Τι σχήμα έχουν τα άτομα;
Η παραπάνω εικόνα, είναι η κλασική εικόνα που χρησιμοποιούμε για να απεικονίσουμε ένα άτομο ή ακόμα και γενικότερα τη φυσική. Τα άτομα όμως δεν είναι έτσι. Με τα χρόνια, οι επιστήμονες έφτιαχναν διάφορα μοντέλα για να τα απεικονίσουν, βασιζόμενοι στις γνώσεις που είχαν μέχρι τότε. Ακολουθήστε με σε μια ανασκόπηση της αντίληψης που είχαν οι άνθρωποι για τα άτομα από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα.
Η ιστορία μας ξεκινάει στην αρχαία Ελλάδα (αν και κάλλιστα θα μπορούσε να ξεκινάει στην αρχαία Ινδία) κατά τον 5ο αιώνα π.Χ. όταν ο Λεύκιππος και ο μαθητής του ο Δημόκριτος έθεσαν την εξής ερώτηση στον εαυτό τους: Τι θα συνέβαινε αν έπαιρνες ένα αντικείμενο και το διαιρούσες σε όλο και μικρότερα μέρη; Θα μπορούσες να το διαιρείς για πάντα ή θα έφτανες σε κάποιο σωματίδιο το οποίο δε θα έσπαγε σε άλλα κομμάτια; Η απάντησή τους ήταν το δεύτερο και ονόμασαν αυτό το σωματίδιο «άτομο», το οποίο κυριολεκτικά σημαίνει αυτό που δεν μπορεί να διαιρεθεί.
Κατά τον Λεύκιππο και τον Δημόκριτο τα άτομα εμφανίζονταν σε άπειρα σχήματα και μεγέθη και ήταν αόρατα, αιώνια, άφθαρτα, αμετάβλητα και αδιαίρετα. Η υπόθεση του ατόμου όμως δεν επικράτησε, ίσως επειδή ο Αριστοτέλης είχε διαφορετική γνώμη. Οι άνθρωποι είχαν σε μεγάλη εκτίμηση τον Αριστοτέλη, οπότε η άποψή του έφερνε ιδιαίτερο βάρος. 1
Όλα αυτά βέβαια είχαν νόημα μόνο μέσα σε ένα φιλοσοφικό πλαίσιο καθώς η ανθρωπότητα απείχε πάρα πολύ ακόμα από το να διαθέτει την τεχνολογία για να ελέγξει αυτούς τους ισχυρισμούς.
Κάποια στιγμή τον 17ο αιώνα άρχισε να επανεμφανίζεται η ιδέα πως η ύλη αποτελείται από σωματίδια. Στις αρχές του 1800 ο Άγγλος χημικός και φυσικός John Dalton επανάφερε την ιδέα των ατόμων και υποστήριξε πως τα άτομα είναι σφαιρικά, αδιαίρετα κομμάτια ύλης (σαν μικροσκοπικές μπάλες μπιλιάρδου) τα οποία δεν μπορούν να καταστραφούν ούτε να δημιουργηθούν. Υποστήριξε επίσης πως όλα τα άτομα ενός χημικού στοιχείου είναι τα ίδια, έχουν δηλαδή την ίδια μάζα, και οι χημικές ενώσεις είναι ο συνδυασμός διάφορων τέτοιων ατόμων. 2 3
Η ιδέα του Dalton είναι σημαντική, όχι γιατί ήταν σωστή, αλλά γιατί ήταν ουσιαστικά η πρώτη επιστημονική υπόθεση για τη φύση της ύλης. Όλοι οι ισχυρισμοί του μπορούσαν να ελεγχθούν πειραματικά.
Και ο πρώτος έλεγχος έγινε από τον Άγγλο φυσικό J.J. Thomson το 1897. Ο Thomson μελετώντας τις ιδιότητες της καθοδικής ακτινοβολίας (η οποία βασικά είναι ακτινοβολία ηλεκτρονίων) διαπίστωσε ότι τα άτομα στην πραγματικότητα δεν ήταν…άτομα αλλά αποτελούνταν από ακόμα μικρότερα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα ηλεκτρόνια.
