo przez ogrzanie próbki. Elektron, który dostał energetycznego kopa przeskakuje na wyższą orbitę i sam uzyskuje nadwyżkę energii. Stan ten jest wzbudzony i nie może tak trwać w nieskończoność, ponieważ natura działa w taki, a nie inny sposób, że dąży do posiadania jak najniższej energii. Wobec tego, że wzbudzony elektron ma za dużo energii jest on niewygodny dla atomu i po chwili wraca z powrotem na swoją podstawową orbitę. Nadwyżka energii jaką elektron posiadał na orbicie wyższej zostaje wyemitowana do otoczenia jako foton o określonej długości fali. Oczywiście ten model jest zbyt prosty, bo natura wbrew temu co mówi część naukowców wcale nie jest prosta i po czasie powstał nowy model atomu Schrödingera. Orbity Bohra pozostały na swoich miejscach, ale dołączyły do nich podorbity i orbitale. Wyjaśnijmy to sobie. Aby mówić o elektronie musimy podać jego charakterystyczny opis kwantowy przez podanie pięciu liczb kwantowych. Zgodnie z zakazem Pauliego w atomie nie mogą występować elektrony, których konfiguracja liczb kwantowych byłaby taka sama. Pierwszą, podstawową liczbą jest główna liczba kwantowa. W teorii opisuje ona energię elektronu, ale dla uproszczenia i większego zwizualizowania czym jest ta liczba, przyjmuje się, że mówi ona o numerze orbity, na którym dany elektron występuje. Jeśli elektron jest na orbicie najbliżej jądra, oznacza to, że jest na orbicie 1, jeśli jest na następnej, oznacza, że jest na orbicie 2. Teoretycznie można tak iść w nieskończoność, w praktyce Układ Okresowy kończy się na tym, że w najcięższych pierwiastkach elektrony są rozmieszczone na 7 orbitach. Oczywiście na każdej orbicie może przebywać tylko określona ilość elektronów, np. na pierwszej mogą występować jedynie dwa elektrony, na drugiej może być ich już 8, na trzeciej 18, na czwartej 32, piątej 50, na szóstej 72 i na siódmej 98. To ile elektronów może zawierać każda z powłok określa ilość podpowłok wchodzących w skład powłoki. Każda powłoka zawiera w sobie kilka mniejszych podpowłok, których ilość określona jest przez poboczną liczbę kwantową. I tak jak np. najbliższa powłoka jądra zawiera w sobie tylko jedną po powłokę- s, to następna, druga orbita zawiera w sobie już dwie podpowłoki- s i p, trzecia zawiera w sobie podpowłoki s, p i d, a czwarta s, p, d i f, piąta zawiera w sobie s, p ,d ,f i g i tak dalej. W normalnych warunkach rozpatruje się zwykle pierwiastki o podpowłokach przeważnie do p, czasami zdarza się, że mówimy o pierwiastkach d, ale bardzo rzadko mówi się o innych podpowłokach. Dzieje się tak dlatego, że każda podpołwoka ma swój specyficzny kształt. Podpowłoka s ma kształt sferyczny. Niezależnie od tego, czy dana podpowłoka s należy do orbity pierwszej, drugiej, trzeciej itp. Zawsze ma kształt kulisty, ale coraz to większy rozmiar. Podpowłoka p składa się w sumie z 3 podpodpowłok. Ponieważ wszystko to zorientowane jest w przestrzeni, mówi się ogólnie o podpowłoce p, ale trzeba pamiętać, że w sumie są jej trzy rodzaje. Pojedynczy rodzaj podpowłoki p ma kształt hantli, albo kształt ósemki rozciągniętej na jednej z osi układu współrzędnego. I tak jak np. podpowłoka p rozciąga się w przestrzeni jedynie wzdłuż osi x mówimy o podpowłoce px, jeśli rozciąga się wzdłuż osi y, albo z mówimy odpowiednio o podpowłokach py i pz. Dalsze podpowłoki mają bardzo skomplikowane kształty. To dlaczego każda z podpowłok ma swoje podpodpowłoki wynika z faktu, że na jednym orbitalu mogą przebywać jedynie dwa elektrony, pod warunkiem, że mają przeciwne spiny- określa to magnetyczna spinowa liczba kwantowa i w uproszczeniu mówi ona w którą stronę kręci się elektron. Jeśli na jednym orbitalu znajdują się elektrony z których każdy kręci się w przeciwną stronę, stan ten jest odpowiedni i taki zostaje. Ponieważ na każdej podpodpowłoce mogą być jedynie po dwa orbitale, podpodpowłok w powłoce musi być taka ilość, aby zmieściło się na niej odpowiednio duże elektronów. I tak jak na przykład na pierwszej orbicie mamy do czynienia z podpowłoką jedynie s wiemy, że znajdują się tam jedynie dwa elektrony. Jeśli mówimy, że mamy do czynienia z orbitą drugą, mamy do czynienia z dwoma typami podpowłok- s i p. Ponieważ podpowłoka p dzieli się na trzy podpodpowłoki, a na każdej z podpodpowłok są jedynie po dwa elektrony, cała podpowłoka p może zmieścić jedynie sześć elektronów. Ponieważ wiemy, że na drugiej orbicie jest maksymalnie osiem elektronów, pozostałe dwa są umieszczone znowu na podpowłoce s, ale tym razem ta podpowłoka ma większy rozmiar i nie należy do pierwszej orbity, ale do drugiej tak jak opisane przed chwilą podpowłoka p. Nie będę się tutaj rozwodził jak to się dzieje na kolejnych podpowłokach, ponieważ zasada jest dokładnie taka sama, a z uwagi, że orbita 3 i wyższe zawierają w sobie podpowłoki s, p i d (a wyżej i podpowłoki f) byłoby ciężko opisywać każdy elektron. Dla ciekawskich napomknę, że na podpowłoce d mieści się dziesięć elektronów, a ponieważ wiemy, że orbita trzecia mieście w sobie osiemnaście elektronów, pozostałe elektrony są umieszczone w podpowłoce s i p należącej do trzeciej orbity. 

