Cegiełki świata, czyli atomy

Wszystko co Nas otacza zbudowane jest z małych cegiełek zwanych atomami. Przynajmniej tak uważano do niedawna. Koncepcję atomu (z greckiego átomos – niepodzielny) propagowali filozofowie już w starożytności, jednak dopiero w XVII wieku udało się potwierdzić ich istnienie. Uważano, że nie mają żadnej struktury i są najmniejszymi możliwymi elementami materii. Dzisiaj wiemy, że atomy składają się z jeszcze mniejszych składowych (kwarków), grupują się tworząc pierwiastki chemiczne i dalej – związki chemiczne. Jednak wyobrażenie o cegiełkach tworzących większe obiekty, wraz z rozwojem nauki okazało się nie do końca trafione, a koncepcję mikroświata jaką znamy dzisiaj (konkretnie jej probabilistyczną naturę) negował sam Albert Einstein. Atomy

Wielkość atomu wynosi ok. 10⁻¹⁰ m co oznacza, że w łyżeczce cukru zmieści się ich ok. 396 000 000 000 000 000 000 000. Można je obserwować przez skaningowy mikroskop tunelowy.

Świetna animacja obrazująca wielkości – The Scale of the Universe

Budowa atomu (materii) – podejście planetarne

Atom składa się z jądra atomowego, którego składowymi są protony i neutrony. Protony mają ładunek dodatni, a neutrony nie mają ładunku. Wokół jądra krążą elektrony naładowane ujemnie.

Ładunek elektryczny to pewna cecha cząstek (inną cechą jest przykładowo – masa). Cząstki, które mają ten sam ładunek – odpychają się, a te o przeciwnych ładunkach – przyciągają się. W powyższym przykładzie są dwie cząstki naładowane dodatnio i dwie ujemnie. Te ładunki się znoszą, a sam atom (jako całość) jest elektrycznie obojętny (nie ma ładunku – 2 plusy i 2 minusy dają zero).

Budowa protonu i neutronu

Proton i neutron zbudowane są z dwóch rodzajów kwarków – górnych i dolnych, które również posiadają swój ładunek elektryczny (ułamkowy). W dużym uproszczeniu możemy zastosować podobny schemat jak dla atomu.

Kwarki, podobnie jak elektrony są według współczesnej wiedzy cząstkami elementarnymi, czyli takimi które nie posiadają struktury (nie można ich podzielić). Aktualnie znamy sześć rodzajów kwarków.

Budowa antyatomu i antykwarka (antymateria)

Są przeciwieństwem atomów i charakteryzują się między innymi odwróconym ładunkiem elektrycznym. Spotkanie atomu i antyatomu prowadzi do anihilacji, czyli zniszczenia obu cząstek – uwolnieniu energii.

Składowymi się z jądra antyatomu są antyprotony i antyneutrony. Antyprotony mają ładunek ujemny, a antyneutrony nie mają ładunku. Wokół jądra krążą a antyelektrony (pozytony) naładowane dodatnio.

Antykwarki również mają odwrócony ładunek i składają się z antygórnych i antydolnych

Ze względu na problematyczne przechowywanie antymaterii (po spotkaniu ze zwykłą materią ulega anihilacji i zamienia się w energię), trudno w warunkach ziemskich przechowywać ją w większych ilościach. Konieczne staje się umieszczenie jej w silnym polu magnetycznym, tak aby nie dotykała ścianek „naczynia” w którym się znajduje. Nie potrafimy jej również efektywnie produkować. Szacuje się, że koszt stworzenia zaledwie grama antymaterii kosztowałby ponad biliard dolarów.

Mimo tego, antymaterię wykorzystuje się na przykład w medycynie – do obrazowania procesów molekularnych. Urządzenie zwane PET, czyli pozytonowa tomografia emisyjna, wykorzystuje pozytony (antyelektrony) do wykrywania zmian nowotworowych.

Cząstki antymaterii powstają cały czas w przyrodzie, a niektórzy zastanawiają się czy istnieją układy planetarne lub nawet galaktyki składające się w całości z antyatomów.

