Atomi su stvoreni nakon Velikog praska prije 13,7 milijardi godina. Kako se vrući, gusti novi svemir hladio, uslovi su postajali pogodni za stvaranje kvarkova i elektrona. Kvarkovi su se okupili kako bi stvorili protone i neutrone, a te čestice su se spojile u jezgre. Sve se to dogodilo u prvih nekoliko minuta postojanja svemira, prema CERN-u.
Bilo je potrebno 380.000 godina da se svemir dovoljno ohladi da uspori elektrone kako bi ih jezgre mogle zahvatiti da bi stvorile prve atome. Najraniji atomi bili su prvenstveno vodonik i helij, koji su i dalje najrasprostranjeniji elementi u svemiru, prema Jefferson Labu. Gravitacija je na kraju dovela do spajanja oblaka plina i formiranja zvijezda, a i teži atomi su stvoreni (i još uvijek se stvaraju) unutar zvijezda i poslani po cijelom svemiru kada je zvijezda eksplodirala (supernova).
Atomi su stvoreni nakon Velikog praska prije 13,7 milijardi godina. Kako se vrući, gusti novi svemir hladio, uslovi su postajali pogodni za stvaranje kvarkova i elektrona. Kvarkovi su se okupili kako bi stvorili protone i neutrone, a te čestice su se spojile u jezgre. Sve se to dogodilo u prvih nekoliko minuta postojanja svemira, prema CERN-u.
Bilo je potrebno 380.000 godina da se svemir dovoljno ohladi da uspori elektrone kako bi ih jezgre mogle zahvatiti da bi stvorile prve atome. Najraniji atomi bili su prvenstveno vodonik i helij, koji su i dalje najrasprostranjeniji elementi u svemiru, prema Jefferson Labu. Gravitacija je na kraju dovela do spajanja oblaka plina i formiranja zvijezda, a i teži atomi su stvoreni (i još uvijek se stvaraju) unutar zvijezda i poslani po cijelom svemiru kada je zvijezda eksplodirala (supernova).
Nema razloga da se javlja beta raspad, izuzev što je dozvoljen zakonima prirode. Dok god reakcija oslobađa energiju, ona ne mora biti izazvana s vana. To je slučajni događaj.
Dakle, svako jezgro će na kraju naći najniže energetsko stanje. Stvarno pitanje je zašto različita stanja imaju različite nivoe energije.
Oba protona i neutrona su spojena snažnom nuklearnom silom. Protone odbija elektrostatička sila koja je mnogo slabija od jake nuklearne sile, ali ima mnogo veći doseg. To znači da u jednom trenutku snažna sila postaje zasićena i da će vam trebati više neutrona da bi balansirali odbojnu elektrostatičku silu.
Sa druge strane, jezgro sa previše neutrona je takođe nestabilno zbog Paulijevog principa isključenja. Protoni se razlikuju od neutrona, stoga mogu da zauzimaju isto stanje. Umjesto visokih 50 slojeva neutrona možete imati mnogo kompaktnije i stoga mnogo manje energičnijih 25 slojeva i neutrona i protona.
Ako smatrate da se jedan atom raspada u drugi, a rezultujući atom ima manju masu, onda je propadanje moguće i eventualno će se dogoditi. Neutroni su malo teži od protona (za oko tri elektronske mase), tako da će neutronima bogat izotop vjerovatno izgubiti masu ako se neutron raspada u proton. (mada masa zbog energije koja povezuje protone i neutrone zajedno takođe mora biti uzeta u obzir).
Jezgra žele biti stabilna. Postoji puno faktora koji idu u utvrđivanje stabilnosti za određenu konfiguraciju protona i neutrona. Ispostavlja se da jezgra vole da imaju jednak broj protona i neutrona. To je tačno do određene mjere. Na kraju, previše protona znači da jezgro želi da se raspada, jer ima puno pozitivnih čestica. Dodatni neutroni pomažu da se slijepe zajedno.
Ako napravite neutronima bogati izotop, on će se raspadati dok se ne nađe u stabilnoj konfiguraciji. Pošto ima puno neutrona, otklanjaće ih ili beta raspadom ili emisijom neutrona. Naravno, mnogi izotopi mogu da drže mnogo neutrona, ali im se to ne dopada. Oni su nestabilni jer mogu biti stabilniji (vezani) ako imaju više izjednačen broj protona i neutrona.
Hemičar Džon Dalton predložio je teoriju da su sva materija i predmeti sastavljeni od čestica zvanih atomima, a ovo je i dalje prihvaćeno od strane naučne zajednice, skoro dva vijeka kasnije. Svaki od ovih atoma je sastavljen od neverovatno male jezgre, pa čak i manjih elektrona, koji se kreću prilično daleko od centra.
Ako zamislite stol koji je milijarde puta veći, njegovi atomi bi bili veličine lubenice. Ali i pored toga, jezgro u centru bi i dalje bilo premalo da bi se vidjelo, a elektroni bi i dalje plesali oko njega. Pa zašto naši prsti jednostavno ne prolaze kroz atome, i zašto svjetlost ne prolazi kroz praznine?