Ο Thomson γνώριζε πως τα άτομα γενικά ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα, δεν γνώριζε όμως πώς κατανέμονταν η μάζα στο εσωτερικό τους. Πρότεινε έτσι ένα μοντέλο το οποίο έμεινε στην ιστορία ως «μοντέλο-σταφιδόψωμο»: Το άτομο είναι κάποιου είδους σφαιρική σούπα θετικού φορτίου και μέσα σ’ αυτή τα ηλεκτρόνια είναι ενσωματωμένα σα σταφίδες σε ένα σταφιδόψωμο. 4
Η ζωή του σταφιδόψωμου έφτασε στο άδοξο τέλος της το 1909, όταν ο Άγγλος φυσικός Ernest Rutherford μαζί με δύο μαθητές του (Hans Geiger και Ernest Marsden), έβαλαν το μοντέλο του Thomson στο μικροσκόπιο. Στην παρέα του Rutherford άρεσε γενικά να κουτουλάει σωματίδια άλφα με διάφορα αντικείμενα, έτσι σ’ ένα από τα πιο διάσημα πειράματα στη φυσική, έστειλαν σωματίδια άλφα πάνω σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού. 5
Σύμφωνα με το μοντέλο του Thomson, όλα τα σωματίδια έπρεπε να περάσουν μέσα από το φύλλο με καθόλου έως ελάχιστη απόκλιση στην πορεία τους. Αν το φορτίο του ατόμου ήταν τόσο διάχυτο μέσα στη σφαίρα, το ηλεκτρικό του πεδίο δεν θα έπρεπε να επηρεάζει ιδιαίτερα τα σωματίδια άλφα.
Με την εκτέλεση του πειράματος λοιπόν, παρατήρησαν δύο πράγματα: Πρώτον, η πλειοψηφία των σωματιδίων περνούσαν όντως ανεμπόδιστα μέσα από το φύλλο χρυσού. Δεύτερον, κάποια λίγα σωματίδια εκτρέπονταν σε πολύ μεγάλο βαθμό, μεγαλύτερο και από 90 μοίρες! Το αποτέλεσμα αυτό προκάλεσε τρομερή έκπληξη στην ομάδα. Όπως το έθεσε ο ίδιος ο Rutherford: «Ήταν σαν να ρίχναμε οβίδες σε ένα χαρτομάντηλο και αυτές να επέστρεφαν πίσω σε εμάς».
Ο Rutherford λοιπόν συνειδητοποίησε πως όλο το θετικό φορτίο και σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου βρίσκεται σε μια πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του, η οποία ονομάστηκε πυρήνας του ατόμου.
Υπήρχε όμως δυσκολία στο να εξηγηθεί ο ρόλος των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο. Αν τα ηλεκτρόνια παρέμεναν ακίνητα τότε θα έλκονταν από τον πυρήνα και θα γινόταν κομμάτι του. Ο Rutherford πρότεινε πως τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο. Το μοντέλο του έμεινε γνωστό ως «πλανητικό μοντέλο» και είναι ίσως η πιο διαδεδομένη εικόνα για τα άτομα.
Και το πλανητικό μοντέλο όμως είχε προβλήματα. Σύμφωνα με την κλασική φυσική ένα επιταχυνόμενο ηλεκτρόνιο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Αυτό σημαίνει πως τα ηλεκτρόνια καθώς βρίσκονται σε τροχιά θα έπρεπε να χάνουν ενέργεια, ταχύτητα και τελικά να πέφτουν στον πυρήνα μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου, προκαλώντας την κατάρρευση του ατόμου. Προφανώς αυτό δε συμβαίνει αλλιώς εγώ δε θα βρισκόμουν εδώ να σου διηγούμαι αυτή την ιστορία και εσύ δε θα υπήρχες για να τη διαβάσεις.
