Atomer och elektroner

Att diskutera atmosfären och dess växthusgaser utan grundläggande kunskaper om atomer och molekyler är onödigt svårt och ger närmast oändligt utrymme för missförstånd. Jag vill försöka lära mig något om grundläggande kemi och fysik som är viktigt och ett sätt är att försöka förklara för mig själv så att jag tror att jag förstår. För att öka insatsen avsevärt väljer jag att utmana genom skriva mina tankar här.

Det man inte på ett någorlunda sammanhängande sätt kan beskriva har man inte greppat!

Atomer är mycket små unika element som allt i och omkring oss består av. Vi kan inte se enskilda atomer, men via kluriga experiment och mätningar går det att med god precision ta reda på deras egenskaper. Jag kommer att lägga tyngdpunkten på atomers inbördes samspel (kemi och fysik) och lämnar atomkärnornas kvantfysik och liknande fix till andra att beskriva.

Bildens proportioner är felaktiga, om protonen får bestämma skalan borde elektronen vara 50 – 100 meter bort.

En vanlig atommodell* bygger på en kärna av minst en proton (en positivt laddad nukleon**) dessutom, i alla ämnen utom den allra enklaste väteatomen(H), en eller flera elektriskt neutrala neutroner. Atomer i grundtillstånd har samma antal negativt laddade elektroner som det finns protoner i kärnan. Tidigare beskrevs elektroner som att de cirklar likt planeter runt en stjärna men de beter sig snarare som lager av diffusa ”moln”, man kan räkna dem, vet var de vanligen hör hemma men inte var de för ögonblicket finns. Tätheten i bildens moln (de kan finnas i flera lager) beskriver sannolikheten var de kan påträffas. För att ytterligare komplicera det uppträder elektroner nästan uteslutande parvis i orbitaler (se nedan) och har då alltid olika spin. 

Den numera vanligare uppfattningen är att de är vågor, de beskrivs med sannolikhetsfunktioner. Redan en så enkel atom som väte med en elektron kan uppvisa en mängd möjliga orbitaler.

Ger man en elektron en lagom knuff (t.ex. lyser på den) kan den hoppa ut från sitt ordinarie moln och kallas då exciterad, det varar mycket kort tid och när den faller tillbaka ger den ifrån sig energi i form av en foton, några synliga medan andra kan vara UV eller IR (värmestrålning). Varje grundämne avger ett noga definierat mönster av sådana spektrallinjer och man kan därför med god precision bestämma sammansättningen av kroppar både nära och långt borta som t.ex. stjärnor, dessutom hur hastigt stjärnor/galaxer rör sig i förhållande till oss. Det är vanligen bortåt, varför?

Min hypotes: Spektrallinjer har ”bredd” vilket innebär att att den består av fotoner med något olika energiinnehåll (frekvenser/våglängder). Exciterade elektroner växlar inte nödvändigtvis mellan energinivåer i orbitalerna som har högst sannolikhet utan kan lämna och komma till en ny orbital med vilken som helst av ”godkända” vågfunktioner. Rimligen avger de då en foton som beror av skillnader mellan de två energinivåerna.

Om kärnan vore stor som en ärta så finns elektronmolnen i storleksordningen 500 meter bort. Elektronens massa är oerhört liten,  1/1800 av en nukleon (proton eller neutron). Allt i och omkring oss är därför i huvudsak tomrum och det vi kan förnimma är det yttersta eller de två yttersta elektronmolnen. När vi rör någon/något är det ”våra” elektroner mot ”deras”. När blickar möts är det fotoner som överför ögonens färg och glans från och till elektronmoln.

Det verkar lite si och så med pyttigt små elektroner långt ut i diffusa moln, men ta en slägga och damma den med kraft i ett städ så ser du förmodligen inga nämnvärda märken i vare sig slägga eller städ. Städets och släggans elektronmoln bryr sig inte tillräckligt länge för att det ska synas. Samma sak gäller även för atomer i gaser och grundämnen som är lätta att bearbeta, det är inte atomer i sig som ger vika, de flyttar sig inbördes. Men om du slår tillräckligt många gånger och sedan känner på släggans slagyta så är den varmare än förut. Vi har gett dess atomer/molekyler lite extra rörelseenergi, det vi uppfattar som och kallar värme.

Varje grundämne har ett unikt antal protoner i kärnan och (i det oladdade grundtillståndet) precis samma antal elektroner fördelade i ett eller flera moln utanför. Omvänt kommer varje antal protoner att motsvara ett unikt grundämne. Hos alla grundämnen utom den enklaste varianten av väte (det finns två till, deuterium*** och tritium) finns även neutroner, ofta samma eller större antal än protonerna. Antalet neutroner kan variera och de resulterande ämnena kallas isotoper. Ur kemisk men inte fysikalisk synvinkel är de näst intill likvärdiga.

Mellan kärnpartiklarna finns ett par krafter som verkar på olika avstånd, både attraherande och repellerande. Trots en stark kärnkraft**** mellan nukleoner så spelar den betydligt svagare repellerande kraften mellan positivt laddade protoner en avgörande roll, dess verkan når nämligen så mycket längre. För att tillföra mer sammanhållande attraktion i kärnan i form av mer stark kärnkraft ökar antalet oladdade neutroner i kärnan i minst samma takt som antalet protoner, men ett ”misslagomt” antal neutroner gör kärnorna instabila, de faller isär i diverse partiklar och strålning, de är radioaktiva.

Om det blir fel eller överförenklat bortom räddning så hoppas jag att eventuella läsare påpekar och rättar så snart som möjligt i kommentarer eller via mail, adressen finns uppe till vänster.

Detta kommer ursprungligen från MatFrisk Blogg, lätt redigerat för att passa in i diskussioner om atmosfär, växthusgaser, väder och klimat.

*) I naturvetenskapliga sammanhang använder man begreppet modell, ofta en visualisering av sådant som annars är svårt att föreställa sig. En bra modell ska motsvara verkligheten så långt vi känner den, men mycket är fortfarande oupptäckt.

**) Nukleoner är samlingsbeteckning på kärnpartiklarna protoner och neutroner.

***) Deuterium med två nukleoner plus syre ger tungt vatten. Ungefär 1 väteatom av 7000 i våra kroppar är ²H, Deuterium. Iskuber av deuterium sjunker i vanligt vatten. Tritium (³H) är instabilt, radioaktivt, och faller isär med en halveringstid på dryga 12 år. Har du en klocka med ständigt ”självlysande” siffror och visare så är sannolikheten stor att det är tritium som exciterar elektroner i fosfor att avge ljuset. Tidigare användes radium.

****) Den starka kärnkraften verkar mellan atomkärnans nukleoner men bara på mycket korta avstånd i storleksordningen en femtometer (10^-15 meter = 1/1 000 000 000 000 millimeter). På närmare avstånd än så blir den snabbt repulsiv (frånstötande) och på längre avstånd upphör den snabbt. Det blir lite som om nukleonerna är sammanbundna med något som samtidigt är starkt, föga elastiskt och skört. För nukleoner som befinner utom den starka kärnkraftens räckvidd kommer Coulombkraften (repulsion mellan laddningar med samma tecken) omgående att ta överhanden. Det är därför radioaktivt sönderfall resulterar i ”snabb energi”. (Egentligen exergi.)