Na początku drogi związanej ze znajomością rozmieszczeń elektronów na odpowiednich miejscach w atomie każdy ma wątpliwości o co w tym wszystkim chodzi. Zrozumienie tego przychodzi z czasem i bardzo często zdarza się tak, że mimo, że myślimy, że w końcu to pojęliśmy, to tak naprawdę cały czas albo o czymś zapominaliśmy, albo myśleliśmy o czymś w innym sensie niż jest w rzeczywistości. Podobnie było z elektronami. Przez większość czasu myśleliśmy, że są to kuleczki krążące w odpowiednich miejscach. Często zdarza się tak, że ludzie mimo znajomości konfiguracji elektronowych pierwiastków (czyli opisu jaki elektron jest na jakiej powłoce, podpowłoce itp.) dalej myślą o elektronach jako o kulkach, a o orbitalach jako o miejscach dookoła jądra atomowego w których krąży elektron. Jest to duży błąd. Pojęcie orbitalu jest dość abstrakcyjne i wymaga pewnej wprawy wyobraźni, oraz dużej wiedzy matematycznej, aby w pełni oddać to o czym właśnie mówiliśmy. Definicja głosi: „orbital to funkcja falowa będącą rozwiązaniem równania Schrödingera” czyli „orbital jest funkcją falową jednego elektronu, której kwadrat modułu (zgodnie z interpretacją Maxa Borna) określa gęstość prawdopodobieństwa napotkania elektronu w danym punkcie przestrzeni”2. Brzmi to strasznie, ale w sumie nie jest takie trudne jak się z początku wydaje. Postarajmy się to zrozumieć w języku znacznie prostszym z pominięciem ciężkiej matematyki. „Orbital jest funkcją falową jednego elektronu…”- tak zaczyna się definicja i zacznijmy od tego, czym jest funkcja falowa. Funkcja falowa jest to w uproszczeniu pewien matematyczny opis, który mówi o cząstce- fali (dualizm korpuskularno- falowy), a dokładniej określa jej położenie, prędkość, częstotliwość itp. Sama funkcja falowa jako taka nie ma fizycznego sensu, ponieważ jest to funkcja zespolona, czyli używa ona w swoim opisie liczb zespolonych, które używają jednostki urojonej. Jednostka urojona jest czysto abstrakcyjnym pojęciem, które pomaga nam zrozumieć pewne problemy. Dopiero kwadrat moduły funkcji falowej ma sens fizyczny (mówi o tym dalsza część definicji). Kwadratem funkcji falowej jest inaczej prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnym obszarze w przestrzeni- innymi słowy, kwadrat funkcji falowej jest tak jakby kształtem orbitalu w jakim porusza się elektron. Ponieważ jest to tylko funkcja prawdopodobieństwa, oznacza to, że elektron może być w danym obszarze, ale nie koniecznie musi tam być. Jeśli wiemy, że orbital s jest sferyczny, oznacza to, że elektrony orbitalu s są najczęściej w jego obszarze, ale równie dobrze mogą być w zupełnie innym miejscu, a zgodnie z mechaniką kwantową może ich w ogóle tam nie być, albo będą w kilku miejscach naraz. Jak widzimy, elektrony nie są tylko cząsteczkami, które latają chaotycznie dookoła jądra, ale w gruncie rzeczy są falami, układającymi się w charakterystyczne funkcje prawdopodobieństwa, które oddziałują (przyciągająco) z jądrem, ale (odpychająco) też z innymi elektronami tego samego atomu jak i innych. Na zakończenie omawiania budowy uproszczonej atomu, chciałbym napomknąć na temat ekranowania jądra atomowego. Dotyczy to przesłaniania sobie nawzajem jądra atomu przez elektrony na odpowiednich orbitach. 