Τη λύση την έδωσε το 1913 ο Δανός φυσικός Neils Bohr με κάπως πλάγιο τρόπο, σχεδόν ζαβολιάρικο. Θεώρησε πως οι τροχιές των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένες, δηλαδή υπάρχουν τροχιές σε συγκεκριμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες ενέργειες, στις οποίες όταν βρίσκονται τα ηλεκτρόνια δεν ακτινοβολούν. Ακτινοβολούν μόνο όταν μεταβαίνουν από μία στάθμη με μεγαλύτερη ενέργεια σε μία με μικρότερη, ενώ για να γίνει το ανάποδο τα ηλεκτρόνια πρέπει να απορροφήσουν ενέργεια. 6
Οι φυσικοί βρισκόταν σε δίλημμα. Από τη μία η λύση που έδινε ο Bohr ήταν απλή, κομψή και συμφωνούσε με τα δεδομένα. Από την άλλη έπρεπε να δεχθούν πως η φυσική που γνώριζαν φαινόταν να κάνει εξαιρέσεις για τα άτομα.
Το μοντέλο του Bohr χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα, πρώτον, για να δείξουμε πως τα ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να έχουν μόνο συγκεκριμένες ενέργειες και δεύτερον επειδή είναι εύκολο να το κατανοήσουμε… και να το σχεδιάσουμε!
Με την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής όμως, ακόμη και αυτό το μοντέλο έχει πια ξεπεραστεί. Για τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος μπορούμε να σχεδιάσουμε την τροχιά τους και μπορούμε να προβλέψουμε που ακριβώς θα βρίσκονται αύριο, σε μια εβδομάδα ή σε 100 χρόνια.
Στα άτομα τα πράγματα είναι διαφορετικά. Τα ηλεκτρόνια δεν έχουν αυστηρά καθορισμένες τροχιές. Δεν μπορούμε να ξέρουμε που ακριβώς είναι ένα ηλεκτρόνιο, προς τα που πηγαίνει και πόσο γρήγορα. Αν δεν γνωρίζουμε αυτά είναι αδύνατο να γνωρίζουμε τι ακριβώς κάνει ένα ηλεκτρόνιο μέσα στο άτομο. Αυτό που μπορούμε να ξέρουμε είναι που είναι πιο πιθανό να το βρούμε, αν το ψάξουμε, και πόση ενέργεια θα έχει εκεί που θα το βρούμε.
Πως μοιάζει τότε ένα άτομο; Δυστυχώς δεν έχω κάτι να σου δείξω και να σου πω «Να! Έτσι!». Ας δούμε αυτή την εικόνα.
Οι χρωματιστές περιοχές ονομάζονται τροχιακά και είναι οι περιοχές μέσα στις οποίες ένα ηλεκτρόνιο θα βρεθεί στο 95% των περιπτώσεων. Όσο πιο ανοιχτό είναι το χρώμα τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να βρεθεί εκεί. Αν θέλουμε να είμαστε 100% σίγουροι για το που μπορεί να είναι, θα πρέπει να φτιάξουμε ένα τροχιακό που να εκτείνεται σε όλο το σύμπαν. Θεωρητικά, το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί και στην άλλη άκρη της Γης! 7
Προσοχή όμως, αυτό δε σημαίνει πως το ηλεκτρόνιο είναι μια μικρή μπαλίτσα της οποίας της αρέσει να αράζει εδώ κι εκεί αλλά σε κάποια μέρη περισσότερο από κάποια άλλα. Το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει όλο το τροχιακό. Κατά μία έννοια, το ηλεκτρόνιο είναι το τροχιακό.
Αν θέλεις να έχεις μια εικόνα στο μυαλό σου για τα άτομα, μπορείς να φανταστείς τον πυρήνα σαν ένα πολύ, πολύ μικρό πλανήτη και το ηλεκτρόνιο σαν μια περίεργα σχηματισμένη ατμόσφαιρα. Τα ατομικά τροχιακά περιγράφουν το σχήμα αυτής της ατμόσφαιρας, μόνο όμως όταν υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο στο άτομο. Όταν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν πιο ομοιόμορφα τον χώρο γύρω από τον πυρήνα σχηματίζοντας τελικά ένα περίπου σφαιρικό ηλεκτρονιακό νέφος.
Σου αρέσει η Καθημερινή Φυσική; Εγγράψου στο newsletter για να παίρνεις ειδοποίηση με κάθε νέα ανάρτηση (1-2 φορές τον μήνα). Μην ξεχάσεις το email επιβεβαίωσης!
Email:
Θέλεις να βοηθήσεις; Τέλεια! Πήγαινε στη σελίδα Υποστήριξη για να μάθεις πώς.