Ismerkedés az atomokkal

A legtöbb témában elég haladó szintre kell eljutnod, mire a filozófiai szempontból érdekes kérdéseket tárgyalhatod, de kémiából rögtön az elején a filozófiai szempontból legérdekesebbnek mondható résszel kezdünk, ami nem más, mint az atom. Az atom alapgondolata, amivel a filozófusok réges-régen – akár utána is nézhetsz, hogy kik azok a filozófusok, akik először foglalkoztak ezzel – azt mondták, hogy ha mondjuk, fognék egy almát, és elkezdeném felvagdosni... gyorsan rajzolok is egy almát úgy, hogy ne szív alakú legyen. Kész is van. Van egy szép almánk, és felvagdossuk egyre kisebb és kisebb darabokra. Aztán egyszer csak olyan kicsi darabot kapunk, amelyet már nem tudunk elvágni. És biztos vagyok benne, hogy e filozófusok némelyike tényleg fogott egy kést, próbálkozott és azt gondolta: – Ó, bárcsak egy kicsit élesebb késem lenne, akkor még tovább vagdoshatnám! Ez egy teljesen filozófiai megközelítés, amely őszintén szólva, sok szempontból nem igazán tér el attól, ahogy ma az atomot elképzeljük. Ez valójában csak egy elvonatkoztatás, ami lehetővé teszi számunkra, hogy a világegyetemben tett rengeteg megfigyelésünket leírjuk. De mindenesetre ezek a filozófusok azt mondták, hogy azt gondolják, egy bizonyos ponton eljutnak az alma olyan apró darabjához, amelyet már nem tudnak tovább bontani, és ezt elnevezték atomnak. És kimondták, hogy ez nem csupán az almára, hanem bármilyen anyagra igaz, vagy bármilyen elemre, amellyel a világegyetemben találkozunk. Így aztán az atom görögül azt jelenti, hogy oszthatatlan, vagy felbonthatatlan. Persze ma már tudjuk, hogy tovább bontható, és annak ellenére, hogy ez nem magától értetődő, az atom nem a legkisebb általunk ismert formája az anyagnak. Ma már tudjuk, hogy az atom még kisebb részecskékből épül fel. Le is írom ezeket. Van a neutron, majd gyorsan le is rajzolom, hogy ezek hogyan állnak össze egységes atomszerkezetté. Van a neutron, a proton, és vannak az elektronok. Már talán hallottál is ezekről, ha régi videókat nézel atommodellekről, ott láthatsz olyan rajzot, ami olyan, mint ez. Nézzük csak, tudok-e rajzolni egyet, valami ilyesmi lenne, és ezek itt keringenek körbe-körbe, valahogy így. Ilyen pályáik vannak, vagy valami ilyesmi. A legfőbb dolog, amin ezek az ábrák alapulnak – és szerintem a mai napig felbukkannak egy-egy védelmi kutatólaborban, vagy hasonló helyeken – az, hogy az atom közepén van az atommag, és tudjuk, hogy az atommagban vannak a neutronok és a protonok. Később majd beszélni fogunk róla, hogy melyik elemnek hány neutronja, illetve hány protonja van. És az elektronok mozgása... az atompálya szót fogom használni. bár két perc múlva meg fogjuk tanulni, hogy az atompálya nem helyes módja annak bemutatására. amit az elektron csinál. Azonban a korábbi elképzelés szerint az elektronok ahhoz hasonlóan keringenek az atommag körül, ahogy a Föld kering a Nap, vagy a Hold kering a Föld körül. Bebizonyították, hogy ez valójában teljesen rossz elképzelés. Amikor a kvantummechanikával foglalkozunk, megtanuljuk majd, hogy miért nem működik ez. Milyen ellentmondások merülnek fel, amikor úgy próbáljuk meg modellezni az elektront, ahogy egy bolygó kering a Nap körül. De ez volt az egyik első elmélet, és úgy vélem, még midig leginkább így képzelik el az atomokat. Említettem, hogy az atom filozófiai szempontból érdekes. Miért érdekes filozófiai szempontból? Mert amit most az elfogadott atommodellnek tekintünk, elmossa, hogy hol van a fizikai világ határvonala... minden csak információ, valójában nincs olyan, hogy tényleges anyag vagy valódi részecskék, ahogy azokat a mindennapi életben definiáljuk. Számomra egy részecske olyan, mint egy homokszem. Meg tudom fogni, megérinthetem. Míg egy hullám, olyan lehet, mint mondjuk egy hanghullám, csupán az energia időbeli változása. De majd meglátjuk, különösen a kvantummechanika során, hogy minden összekuszálódik, ahogy az atommérethez