Jądro atomu roztacza w przestrzeni pole elektrostatyczne, które działa na elektrony przyciągająco. Jak to zwykle bywa jeśli coś przyciąga to wszyscy chcą być jak najbliżej, ale im bliżej tym mniej miejsc. Tak samo jest z atomem. Najbliżej jądra mogą być jedynie dwa elektrony, którym nikt nie przeszkadza. Elektrony z dalszych powłok chcą również być bardzo blisko jądra, ale uniemożliwiają im tak jakby elektrony, które już są obok tego jądro. Tak jak widzowie w kinie- ci siedzący przed nami zwykle zasłaniają nam ekran- tak samo w atomie, elektrony blisko jądra zasłaniają je przed tymi dalszymi, co wpływa na właściwości pierwiastków. Niektóre elektrony są tak bardzo słabo związane z jądrem (ponieważ cała reszta bardzo mocno to jądro zasłania), że mogą one być wybite z pomocą niezbyt wysokoenergetycznego promieniowania, jak to ma miejsce np. w cezie. Efekt ten znany jest jako efekt fotoelektryczny opisany przez Einsteina.   

Z początku chciałem objaśnić mechanizmy (oczywiście uproszczone) tworzenia wiązań między atomami, ale myślę, że będzie to temat na osobny artykuł, ponieważ w tym chciałem skupić się głownie na atomie. Ponieważ jest to jedynie dość krótki artykuł dotyczący budowy atomu, jest oczywiste, że nie dałem rady pokazać atomu takim jaki on naprawdę jest. Jest to zagadnienie bardzo trudne i rozległe opisywane w wielu bardzo grubych podręcznikach. Kolejnym wielkim utrudnieniem są ciągle poznawane i bardzo ciężkie w wytłumaczeniu zasady kwantowe rządzące atomami. My dopiero poznajemy ten świat i nasze słownictwo i wyobraźnia są zbyt skąpe, aby to wszystko zrozumieć. Nie mniej jednak mam nadzieję, że dałem rade chociaż w przybliżeniu nakreślić bardzo ogólny kształt tego jak atom wygląda i chociaż w minimalnym stopniu na podstawowym poziomie zrewidować i sprostować niektóre fakty i  mity krążące tak jak elektrony wokół tematyki atomów.



Pamiętajcie o naszym zaprzyjaźnionym Antykwariacie! 


11 komentarzy:

  1. Jedna lekka uwaga, nawet nie merytoryczna: próbuj nieco staranniej pisać. Już w pierwszym akapicie tu i ówdzie brakuje spacji, dla zaznaczenia cudzysłowie używasz raz " a raz ', a w dodatku zdarzają się powtórzenia. Niby nic, ale poprawki znacznie uprzyjemniłyby pochłanianie tekstu.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dzięki ;)
      Postaram się coś z tym zrobić.

      Usuń
  2. Świetny tekst ! Teraz już rozumiem, dlaczego w gimnazjum na lekcjach pomija się tak wiele o atomie - większość klasy załamywała się na podstawie programowej… Szczególnie akapit wyjaśniający budowę powłok był ciężki - wstyd przyznać, ale praktycznie nic z niego nie zrozumiałem.
    „(…)przeskakuje na wyższą energię i sam uzyskuje nadwyżkę energii.” - dla mnie nieco dziwnie to brzmi, nie powinno być przypadkiem „na wyższą orbitę” lub coś podobnego?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Pewnie Tomasz użył skrótu myślowego. Każdy elektron w atomie dąży do tego aby osiągnąć jak najniższy stan energetyczny. Problem polega na tym, iż gdy będziemy chcieli dołożyć np. do atomu helu trzeci elektron, nie wciśnie się on na pierwszą orbitę (będącą jednocześnie najniższym stanem energetycznym) i zadowoli się wyższą powłoką (innym stanem energetycznym), tworząc lit. Warto też zauważyć, że ten samotny elektron wpływa na silną aktywność chemiczną litu.

