|
Ali lahko primerjamo atom z osončjem, t.j. s soncem okoli katerega krožijo planeti? Ali atome veže le gravitacijska sila ( ta mora biti velikanska, da elektroni ne odletijo stran saj se vrtijo z velikansko hitrostjo)? In še: mogoče se je na kakšnem atomu razvilo življenje? |
Najprej naj posvarim pred nazornimi predstavami, ki jih ponuja vprašanje. Ker spada opis atoma v domeno kvantne mehanike, to je fizikalne teorije, ki se ukvarja z opisom pojavov na nanometrski skali, se tu srečamo s Heisenbergovim načelom nedoločenosti. Le to govori o tem, da ne moremo hkrati določiti lege in hitrosti kvantnega delca. Tir elektrona v prostoru, ko “kroži” okoli jedra, torej sploh ni določen! Govorimo lahko le o verjetnosti, da na določeni oddaljenosti od jedra najdemo elektron.
Še predno pa te oblije preveliko razočaranje: tvoje vprašanje sploh ni tako nesmiselno kot se morda zdi na prvi pogled. Prvi model atoma, ki je lahko pojasnil lego sevalnih črt vodikovega atoma, je bil namreč precej podoben osončju, z jedrom v sredini in elektronom, ki kroži okoli jedra. Tak model je postavil Danski fizik Niels Bohr na začetku stoletja, ko je bila kvantna mehanika še v povojih, zato nosi ime po njem: Bohrov model atoma. Seveda pa je med osončjem in atomom tudi v tej sliki nekaj bistvenih razlik. Elektrone v atome veže elektrostatska sila. Elektroni so namreč negativno nabiti, medtem ko je jedro nabito pozitivno, saj vsebuje pozitivno nabite protone (in nevtralne nevtrone, ki pa za to razpravo niso potrebni). Drugo pomembno razliko pa prinese Bohrova predpostavka, da lahko elektroni krožijo le po točno določenih tirih. Elektronu namreč lahko pripišemo valovno dolžino , ki je odvisna od njegove hitrosti v in mase m
kjer je h=6.626 10 -34 Js Planckova konstanta, ki določa kdaj smo v območju kvantne mehanike. Tir po katerem elektron kroži je stabilen po Bohru, če je obseg tirnice enak celemu večkratniku valovne dolžine
Radij prve orbite za vodikov atom si zasluži posebno ime, Bohrov radij mu pravijo in meri rB=0.0528nm. V kvantomehanskem opisu je to radij v okolici katerega se nahaja elektron v vodikovem atomu (v najnižjem energijskem stanju) z največjo verjetnostjo. Elektroni se po tej sliki torej lahko gibljejo le po točno določenih orbitah, vsaka naslednja je bolj oddaljena od jedra. Elektron, ki sedi na določeni orbiti ima tudi natanko določeno energijo. Kot niso mogoči vsi tiri, tako seveda tudi ne morejo elektroni imeti poljubne energije, le tiste, ki pripadajo posamezni orbiti. Dobimo diskreten energijski spekter, ki se za vodikov atom z n spreminja kot
kjer je ER=13.6 eV Rydbergova energija. Vsak naslednji nivo leži na energijski skali višje (premisli!). Diskreten energijski spekter je v ostrem nasprotju s sončnim sestavom, kjer lahko sistem planet-sonce zavzame poljubno energijo, odvisno pač s kakšno hitrostjo sunemo planet okoli sonca (tak energijski spekter imenujemo zvezen). Diskreten energijski spekter je tako kot Planckova konstanta, ki nastopa v izrazih za Rydbergovo energijo, jasen znak, da imamo pravzaprav opraviti s kvantnomehanskim sistemom. Presenetljivo pa je, da da Bohrov model za vodikov atom (to je najenostavnejši sistem, kjer imamo v interakciji le dva delca, proton in elektron) enake rezultate, kot natančen kvantomehanski opis.
V zgornjem govorjenju smo gravitacijski privlak zaradi mase elektrona in protona kar zanemarili. Pa vendar, med njima poleg elektrostatske sile deluje tudi gravitacijska, saj imata obadva od nič različno maso. Ali je bil naš privzetek upravičen? Gravitacijski in elektrostatski privlak med dvema masivnima (oz. nabitima) telesoma sta si po obliki potenciala povsem enaka. Obema namreč pojema velikost z razdaljo kot 1/r, vendar pa je gravitacijski privlak mnogo, mnogo šibkejši. Za primer elektrona in protona je gravitacijski potencial kar 10-40 krat manjši od električnega. V opisu atoma je torej gravitacija povsem zanemarljiva.
Kakšen pa bi bil atom, če bi imeli namesto električnega privlaka med elektronom in protonom le gravitacijski privlak (če bi bila nevtralna)? Ker bi bil privlak med njima toliko šibkejši, bi se elektron nahajal na veliko večji oddaljenosti od protona. Pravzaprav bi atom tedaj zavzemal kar enormne dimenzije- večji bi bil od celotnega današnjega vesolja.
Pa še nekaj besedi o tvoji zadnji domislici. Verjetno te je na misel o življenju na atomih pripeljala primerjava atoma z osončjem. A naj te kar takoj razočaram. Da bi se na elektronu ali jedru razvilo življenje je povsem nemogoče, vsaj dokler velja naš sedanji pogled na svet. Za življenje namreč potrebuješ določeno kompleksnost, dovoljšnje število osnovnih gradnikov, ki bodo sposobni tvoriti veliko raznolikost oblik, prenašati informacije iz generacije v generacijo… Je že res, da so atomi (jedra ) grajeni iz manjših gradnikov (kvarkov), vendar pa ti lahko tvorijo le končno število različnih vzrocev. Tako so si atomi res od elementa do elementa različni, vendar pa sta jedri istega elementa povsem enaki. Drugače kot v življenjskih tvorbah, kjer se ločijo ljudje od opic, a se prav tako ločijo ljudje med seboj (to je tisto, kar prinese dovolj veliko število osnovnih gradnikov).