közelítünk. Mondtam, hogy ez nem a megfelelő mód. Mi a megfelelő mód? – Ez egy fénykép, vagyis nem igazi fénykép, ez is egy ábra. Tehát érdekes a kérdés, amit az előbb feltettem. Hogy kaphatunk képet egy atomról? Hiszen kiderül, hogy a fény legtöbb hullámhossza, különösen a látható hullámhossz, sokkal nagyobb, mint az atom mérete. Minden mást, amit a világban észlelünk, azt fény visszaverődése által észleljük. Ha viszont az atommal foglalkozunk, akkor szinte olyan, mintha a visszavert fény egyszeriben túl nagy lenne, túl vastag egy olyan készülék számára, amivel megfigyelhetjük az atomot. Ez a héliumatom ábrája. A héliumatomnak két protonja és két neutronja van. Vagy legalábbis ennek a héliumatomnak két protonja és két elektronja van. Itt úgy ábrázolják az atommagot... Feltételezem, hogy a proton a piros és a neutron a kék. A kék semlegesebb színnek tűnik. Az atom középpontjában találhatóak. Ez az egész homályos rész a hélium két elektronja, vagy legalábbis ezé a héliumé. Felvehet vagy leadhat elektront. De ez a két elektron. Hogy lehet két elektron ez a homályos rész, ez a maszat az atom körül? Na és itt kezd filozófiai szempontból érdekessé válni. Nem írható le az elektron atommag körüli pályája a hagyományos pálya-elmélettel, amivel a bolygók esetén találkoztál, vagy ha valamilyen nagyobb méretű dolgot képzelünk el. Ugyanis egy elektronnak nem ismerhetjük a pontos lendületét és helyét adott időpillanatban. Csak annak az eloszlási valószínűségét tudjuk, hogy hol található. Úgy ábrázolják, hogy a fekete nagyobb valószínűséget jelent, tehát nagyobb valószínűséggel található itt, mint itt. De az elektron valójában bárhol lehet. Itt is lehet, még itt is, még ha teljesen fehér is, de nagyon-nagyon-nagyon kicsi valószínűséggel. Ezt a részt, ahol az elektron van, atompályának hívjuk. Ne keverjük össze a keringési pályával. Atompálya. Ne feledd, a keringési pálya valami ilyesmi volt. Ahogy a Vénusz kering a Nap körül. Ezt fizikailag könnyű elképzelni. Ezzel szemben az atompálya egy matematikai valószínűségi függvény, amely meghatározza, hogy valószínűleg hol található az elektron. Többet foglalkozunk majd vele a kvantummechanikában, ez nem témája az ilyen bevezető kémia előadásoknak. De érdekes, ugye? Az elektron viselkedése olyan különös, hogy ezen a szinten nem lehet... részecskének hívni majdhogynem félrevezető. Részecskének hívjuk, de nem részecske abban az értelemben, ahogy a mindennapi életben használjuk. Olyan valami, amiről azt sem tudjuk megmondani, hogy pontosan hol van. Bárhol lehet ebben a homályos részben. Meglátjuk majd, hogy a homályos részek alakja különböző lehet, ahogy egyre több elektront adunk az atomhoz. De ez számomra filozófiai kérdéseket kezd feszegetni: milyen anyagok ezek, vagy mennyire valóságosak azok a dolgok, amiket látunk? Mennyire valóságosak, vagy legalábbis ahhoz képest, ahogy a valóságot definiáljuk? Mindegy, nem akarok túlzottan filozofikus lenni, de az elektronok és protonok fogalma a töltés fogalmára épül. Beszéltünk erről, mielőtt a Coulomb-törvényről tanultunk. Megnézheted megint a Coulomb-törvényes videókat a fizika lejátszási listából. Az az elképzelés, hogy az elektronnak negatív töltése van. A protonnak, néha így írjuk, pozitív töltése van. A neutronnak nincs töltése. Ez volt olyan csábító az elektron eredeti modelljében. Ha azt mondjuk, jó, ennek ugye pozitív töltése van – mondjuk, hogy ez két neutron és két proton. Legyen az a héliumatom. Lesz némi pozitív töltés itt. Negatív töltés van itt. Az ellentétes töltések vonzzák egymást. Ha ezeknek elég nagy lenne a sebessége, akkor e körül keringenének, ahogy egy bolygó kering a Nap körül. De majd meglátjuk, még ha csak részben igaz is, hogy minél távolabb van az elektron az atommagtól, annál nagyobb a potenciális energiája. A mag felé szeretne menni, de kvantumszintű mechanika miatt nem tud. Nem olyan egyszerű, mintha egy pályán mozogna, ahogy egy üstökös tenné a Nap