Materia znana i nieznana, czyli co wiemy o budulcu wszechświata – część II
2021-05-31 Adrian Zając
W pierwszej części tego artykułu zapoznaliśmy się po krótce z makroskopową naturą materii, czyli tym, co możemy lub będziemy mogli w przyszłości zobaczyć, dotknąć czy poczuć. Pozostaje więc bardzo ważne pytanie, z czego materia ta jest zbudowana? Jakie „cegiełki” je tworzą? W odniesieniu do tego zagadnienia prawdopodobnie każdy spotkał się z pojęciem atomu. Właśnie tę „cegiełkę” tworzącą materię przeanalizujemy sobie w tej części.
Atom jako ciastko z rodzynkami
Podobnie jak pojęcie materii, słowo „atom” pojawia się już w pismach filozoficznych starożytnych Greków i Hindusów. Pochodzi ono z greki i oznacza „niemożliwy do pocięcia, niepodzielny”. Wówczas twierdzono, że jest to najmniejsza możliwa cząstka budująca materię. Przekonanie to było uważane za poprawne do początku XX wieku, kiedy technologia pozwoliła fizykom zajrzeć do wnętrza atomu i stwierdzić, że jest on zbudowany z mniejszych cząsteczek: protonów, neutronów i elektronów. Atomy mają wymiary rzędu 10-10 m, czyli jednej dziesięciomilionowej części milimetra oraz masę 10-26 – 10-25 kg, czyli jednej dziesięciotrylionowej części grama.
Od momentu odkrycia faktu, że atom jednak nie jest najmniejszą cząsteczką, zaczęły się spekulacje na temat tego, jak elementy go tworzące są ulokowane względem siebie i dlaczego? Jednym z najwcześniejszych był model Thomsona lub Kelvina-Thomsona, postulowany przez Williama Thomsona, Lorda Kelvina, odkrywcy temperatury zera bezwzględnego oraz drugiej zasady termodynamiki, a następnie doprecyzowany przez laureata nagrody Nobla – Josepha Thomsona. Twierdzili oni, że atom ma budowę „ciastka z rodzynkami”, czyli dodatnio naładowanej kuli, w której poruszają się ujemnie naładowane elektrony, ułożone symetrycznie względem środka kuli.
Planetarny model atomu
Model Thomsona został obalony przez Ernesta Rutheforda i jego dwóch studentów w doświadczeniu rozpraszania cząsteczek α na złotej folii. W największym skrócie chodziło o to, że strumień cząsteczek α jest w znacznym stopniu rozpraszany przez atomy złota, co byłoby niemożliwe przy przyjęciu modelu atomu Thomsona, w którym oddziaływania elektryczne są znikome. Rutheford zaproponował swój model – planetarny model atomu. Zakładał on, że centrum atomu stanowi dodatnio naładowane jądro, wokół którego po orbitach kołowych krążą ujemnie naładowane elektrony. Wyjaśniał on mechanizm rozpraszania cząstek α, jednak i tu pojawił się problem. Zgodnie z założeniami klasycznej elektrodynamiki Maxwella, naładowana elektrycznie cząstka poruszająca się po okręgu (w naszym przypadku – elektron) wokół innej naładowanej przeciwnie cząstki (w naszym przypadku – jądro atomowe), poruszając się w sposób ciągły traci energię wypromieniowując ją w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Znaczyłoby to ni mniej, ni więcej tyle, że po pewnym czasie elektron straciłby tyle energii, iż „spadłby” na jądro, niszcząc strukturę atomu.
Skąd wiemy, że Słońce składa się z wodoru i helu?
Okazało się jednak, że nie sam model jest tu problemem, a właśnie przyjęcie założeń fizyki klasycznej. Niels Bohr przyjął ten sam model planetarny, jednak wysnuł wniosek, że elektrony nie tracą energii wypromieniowując ją w sposób ciągły, ale zajmują orbity w ściśle określonych odległościach od jądra atomowego, a zatem o ściśle określonych energiach. Zgodnie z założeniami Bohra elektron może przyjmować lub wypromieniowywać tylko pewne zdefiniowane porcje energii, tzw. kwanty, co skutkuje zmianą jego orbity. Takie podejście tłumaczy wyniki doświadczeń uzyskanych przy analizie promieniowania emitowanego przez atomy konkretnych pierwiastków, które jest jak odciski palców pierwiastka – charakterystyczne tylko dla niego. Doświadczenia te pokazały, że atomy faktycznie nie promieniują całym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, ale tylko jego określonymi częściami, nazywanymi liniami widmowymi. Wiedza ta jest bardzo przydatna w badaniach kosmosu. Bo skąd wiemy, że Słońce składa się z wodoru i helu? Właśnie z analizy jego promieniowania. Teorię Bohra zmodyfikował następnie Arnold Sommerfeld dodając fakt, że orbity nie są dokładnie kołowe, ale raczej eliptyczne, przez co elektron nie ma ciągle takiej samej prędkości. Modyfikacja ta tłumaczyła istnienie struktur subtelnych w liniach widmowych. W związku z powyższym model ten nazwano planetarnym modelem Bohra-Sommerfelda.
