Röviden az atomokról
Az atomok az anyag alapvető egységei és az elemek építőkövei. A legtöbb atom három részből áll. Pozitív elektromos töltésű protonból, elektromos töltéssel nem rendelkező neutronból, és negatív elektromos töltésű elektronból.
A proton (a képen piros) és a neutron (a képen sárga) általában közösen alkotják az atom magját, míg az elektron (a képen kék) körülöttük „kering”. Minden anyag atomokból áll, a különbség az atomok szerkezetében van. Az atom magjában található proton határozza meg, hogy éppen melyik kémiai elemről van szó.
Minden 1 protonnal rendelkező atom hidrogén. Minden 5 protonnal rendelkező atom bór. A legtöbb atomban vannak elektronok és neutronok is, de a hidrogén leggyakoribb formája nem tartalmaz neutronokat, és gyakran elveszíti az elektronját is.
Jelenleg 118 különböző atom létezik. Ezek megegyeznek a periódusos táblázat elemeivel. 92 előfordul a természetben is, a többit mi, emberek hoztuk létre. A jövőben újabb elemeket hozhatunk létre azzal, hogy további protonokat adunk a már létező atomokhoz.
Miért nem tudunk átmenni a falakon, ha az atomok nagyrészt üres térből állnak?
Az atomok 99,99+%-a „üres” térből áll, mégsem látunk keresztül a legtöbb dolgon, és nem tudunk keresztülmenni a falakon sem, habár mi magunk is atomokból állunk. Miért van ez?
Ha elképzelünk egy asztalt, amit egymilliárdszorosára felnagyítunk, a benne lévő atomok akkorák lennének, mint egy dinnye. A közepén lévő atommag még így is túlságosan kicsi lenne ahhoz, hogy lássuk, csakúgy, ahogy az atommagot körülvevő elektronok is. Akkor mégis miért nem esik keresztül a pohár az asztalon, ha rátesszük, és miért nem látunk keresztül mindenen?
Ahhoz, hogy ezt megértsük, meg kell vizsgálnunk az elektronokat. Sajnálatos módon az iskolában tanult információk egy része le van egyszerűsítve, például az is, amit az atomokról tanulunk. Az elektronok valójában nem úgy keringenek az atommag körül, ahogy a bolygók a Nap körül. Ezt a modellt (Bohr-féle atommodell) csak a könnyebb érthetőség miatt alkalmazzák, de tartsuk észben, hogy ez nem igaz.
Tehát az elektronokat a Nap körül keringő bolygók helyett sokkal inkább úgy kell elképzelnünk, mint egy méhrajt, vagy madárrajt, ami körülveszi az atommagot. Az egyes „madarak” mozgása túl gyors ahhoz, hogy lekövessük, de összességében látjuk a teljes rajt.
Az elektronok „tánca”
Az elektronok atommag körüli mozgását valóban a „tánc” szóval lehet a legjobban leírni (természetesen nem szó szerinti táncról van szó), de ez nem véletlenszerű, improvizált mozgás, sokkal inkább egyfajta társastáncnak lehetne mondani. Az elektronok meghatározott mintákban mozognak, követve Erwin Schrödingerről elnevezett matematikai egyenletet.
Ezek a minták változók. Néha lassúak és finomak, mint az angol keringő, máskor gyorsak és energetikusak, mint a Charleston. Minden elektron a saját mintáját tartja, de néha változtathat a mintán, ha nincs egy másik elektron, ami ugyanazt a mintát követi. Egy atomon belül két elektron egy időben nem követheti ugyanazt a tánclépést – ez a Pauli-elv.
Habár az elektronok nem fáradnak el, gyorsabb tánclépésekhez energiára van szükségük. Amikor egy elektron lassabb tánclépésekbe kezd, energiát ad le, amit kisugároz. Amikor fény (foton) formájában energia ér egy elektront, az az elektron elnyeli a foton energiáját, és gyorsabb, magasabb „tánclépésekbe” kezd. A foton nem jut messzire az asztalban, mivel az elektronok szívesen fogják el őket, hogy energiát nyerjenek tőlük.
Nagyon rövid időn belül az elektronok elveszítik a fotontól nyert energiájukat, és ismét fény formájában leadják. Az elnyelt és visszavert fény mintázatában bekövetkező változások visszaverődéseket és színeket adnak – tehát az asztalt és a falat szilárdnak látjuk.
Miért érezzük a dolgokat szilárdnak? Hogyan lépnek kapcsolatba egymással az atomok?
Nem azért, mert az elektronok a kezedben és az asztalban taszítják egymást, hanem az elektronok „tánca” miatt.
Amikor megérinted az asztalt, az ujjadban lévő elektronok közel kerülnek az asztalban lévő elektronokhoz. Amikor az egyik atom elektronjai közel kerülnek egy másik atom magjához, az elektronok „tánca” megváltozik. Ez azért van, mert egy atommag körül alacsony energiaszinten táncoló elektron nem tudja ugyanezt megtenni egy másik atommag közelében. Nem csoda, hiszen az az energiaszint már foglalt a másik atom elektronja által, vagyis azt a „táncot” már járja valaki más. Az újonnan érkezőnek egy még betöltetlen, energetikusabb szerepbe kell lépnie. Emlékezzünk, hogy az elektronnak energiára van szüksége ahhoz, hogy megváltoztassa a tánclépéseit.
Ezt az energiát ezúttal nem a fénytől kapja, hanem a tapintóujjad nyomásából szerzi. Egyeszűen szólva: két atom szoros egymáshoz tolása energiát igényel, mivel minden elektronnak üresen álló, nagy energiájú állapotokba kell kerülnie. Megpróbálhatjuk összetolni az összes ujj-atomot és asztal-atomot, de ez sokkal több energiát igényel, mint amit az izmaink képesek ellátni.
Ezt a jelenséget érezzük úgy, mint az ujjunkkal szembeni ellenállást, amikor megérintünk egy „szilárd” tárgyat. Ezért nem tudunk átmenni a falakon, és a fenti példa miatt nem látunk keresztül szabad szemmel (látható fény) a tárgyak többségén.
További információt az atomokról ebben a videóban találsz.