körül. Valójában hullámszerű a viselkedése, amelyet ez a valószínűsági függvény ír le. De a pályától távolabb több lehetősége van. Sokkal részletesebb tárgyaljuk majd ezt a további videókban. Na de mindenesetre honnan tudjuk, mi az elem? Sokat beszéltem filozófiáról és mindezekről, de honnan tudjuk, hogy ez hélium? A neutronok számából? A protonok számából? Az elektronok számából? A válasz: a protonok számából. Ha tudod egy elem protonjainak számát, akkor tudod, melyik elem az. A protonok száma adja a rendszámot. Legyen négy proton. Honnan tudjuk ezt? Ha nem jegyeztük meg, megnézhetjük a periódusos rendszerben, amellyel sokat foglalkozunk a lejátszási listában. Azt mondhatnád, hogy négy proton, az a berillium. Itt van. A rendszáma az a szám, amit ott fent látsz. Ez pedig pontosan a protonok száma. Ez különbözteti meg egyik atomot a másiktól. Ha 15 proton van, akkor az a foszfor. És ha 7 proton van, akkor az a nitrogén. Ha 8, az az oxigén. Ez határozza meg az elemeket. Majd arról is fogunk beszélni, hogy mi történik a töltésekkel és mindezekkel. Vagy mi történik, ha elektront vesz fel vagy ad le. De attól még ugyanazzal az elemmel van dolgunk. És hasonlóan, ha megváltozik a neutronok száma, akkor is ugyanaz az elem. Ez ahhoz a nyilvánvaló kérdéshez vezet, hogy hány neutronja és elektronja van? Ha egy atom a töltés szempontjából semleges, az azt jelenti, hogy ugyanannyi elektronja van. Vegyük a szenet. A rendszáma hat. Legyen a tömegszáma 12. Mit jelent ez? Hadd tegyem hozzá, hogy semleges. Semleges atom. A szén rendszáma hat. Ebből pontosan tudjuk hány protonja van. Ha lerajzolok ide egy apró modellt – ez nem pontos modell –, rajzolok 6 – 2, 3, 4, 5, 6 protont a közepébe. A protonok tömege 1 atomi tömegegység. Részletesebben megbeszéljük majd, hogy hogyan viszonyul a kilogrammhoz. Nagyon kis hányada a kilogrammnak. Azt hiszem, kb. 1,6-szor 10 a mínusz 27.-en kilogramm. Legyen mind egy atomi tömegegység, és ez kb. 1,67-szer 10 a mínusz 27.-en kilogramm. Ez nagyon kicsi szám. Csaknem lehetetlen elképzelni. Legalábbis nekem. Ez megadja a szénatom tömegét, ennek az adott szénatomnak, és ez valójában szénatomról szénatomra változhat. Ez lényegében az összes proton és a neutron tömege. Minden proton atomtömege egy atomi tömegegység, és minden neutron atomtömege egy atomi tömegegység. Tehát ez itt a protonok és a neutronok száma. Tehát ebben az esetben 6 proton van, így 6 neutronnak is lennie kell. 6 neutron és 6 proton. Hol vannak az elektronok? Említettem, hogy semleges, tehát a protonok pozitív töltése egyenlő az elektronok negatív töltésével. Semleges atom, 6 protonja van, és elektronja is 6 van. Lerajzolom. Azt mondtuk, hogy 6 neutronja van itt. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Ez itt az atommag. Ha azután lerajzolnánk az elektronokat – rajzolhatnám foltnak, de ha szeretnénk jobban megjeleníteni, azt mondhatjuk, rendben, 6 elektron kering. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Ilyen megjósolhatatlan módon mozognak körbe, amit valószínűségi függvénnyel kellene leírnunk. Az az érdekes ebben, hogy az atom tömegének nagy része itt helyezkedik el. Talán észrevetted, hogy amikor a tömeggel foglalkozunk, egy atom atomtömegével, akkor nem foglalkozunk az elektronokkal. Ennek oka, hogy mivel a proton tömege, egy proton tömege megegyezik 1836 elektronéval, így ha egy atom tömegére gondolunk, mindenféle alapvető céllal, figyelmen kívül hagyhatjuk az elektron tömegét. Valójában az atommag tömege számít az atom tömegének. A periódusos rendszert látva mondhatnád azt, hogy ok, ezek itt fent adják a rendszámot, az oxigén rendszáma 8, ez azt jelenti, hogy 8 protonja van. A szilícium rendszáma 14. Ennek 14 protonja van. Mi ez itt? Nézzünk a szénnél. A szénnél ez 12,0107. Ez a szén atomtömege. Leírom ezt. A szén atomtömege. A szén atomtömege 12,0107. Mit jelent ez? Azt jelenti vajon, hogy a szénnek hat protonja van, és a maradék 