      Usuń
    2. "(…)przeskakuje na wyższą energię i sam uzyskuje nadwyżkę energii.”- zdecydowanie powinno być "przeskakuje na wyższą orbitę i sam uzyskuje nadwyżkę energii" ;)
      Dzięki za wychwycenie błędu.

      Usuń
  3. "deuteru [...]- czyli ciężkiej wody"- czy deuter to to samo co ciężka woda?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dopiero teraz, gdy ktoś wytknął mi błędy, że użyłem kolejnego skrótu myślowego- deuter to izotop wodoru, który w połączeniu z tlenem tworzy ciężką wodę.
      Dzięki za wychwycenie takich niedopatrzeń, ale tak to jest jak samemu pisze się tekst, samemu się go sprawdza i nie zawsze wychwyci takich "przejęzyczeń".

      Usuń
  4. Cześć, mam takie pytanie trochę luźno związane z tematem.

    Otóż rozpisując się tutaj o mechanice kwantowej, elektronach i budowie jądra zawsze przypomina mi się pewien eksperyment, którego nie bardzo jestem wstanie pojąć. Chodzi mi o eksperyment z interferencją na dwóch szczelinach.
    Po krotce, chodzi o to, że puszczając pojedyncze elektrony/fotony/atomy na przesłonę z dwoma szczelinami za przesłoną na detektorze uzyskuje się obraz interferencji, tak jakby te pojedyncze elementy materii w jakiś sposób wiedziały, że obok znajduje się szczelina. Przecież elektron nie może się przedzielić na dwie części i interferować sam ze sobą, a jednak w jakiś sposób ta interferencja następuje.

    Jak Ty rozumiesz te doświadczenie, i może wiesz jak w ogóle się je przeprowadza w warunkach laboratoryjnych? Ponoć jak dokonuje się pomiaru przez którą szczelinę przelatuje elektron/foton/atom to interferencji się nie uzyskuje - i to jest dla mnie totalnie niezrozumiałe, tzn na jakiej zasadzie jest to w ogóle możliwe.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. To nie elektron interferuje, a fala prawdopodobieństwa. Mam nadzieję, że autor się nie obrazi, ale podrzucę tekst, w którym pisałem dokładnie o tym: http://atezy.blogspot.com/2012/11/kim-jest-obserwator.html

      Usuń
    2. Dzięki za link do bloga - bardzo dobry wpis, choć nie wyjaśnia on w żaden sposób moich wątpliwości. Niestety, mechanika kwantowa jest nawet dla fizyków ciężka do jednoznacznego zinterpretowania, a co dopiero dla takiego laika jak ja.

      Nie mniej, zawsze mnie te doświadczenie intryguje, bo jakoś z jednej strony rozumiem, że nie można dokonać pomiaru stanu bez ingerencji w układ (zasada nieoznaczoności) - stąd przy próbie określenia przez która szczelinę przelatuje elektron zaburza obraz interferencyjny, a z drugiej strony przecież i tak elektron nie może widzieć, czy np. padający foton akurat później trafi do jakiegoś detektora, z którego na końcu będziemy mogli wydestylować informację o tym, że ten konkretny elektron przeleciał przez daną szczelinę i nie może tworzyć obrazu interferencyjnego. innymi słowy, nie da się odizolować całkowicie układu, a przecież efekt interferencji elektronów na szczelinie mogę sobie uzyskać w domowych warunkach - wystarczy do tego lampa elektronowa z telewizora analogowego, przesłona z dwoma szczelinami i płytka z luminoforem - wszystko w spartańskich warunkach na biurku :-)

      Ahh ta mechanika kwantowa - oszaleć można :D

      Usuń
    3. jeśli dobrze zrozumiałem twoja wątpliwość- nie chodzi o to czy elektron wie ze foton trafi potem do detektor. Chodzi o sam fakt że foton musiał oddziaływać z elektronem by go 'zobaczyc' i to zmienia juz stan układu. To co dzieje się z fotonem potem nie jest istotne.

      Usuń