Budowa atomów egzotycznych

Korzystając z zasad budowy atomu, które składają się z dodatnio i ujemnie naładowanych elementów, można pokusić się o zastąpienie ich innymi cząstkami. Ujemnie naładowany elektron w atomie można przykładowo zastąpić mionem (cięższa wersja elektronu), albo antyprotonem. Uzyskamy odpowiednio atom mionowy i protonium. Zastępując zaś proton – pionem, a elektron – mionem uzyskamy pionium. Kombinacji jest oczywiście znacznie więcej.

Jony – rozładowane lub naładowane atomy

Jony to atomy, które posiadają ładunek elektryczny, czyli przyciągają lub odpychają inne zjonizowane atomy. Naładowane dodatnio to takie, które utraciły elektron i tym samym mają przewagę dodatnio naładowanych cząstek (protonów) – nazywa się je kationami. Jony naładowane ujemnie to takie, które zyskały elektron – nazywa się je anionami.

Jony uzyskuje się w procesach zwanym jonizacją lub dysocjacją elektrolityczną.

Pierwiastki chemiczne – zgrupowane atomy

Pierwiastkiem chemicznym nazywamy w uproszczeniu – grupę takich samych atomów. Dokładniej – zawierających taką samą liczbą protonów w jądrze (tzw. liczba atomowa). Liczba protonów informuje nas z jakim rodzajem atomu mamy do czynienia. Znane nam atomy są ujęte w układzie okresowym pierwiastków (potocznie: tablicy Mendelejewa). Ich liczba atomowa znajduje się prawym górnym rogu każdego pierwiastka.

Liczba masowa to suma protonów i neutronów. Przykładowo Hel to atom zbudowany z dwóch protonów i dwóch neutronów, więc jego liczba masowa wynosi cztery. Liczba masowa nie jest masą atomu, którą sprawdza się doświadczalnie.

Liczbę masową i atomową zapisujemy po lewej stronie symbolu pierwiastka

Izotopy pierwiastków – odmiany atomów

Pierwiastki mogą występować w różnych odmianach w zależności od ilości posiadanych neutronów. Mają tą samą liczbę atomową (liczbę protonów), ale różną liczbę masową (suma protonów i neutronów).

Przykładowo wodór (H) występuje w kilku znanych postaciach:

Związki chemiczne – zgrupowane pierwiastki

Związki chemiczne to połączenie co najmniej dwóch różnych rodzajów pierwiastków chemicznych. Przykładowym związkiem chemicznym jest woda, która składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Cząsteczki wody są połączone ze sobą tworząc ciecz.

Związki chemicznych lub grupa różnych związków chemicznych wymieszanych razem tworzą substancję (np. woda, woda morska, żelazo).

W powszechnym użyciu związek chemiczny kojarzy się wielu osobą negatywnie (tzw. chemia) co pozwala łatwo manipulować społeczeństwem, aby zakazać, bądź promować swoją idee – przykład z DHMO

Ciśnienie

Atomy, związki chemiczne, substancje poruszają się bezustannie. Woda w szklance napiera na jej boki, a siła z jaką to robi nazywa się ciśnieniem. Im szybciej poruszają się atomy i im mocniej uderzają w brzegi naczynia tym wyższe ciśnienie się wytworzy, aż w końcu szklanka może pęknąć, a płyn się wyleje. Szybkość poruszania się atomów jest zależna od temperatury – im wyższa temperatura tym atomy poruszają się szybciej, niższa – wolniej. Ciśnienie zależne jest jeszcze od tego ile atomów znajduje się w danej przestrzeni oraz jaka jest ich masa np. pakując się na wakacje staramy się dopchać jak najwięcej ubrań do walizki. Wciskamy na siłę kolejną bluzkę i tym samym zwiększamy ciśnienie jakie działa na ścianki walizki. Jeżeli się bardzo postaramy możemy rozerwać torbę dociskając kolejny element garderoby.

Ziemia (planeta) przyciąga nas do środka (grawitacja). Podobnie dzieje się z powietrzem, które między innymi z tego powodu nie odlatuje w przestrzeń kosmiczną. Nad nami znajduje się mnóstwo powietrza, które dodatkowo napiera na nas. Dlatego żyjąc na planecie poddawani jesteśmy cały czas pewnemu ciśnieniu. Im wyżej się wznosimy tym słabiej działa grawitacja oraz jest mniej powietrza co oznacza, że ciśnienie się zmniejsza. Woda naciska silniej i dlatego pływając poddawaniu jesteśmy większemu ciśnieniu.