6,0107 neutron, egyfajta neutronrészt tartalmaz? Nem. Azt jelenti, hogy ha átlagolod a szén összes fajtáját, ami a földön megtalálható, és átlagolod a neutronok számát a különböző szénfajták mennyisége alapján, ezt az átlagértéket fogod kapni. A szénnek két fő formája van, az első a szén-12. Az ilyen. Van 6 protonja és 6 neutronja. A másik szénizotóp pedig... Az izotópok azonos elemek különböző neutronszámmal. A szén másik izotópja a szén-14, ami sokkal ritkább a Földön. Nem tudjuk mennyi van belőle a világegyetemben, de a Földön igen. Ha átlagolnánk ezeket, nem csak szimplán a kettőt, mert akkor szén-13-at kapnánk, és az atomtömeg 13 lenne, hanem ha ezt nagyobb súllyal vesszük figyelembe, mert nagyobb mennyiségben van jelen a Földön. Csaknem az összes szén ilyen, de ebből is van egy kicsi. Megfelelően súlyozva ez lesz az átlag. A legtöbb szén, amivel találkozol, ha csak találsz valahol szenet, a tömegének átlaga atomi tömegegységben 12,0107. Az izotóp fogalma azonban érdekes dolog. Ne felejtsd el, hogy amikor megváltozik a neutronok száma, nem változik az adott elem. Csak egy másik izotópot, az elem eltérő változatát kapod. Tehát a szén ezen két verziója izotóp. Azzal szeretném befejezni ezt a videót, ami szerintem a legjobb gondolat az atomokkal kapcsolatban. Ez filozófiai szempontból a legérdekesebb. Az, hogy a relatív méret... Itt vannak ezek az elektronok, amelyek az atom tömegének nagyon kis részét teszik ki, az elektron 1/2000-ed része az atomok tömegének. Ráadásul részecskeként nehéz leírni őket, mert nem tudjuk azt sem pontosan megmondani, hogy hol és milyen gyorsan mozognak. Csak valószínűségi függvényük van. Az atom nagy része tehát az atommagban van. És ez benne az érdekes. Ha megnézel egy átlagos atomot, ha azt mondod, hogy ez egy atom, mondjuk 2 atom összekapcsolódik, és meg kell mondanom, mekkora ez az anyag... Amikor azt mondom, hogy anyag, az nagyon elvont fogalom, mert az atommagról beszélünk, igaz? Mert az atommagban van a tömeg, az összes anyag. Viszont ez valójában egy végtelenül kicsi része az atom térfogatának. Az atom térfogatát nehéz meghatározni, mert az elektron szinte bárhol lehet, de ha azt tekinted térfogatnak, ahol az elektron a legnagyobb valószínűséggel, vagy 90%-os valószínűséggel megtalálható, akkor az atommag sok esetben kb. 1/10000-ed része a térfogatnak. Ha ezen elgondolkodol, amikor valamit megvizsgálsz, ha a kezedet, ha a falat, a számítógépedet vizsgálod, annak 99,999%-a üres tér. Semmi. Légüres tér. Ha van egy rendkívül kicsi, nevezhetjük részecskének, vagy valaminek, az a legtöbb esetben egyenesen halad keresztül bármin, amit vizsgálsz. Itt válik kérdésessé, hogy hogyan ragadhatjuk meg a valóságot. Mi van akkor, ha – és ez tény, nem csak elmélet – ha kiveszel valamit az építőkockákból, az atomok szintjén, a tér nagy része annak az idézőjeles tárgynak, üres, légüres tér. Egyenesen át tudnál menni rajta, ha olyan kicsi lennél, Ez a héliumatom képe, ez itt 1 femtométer. Rendben? 1 femtométer. Ez a héliumatom atommagjának mérete. 1 femtométer. Ez 1 angström. Azt írják, hogy az 100 000 femtométer. Hogy érezd, mekkora számról van szó: 1 angström egyszer 10 a mínusz 10.-en méter. Tehát az atomok kb. angström méretűek. A hélium esetén a mag még kisebb hányada. 1/100 000. Ha lenne cseppfolyós hidrogéned, amihez nagyon nagy hideg kellene, akkor ha megnéznéd, a nagy része szabad tér. Ha megvizsgálsz egy vasrudat, annak a nagyon-nagyon nagy része üres tér. Nem beszélve arról, hogy a magon belül is lehet üres tér, amiről később beszélhetünk. Számomra az a megdöbbentő, hogy a legtöbb dolog, amit látunk, valójában nem tömör. Valójában csak üres tér, de tömörnek tűnik, a fény visszaverődése vagy a közöttük levő taszítás miatt. Azonban igazából nincs ott semmi, amit megérinthetnénk. Ezek nagy része üres tér. Azt hiszem már elégszer említettem az üres tér kifejezést, a további észbontó dolgokat a következő videóra hagyom.