Korpuskularno-falowa natura elementarnych cząstek materii
I można by pomyśleć, że mamy już wszystko wyjaśnione. A tu pojawia się niespodzianka za sprawą Lousia de Broglie’a i jego teorii korpuskularno-falowej natury elementarnych cząstek materii. Teoria ta stanowi, że cząstki tworzące atomy mają tak małe masy i tak duże prędkości, że można je traktować zarówno jako cząstki (korpuskuły), jak i fale elektromagnetyczne. Na tej podstawie oliwy do ognia dolał Erwin Schrödinger, wprowadzając funkcje falowe dla cząstek elementarnych, którym sens fizyczny nadał Max Born wprowadzając pojęcie gęstości prawdopodobieństwa, czyli matematyczny opis tego, jakie jest prawdopodobieństwo znalezienia się danej cząstki w określonym miejscu, w zależności od oddziaływujących na nią sił. Kropkę nad „i” postawił Werner Heisenberg wprowadzając swoją zasadę nieoznaczoności. Mówi ona, że nie da się z dowolną dokładnością wyznaczyć jednocześnie pędu i położenia danej cząstki, czyli w uproszczeniu – nie da się jednocześnie określić gdzie znajduje się cząstka i w jakim kierunku się porusza. Wszystkie te cegiełki złożyły się na powstanie współczesnego modelu atomu, zbudowanego z centralnie położonego jądra otoczonego tzw. chmurą elektronową czy inaczej orbitalami elektronowymi, czyli obszarami przestrzeni w okolicy jądra atomowego, w których prawdopodobieństwo znalezienia się danego elektronu jest większe od zera. W zależności od energii elektronu obszary te przyjmują różne kształty: kuli, potrójnej „hantli” lub bardziej skomplikowane. Co interesujące, eksperymenty z użyciem technik fluorescencyjnych udowodniły te założenia. Innymi słowy, jesteśmy już w stanie oglądać kształt orbitali elektronowych, a nie tylko opierać się na teorii.
Przykłady kształtów orbitali elektronowych atomów (źródło: Wikipedia)
Budowa atomu
Większość masy atomu stanowi jądro (99,9%), reszta to elektrony (0,01%). Jądro zbudowane jest z dwóch rodzajów cząstek: dodatnio naładowanych protonów w liczbie równej ilość elektronów w atomie oraz nie posiadających ładunku elektrycznego neutronów. I jeśli obecność protonów dość łatwo wyjaśnić, bo jeśli mamy ujemne elektrony, a cały atom jest obojętny elektrycznie to te ujemne ładunki muszą być „zrównoważone” przez taką samą ilość ładunków dodatnich, czyli protonów. Natomiast po co te neutrony? Tu wyjaśnienie też jest stosunkowo proste, bo czy ktoś kiedyś próbował zbliżyć do siebie jednoimienne (o tym samym biegunie) końce dwóch magnesów? Właśnie, nie sposób je połączyć ze względu na dużą siłę odpychania, dodatkowo rosnącą w trakcie zbliżania. Tak samo jest z protonami w jądrze. Jeśli byłyby tam same, bardzo mocno odpychałyby się od siebie, co destabilizowałoby jądro i nie pozwalało na istnienie atomu jako takiego. I tu wkraczają neutrony, które działają jak „izolatory” ładunku dodatniego – wciskając się między dodatnie protony, zmniejszają siły je odpychające, a w efekcie – stabilizują strukturę jądra atomowego. Obserwując stabilność atomów poszczególnych pierwiastków, wysnuto nawet zależność decydującą o stabilności jądra atomowego: dla „lekkich” atomów (do 20 protonów w jądrze) najstabilniejsze izotopy (odmiany tego samego pierwiastka z różną liczbą neutronów w jądrze) to te, które posiadają mniej więcej równą liczbę protonów i neutronów w jadrze, natomiast dla „cięższych” pierwiastków, gdzie coraz większa liczba dodatnich protonów skutkuje coraz silniejszymi siłami odpychania między nimi, ilość neutronów względem protonów rośnie osiagając stosunek 1,5:1. Najcięższym stabilnym atomem jest izotop ołowiu 208Pb. Cięższe pierwiastki, ze względu na dużą liczbę protonów w jądrze, nie tworzą już stabilnych izotopów i mamy do czynienia ze zjawiskiem tzw. promieniotwórczości, czyli samoistnego rozpadu jąder atomowych z wydzieleniem różnego rodzaju promieniowania, ale to już temat na inny wpis…
Wracając do budowy atomu, można powiedzieć, że jest on prawie całkowicie pusty, ponieważ, jak już wspomniałem, większość masy jest skupiona w stosunkowo małym jądrze. A najbardziej obrazowo można wyjaśnić to z pomocą „amerykańskich naukowców”. Termin ten jest na pewno znany ludziom przeglądającym memy. W pewnym momencie bardzo popularne były doniesienia (w większości fikcyjne) amerykańskich naukowców, wyjaśniające wszelkie, nawet te niedorzeczne, zagadki ludzkości. „Amerykańscy naukowcy” mają również tendencję do porównywania pewnych niewyobrażalnych dla przeciętnego człowieka zjawisk do rzeczy znanych z życia codziennego, np. ile kuchenek mikrofalowych można zasilić przez minutę działania elektrowni atomowej itp. W naszym przypadku będzie to chyba najwłaściwsze podejście. Żeby zobrazować „pustość” atomu, można powiedzieć na przykład, że jeśli powiększylibyśmy przeciętny atom do rozmiarów arbuza, to i tak gołym okiem nie dałoby się zobaczyć jądra. Albo jeszcze bardziej obrazowo: gdyby powiększyć atom do rozmiarów kuli ziemskiej, to jądro byłoby wielkości jabłka. Daje to pewne wyobrażenie o atomie.