Da objasnim zašto bi trebali pogledati elektrone. Nažalost, mnogo toga što smo učili u školi je pojednostavljeno – elektroni ne kruže oko centra atoma kao planete oko Sunca, kao što ste mogli i naučiti. Umesto toga, mislite na elektrone poput roda pčela ili ptica, gdje su pojedinačni pokreti suviše brzi za praćenje, ali i dalje vidite oblik ukupnog rojka.
Elektronski ‘ples’
U stvari, elektronski ples – ne postoji bolji izraz za to. Ali to nije slučajan ples – to je više kao ples, gdje se kreću u setu obrazaca, sljedeći korake koje propisuje matematička formulacija nazvana po jednadžbi od Erwina Schrödingera.
Slika: Elektroni su kao jato ptica
Ti šabloni mogu varirati – neki su spori i nježni, kao valcer, neki su brzi i energični, poput Charlestona. Svaki elektron drži isti obrazac, ali jednom za neko vrijeme može se promjeniti na drugi, sve dok nijedan drugi elektron ne radi više taj obrazac. Nema dva elektrona u atomu istog koraka: ovo pravilo se zove Princip isključenja.
Iako se elektroni nikad ne umaraju, doći do bržeg koraka, uzima energiju. A kada se elektron spušta u sporiji uzorak gubi energiju. Dakle, kada energija u obliku svjetlosti padne na elektron, može apsorbovati neku energiju i pomjeriti se na viši, brži “plesni” uzorak. Svjetlosna zraka neće proći kroz naš sto, pošto su elektroni u svim atomima željni da privuku neku energiju iz svjetlosti.
Poslije veoma kratkog vremenskog perioda oni bi izgubili ovu energiju, možda ponovo kao svjetlost. Promjene u obrascima apsorbcije i emitovanja svjetlosti daje refleksiju i boje – tako da vidimo sto kao čvrst.
Otpor kada se dodirne
Slika: Otpor stola je jak
Ako dodirnete sto, onda se elektroni iz atoma u prstima približavaju elektronima u atomima stola. Pošto se elektroni u jednom atomu približavaju jezgru drugog, promjene u njihovim plesovima se mijenjaju. Ovo je zbog toga što elektron u niskom energetskom nivou oko jedne jezgre ne može učiniti isto oko druge – taj prorez već uzima jedan od sopstvenih elektrona. Novajlija mora stupiti u nenaseljenu, energetskiju ulogu. Ta energija mora biti isporučena, a ne od svjetla ovog puta, već od sile koju dobije od vaših prstiju.
Tako gurati dva atoma blizu jedan drugom uzima energiju, jer svi njihovi elektroni treba da idu u prazno visoko energetsko stanje. Pokušavati da gurate sve atome stola i atome prstiju zajedno zahtijeva jako puno energije – više nego što mogu isporučiti mišićeđi. Osjećate to kao otpor na vašim prstima, zbog čega se i stolica osjeća čvrstom na vaš dodir.
Slika elektrona koji “kruže oko” jezgre poput planeta oko sunca ostaje trajna, ne samo u popularnim slikama atoma, već i u umovima mnogih koji znaju bolje. Prijedlog, prvi put napravljen 1913., da centrifugalna sila rotirajućeg elektrona točno balansira atraktivnu silu jezgre (analogno centrifugalnoj sili mjeseca u svojoj orbiti koja se točno protivi privlačenju Zemljine gravitacije) lijepa je zamisao, ali je jednostavno neodrživa.
Slika 1.1: Najpopularnije znanstvene slike atoma pokazuju elektrone koji se kreću oko jezgre poput planeta oko sunca. Ove su slike prilično jednostavno pogrešne. Dolaze iz stare ideje o strukturi atoma i traju, djelomično od navike, a dijelom zbog toga što je suvremeni pogled na raspored elektrona u atomu previše težak da bi napravili neku jednostavnu sliku.
Jedno od podrijetla ove hipoteze koja sugerira ovu perspektivu je vjerojatna je sličnost gravitacije i Coulombske interakcije. Izraz za silu gravitacije između dvije mase (Newtonov zakon gravitacije) jest:
gdje m1 i m2 predstavljaju mase objekta 1 i 2, odnosno r predstavlja razmak između centara objekata. Izraz za Coulombovu snagu između dva naelektrisanja jest:
q1 i q2 predstavljaju naboj objekta 1 i 2, odnosno r predstavlja razmak između centara objekata.
Međutim, elektron, za razliku od planeta ili satelita, električno je napunjen, a od sredine 19. stoljeća poznato je da električni naboj koji se podvrgava ubrzanju (mijenja brzinu i smjer) emitira elektromagnetsko zračenje, gubi energiju u procesu. Rotirajući elektron pretvorio bi atom u minijaturnu radijsku postaju, čija će energija biti po cijeni potencijalne energije elektrona; prema klasičnoj mehanici, elektron bi jednostavno otišao poput spirale u jezgro i atom bi se srušio.