Stany skupienia

W zależności od tego jakiemu ciśnieniu poddane są atomy, substancja będzie znajdowała się w jednym z kilku stanów skupieniach. Wyróżniamy trzy stany skupienia – stały, ciekły (ciecz) i gazowy (lotny)

Kiedy podgrzejemy wodę (stan ciekły) do temperatury stu stopni zamieni się ona w parę wodną (stan gazowy). Jeżeli zaś ochłodzimy ją do zero stopni zamieni się w lód (stan stały). To dotyczy jednak tylko powierzchni naszej planety. Na wysokości 3km, gdzie panuje niższe ciśnienie wystarczy 90 stopni, aby woda zamieniła się w gaz (mniej powietrza powstrzymuje ją przed zmianą w stanu). W kosmosie zaś temperatura wrzenia jest ujemna.

Wszystkie ciała mają swoje temperatury graniczne w których zmieniają stan skupienia. Tlen zamieni się w ciało stałe przy normalnym ciśnieniu, w temperaturze -218,79°C, a w postać płynną w temperaturze -183°C.

Temperatura substancji to średnia „temperatury” atomów. Jak dolewamy zimną wodę do gorącej to staje się ona letnia, ale to nie oznacza, że wszystkie atomy nagle uzyskały tą samą prędkość. Atomy dalej poruszają się z różnymi prędkościami. Z czasem zderzają się między sobą i ze ścianami naczynia i tracą stopniowo prędkość, przez co ich temperatura spada..

Energia i masa – atom to energia

Jedną z ważniejszych osób, która swoimi teoriami mocno zamieszała w dotychczasowej koncepcji był niemiecki naukowiec Albert Einstein. W 1905 roku wypuścił pracę zatytuowaną „Szczególna teoria względności„, która zmieniła pojęcie czasu i przestrzeni. Wprowadziła też słynny wzór (potwierdzony później doświadczalnie):

Wynika z niego, że energia (E) jest zależna od masy (m) i prędkości światła (c ≈ 1 miliard km/h), ale też że masa wynika z samej energii. Poruszający się obiekt ma większą energię (sam z siebie się nie poruszył – musieliśmy mu przekazać energię – np. rzucając nim), a im ma większą energię tym ma większą masę. Przy małych prędkościach ta różnica jest jednak na tyle znikoma, że trudno ją nawet zmierzyć. Natomiast ilość energii jaką trzeba włożyć, aby rozpędzić obiekt do prędkości światła jest nieskończona (masa takiego obiektu też byłaby „nieskończona”) i dlatego mówimy, że nic (co ma dodatnią masę) nie może poruszać się szybciej od światła.

Mechanika kwantowa – wszystko jest falą

Obecnie wiemy, że cząstki mają naturę falową. Oznacza to tyle, że w pewnych okolicznościach zachowują się jak fale na wodzie, a określenie jednocześnie ich położenia i pędu jest niemożliwe. Natura mikroświata okazuje się być znacznie bardziej nieintuicyjna, niż nam się wydaje, a próby zrozumienia samej materii są trudniejsze niż początkowo się wydawało. Elektron nie krąży wokół jądra jak planeta wokół słońca, a w pustej przestrzeni cały czas powstają i znikają cząstki. Mechanika kwantowa stara się opisać zjawiska zachodzące w mikroświecie. Budowa atomu z uwzględnieniem mechaniki kwantowej sprowadza się do czystej matematyki i wymyka się naszej wyobraźni.

Teoria wszystkiego (TW)

Teoria wszystkiego to poszukiwany Święty Grall fizyki. Chodzi o połączenie wszystkich zjawisk fizycznych jakie znamy w jedną spójną teorię. Mimo intensywnego rozwoju wspomnianej mechaniki kwantowej, nadal nie potrafi ona wyjaśnić chociażby grawitacji. Jednym z najbardziej znanych kandydatów na teorię wszystkiego jest kontrowersyjna teoria strun.