Skupiska atomów, czyli cząsteczki
Zatem wiemy już co nieco o atomie i jego budowie. Na koniec należałoby jeszcze wspomnieć o tym, że atomy, z kilkoma wyjątkami (np. gazy szlachetne) nie lubią być same. Lubią łączyć się w skupiska zwane cząsteczkami. Cząsteczki mogą zawierać od dwóch (jak np. najmniejsza znana cząsteczka wodoru) do 17 milionów atomów (cząsteczka PG5). Te najmniejsze można obserwować tylko z użyciem specjalistycznych mikroskopów sił atomowych, natomiast te największe jedynie z użyciem zwykłego mikroskopu optycznego. Ale jak i dlaczego atomy łączą się w cząsteczki? Jak przy większości zjawisk w świecie kwantowym, kluczowa jest tu energia, a precyzyjniej, jej zmniejszanie. Im coś ma mniejszą sumaryczną energię, tym jest stabilniejsze, i właśnie do pewnego rodzaju stabilizacji dążą atomy, tworząc cząsteczki. Jednymi z najprostszych przykładów są tu gazy: wodór, tlen czy azot, które w naturze nie występują w postaci atomów, ale dwuatomowych cząsteczek. Dzieje się tak właśnie ze względu na to, że sumaryczna energia cząsteczki jest mniejsza niż dwóch pojedynczych atomów. I tu ktoś może się, dość słusznie, zastanawiać: jeśli tak, to czemu wytworzenie pewnych związków wymaga dostarczenia energii w postaci np. ogrzewania naczynia reakcyjnego? Dlaczego tak się dzieje wyjaśnia teoria energii aktywacji. Energia aktywacji jest to pewien próg energetyczny, który trzeba „przekroczyć”, żeby atomy mogły zbliżyć się do siebie na tyle, aby były w stanie się połączyć, czyli ulec reakcji chemicznej. Jeśli reakcja jest egzoenergetyczna (w trakcie jej trwania wydziela się ciepło), to energii dostarczamy tylko na początku, a potem reakcja daje sobie już sama radę. Jest tak np. w procesie spalania, gdzie po zapłonie dalsze spalanie odbywa się bez naszego udziału – energia potrzebna do przekroczenia progu energii aktywacji tworzenia kolejnych cząsteczek jest wytwarzana w samej reakcji. Jeśli natomiast reakcja jest endoenergetyczna (pobiera ciepło z otoczenia), to musimy dostarczać energię w sposób ciągły aż do jej zakończenia.
A jak to się dzieje na poziomie atomowym? Jeśli dwa atomy zbliżą się do siebie tak, że orbitale ich elektronów walencyjnych, czyli tych najbardziej oddalonych od jądra, nałożą się na siebie, to elektrony te stają się wspólne dla obu atomów – tworzy się wiązanie chemiczne. Oczywiście, nie dzieje się to bez spełnienia warunku równoważności energii – nakładające się orbitale muszą mieć taką samą lub zbliżoną energię. Dlatego też jedne wiązania chemiczne tworzą się stosunkowo łatwo, natomiast inne – bardzo trudno lub w ogóle. Uwspólnienie wiąże się też ze zmianą kształtu orbitalu. Mówimy tu o przekształceniu orbitali atomowych w orbitale molekularne.
W ten sposób dobrnęliśmy do końca tej bardzo skrótowej opowieści o budulcu materii, czyli atomie. W następnej, ostatniej już części postaram się opowiedzieć, co może stać się z materią w ekstremalnych warunkach temperatury, ciśnienia i grawitacji, czyli przedstawię wybrane „cuda” kosmosu.