Slika 1.2: Klasična spirala smrti jednog elektrona oko jezgre.
Kvantna teorija u spašavanju!
Do 1920-ih, postalo je jasno da maleni objekt kao što je elektron ne može se tretirati kao klasična čestica koja ima određenu poziciju i brzinu. Najbolje što možemo učiniti je odrediti vjerojatnost njegovog manifestiranja u bilo kojem trenutku u prostoru. Ako biste imali čarobnu kameru koja bi mogla uzeti niz slika elektrona u orbitali atoma vodika i mogla kombinirati dobivene točkice na jednoj slici, vidjet ćete nešto ovako. Jasno, vjerojatnije je da će se elektron naći što bliže se kretamo prema jezgri.
To potvrđuje ova slika koja pokazuje količinu elektronskog naboja po jedinici volumena prostora na različitim udaljenostima od jezgre. To je poznato kao ploha gustoće vjerojatnosti. Jedinica volumena prostornog dijela je ovdje vrlo važna; budući da se radi o radijusu bliže jezgri, ti volumeni postaju vrlo mali, pa se broj elektrona po jedinici volumena povećava vrlo brzo. U ovom pogledu, čini se kao da elektron pada u jezgru!
Prema klasičnoj mehanici, elektron bi jednostavno otišao spiralno u jezgru i atom bi se srušio. Kvantna mehanika je drugačija priča.
Bitka beskonačnosti spašava elektron iz njegove spirale smrti
Kao što znate, potencijalna energija elektrona postaje negativnija jer se kreće prema atraktivnom polju jezgre; u stvari, približava se negativnoj beskonačnosti. Međutim, budući da ukupna energija ostaje konstantna (atom vodika koji mirno sjedi sam neće izgubiti ni nabaviti energiju), gubitak potencijalne energije nadoknađuje povećanje kinetičke energije elektrona (ponekad se u ovom kontekstu naziva Energija “ograničenja”) koja određuje svoj zamah i njegovu efektivnu brzinu.
Kako se elektron približava malenom volumenu prostora kojeg zauzima jezgra, njegova potencijalna energija uroni se prema minus-beskonačnosti, a njegova kinetička energija (zamah i brzina) puca prema pozitivnoj-beskonačnosti. Ta “bitka beskonačnosti” ne može biti osvojena ni s jedne strane, pa se postiže kompromis u kojemu teorija kaže da pad potencijalne energije je samo dvostruko viši od kinetičke energije, a elektrona pleše po prosječnoj udaljenosti koja odgovara Bohrovom radijusu.
Još jedna stvar nije u redu s ovom slikom; Prema principu Heisenberga neizvjesnosti (bolji izraz bi bio “neodređenost”), čestica sitna kao elektron ne može se smatrati kao da ima određenu lokaciju ili zamah. Princip Heisenberga kaže da se bilo mjesto ili zamah kvantne čestice kao što je elektron može točno poznavati, ali kako je jedna od tih količina preciznije navedena, vrijednost druge postaje sve neodređenija. Važno je shvatiti da ovo nije samo pitanje poteškoća promatranja, već temeljno svojstvo prirode.
Ono što to znači jest da unutar malih granica atoma, elektron se ne može smatrati “česticom” koja ima određenu energiju i mjesto, tako da je pomalo pogrešno govoriti o elektronskom “padu” u jezgru.
Arthur Eddington, poznati fizičar jednom je sugerirao, a ne sasvim u šali, da bi bolji opis elektrona bio “wavicle”!
Možemo, međutim, govoriti o tome gdje elektron ima najveću vjerojatnost manifestiranja – to jest, gdje će se naći maksimalni negativni naboj.
Ovo je samo krivulja označena kao “gustoća vjerojatnosti”; njezin strmi uspon dok se približavamo jezgri nedvosmisleno pokazuje da se elektron najvjerojatnije može naći u sićušnom volumenu elementa u jezgri. Ali čekaj! Nismo li samo rekli da se to ne događa? Ono što ovdje zaboravljamo jest da dok se mi iseljavamo iz jezgre, broj ovih malih volumenskih elemenata smještenih duž bilo kojeg radijusa vrlo brzo raste s r, što povećava faktor 4πr*r. Dakle, vjerojatnost pronalaženja elektrona negdje na određenom krugu radijusa nađena je množenjem gustoće vjerojatnosti pomoću 4πr*r. To daje krivulju koju ste vjerojatno vidjeli negdje drugdje, poznatu kao radijalna vjerojatnost, koja je prikazana na desnoj strani gornjeg dijagrama. Vrh radijalne vjerojatnosti za glavni kvantni broj n = 1 odgovara Bohrovom radijusu.
Ukratko, gustoća vjerojatnosti i radijalne vjerojatnosti prikazuju dvije različite stvari: prva pokazuje gustoću elektrona na bilo kojoj točki u atomu, dok druga, koja nam je općenito koristna, govori o relativnoj gustoći elektrona zbrajano iznad svih točaka na krugu danog radijusa.
