Ένας ατομικός κόσμος

Κοιτώντας γύρω μας βλέπουμε πάρα πολλές διαφορετικές εκφάνσεις της ύλης π.χ. ένα ξύλινο τραπέζι, ένα πλαστικό μπουκάλι, ένα γυάλινο τζάμι, κ.α. Όλα αυτά έχουν διαφορετικές ιδιότητες, χρώματα, κ.λπ. Έχουμε αναρωτηθεί ποτέ που οφείλονται αυτές οι διαφορές ή τι κοινό έχουν μεταξύ τους αυτές οι διαφορετικές εκφάνσεις της ύλης;

Η απάντηση στο δεύτερο ερώτημα είναι πως αποτελούνται όλα από άτομα, ενώ οι διαφορές οφείλονται στις ξεχωριστές ιδιότητες του κάθε ατόμου, στους δεσμούς που αναπτύσσονται μεταξύ των ατόμων αλλά και στις δυνάμεις μεταξύ μορίων και γενικά των χημικών ενώσεων. Συνεπώς, όλα όσα βλέπουμε και δεν βλέπουμε γύρω μας είναι διαφορετικές χημικές ενώσεις – διαφορετικές: ως προς την ατομική τους σύσταση ή ως προς τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα συνδέονται.


Ωστόσο, εγώ προτείνω να κάνουμε μια βουτιά στον ατομικό κόσμο για να δούμε πως είναι φτιαγμένα τα άτομα. Ναι θα μου πείτε, τα κάναμε και στο σχολείο αυτά. Ε, όχι ακριβώς. Στο σχολείο,τουλάχιστον όσοι δεν ακολούθησαν τη θετική κατεύθυνση, πήραν μια γεύση από μία θεωρία ξεπερασμένη, η οποία έχει προ πολλού καταρριφθεί.

Τι μαθαίναμε; Πως έχουμε τον πυρήνα και γύρω-γύρω τα ηλεκτρόνια να περιστρέφονται κυκλικά από αυτόν. Η θεωρία αυτή προήλθε από τον Niels Bohr και παρόλο που η βασική ιδέα ήταν παντελώς λανθασμένη, απάντησε σε κάποια σημαντικά ερωτήματα.

Ποιο είναι το λάθος; Το λάθος είναι πως τα ηλεκτρόνια κινούνται σταθερά γύρω-γύρω από τον πυρήνα εκτελώντας ομαλή κυκλική κίνηση, αυτό έρχεται σε αντιπαραβολή με την αρχή της αβεβαιότητας.

Τι είναι όμως η αρχή της αβεβαιότητας; Θέτοντάς το απλά, το 1927 ο Heisenberg απέδειξε πως δεν γίνεται να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα και με ακρίβεια και τη θέση, αλλά και την ταχύτητα ενός σωματιδίου. Ερχόμενοι στην δική μας περίπτωση με το ηλεκτρόνιο λοιπόν, σύμφωνα με τον Bohr το ηλεκτρόνιο εκτελεί κυκλική τροχιά γύρω από τον πυρήνα. Τι συμπέρασμα προκύπτει από αυτό; Πως εμείς μπορούμε σχετικά εύκολα να προσδιορίσουμε τη θέση του, όμως αφού αυτό εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση εμείς μπορούμε να προσδιορίσουμε και την ταχύτητα του. Ο Heisenberg όμως ακούγοντας το αυτό θα τράβαγε τα μαλλιά του. Άρα ένας εκ των δύο πρέπει να είναι εσφαλμένος και επειδή ο Bohr είχε κάπως λιγότερα μαλλιά, αποφασίστηκε πως είναι προτιμότερο να τραβήξει εκείνος τα δικά του, καθώς αυτό θα ήταν το λιγότερο επώδυνο και η δική του θεωρία να είναι εσφαλμένη. Πέρα από την πλάκα, αποδείχθηκε πως, όντως η θεωρία του είναι λανθασμένη και θα αναλύσουμε ακολούθως ποία είναι η πραγματική δομή του ατόμου.

Ωστόσο αυτό που κατάφερε να διατυπώσει και να ερμηνεύσει ο Bohr είναι την ύπαρξη διαφορετικών κβαντισμένων ενεργειακών σταθμών. Τι σημαίνει κβαντισμένων; Πως παίρνουν συγκεκριμένες μόνο τιμές. Τι τιμές; Τιμές ενέργειας. Ο Bohr αναφερόμενος σε ενεργειακές στάθμες αναφερόταν μόνο στις στοιβάδες (οι οποίες διακρίνονται και στο παραπάνω σχήμα). Ωστόσο η υπάρχουσα θεωρία αναγνωρίζει την ύπαρξη και υποστοιβάδων οι οποίες και αυτές υπόκεινται σε ενεργειακές διαβαθμίσεις.

Συγκεκριμένα, στην θεωρία που χρησιμοποιούμε σήμερα χρησιμοποιούμε την έννοια του τροχιακού, η οποία ωστόσο είναι μια μαθηματική έννοια, την οποία χρησιμοποιούμε, λίγο καταχρηστικά, για να ονοματίσουμε ενεργειακές στάθμες.

Τα τροχιακά, πλέον, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά σε κάθε άτομο: την ενέργεια τους, το σχήμα τους και το μεγεθός τους. Στα τροχιακά η ενέργεια σχετίζεται με το χώρο, μάλιστα όσο αυξάνεται η ενέργεια του εκάστοτε τροχιακού τόσο μεγαλώνει και το μέγεθός του.

Αυτό είναι ευνόητο, αν σκεφθούμε ένα νοητικό πείραμα. Ας σκεφθούμε λοιπόν, ότι έχουμε ένα άτομο και θέλουμε να του αφαιρέσουμε ένα ηλεκτρόνιο. Για να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από εκεί που βρίσκεται, πρέπει να του προσφέρουμε ενέργεια γιατί πρέπει να υπερνικήσουμε την έλξη από τον πυρήνα. Η τελική ενέργεια που πρέπει να αποκτήσει το ηλεκτρόνιο για να απομακρυνθεί είναι συγκεκριμένη. Από που θα ήταν πιο εύκολο, λοιπόν, για εμάς να το απομακρύνουμε. Από πιο κοντά ή από πιο μακριά από τον πυρήνα. Από πιο μακριά βέβαια, αφού έχεις μικρότερη έλξη από τον πυρήνα θα μου λέγατε. Αφού λοιπόν το ηλεκτρόνιο πρέπει να έχει συγκεκριμένη ενέργεια για να απομακρυνθεί και όσο πιο μακριά βρίσκεται από τον πυρήνα, τόσο λιγότερη ενέργεια πρέπει να πάρει από μας για να φύγει, όσο αυξάνεται το μέγεθος των τροχιακών, τόσο αυξάνεται και η ενέργειά τους.

Τώρα όσον αφορά την κίνηση των ηλεκτρονίων στα τροχιακά. Το ηλεκτρόνιο κινείται σε όλο τον όγκο του τροχιακού. Εδώ συναντάμε την αντίθεση με τον Bohr, ο οποίος έλεγε περιοριστικά πως μπορεί να κινείται σε συγκεκριμένη κυκλική τροχιά γύρω από τον πυρήνα.

Αυτά λοιπόν είναι κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά των ατόμων, τα οποία βοηθούν το ένα άτομο να διαφοροποιείται από τα υπόλοιπα (υπάρχουν και άλλα). Αυτή η διαφορετικότητα των ατόμων βοηθάει να έχουμε μεγάλη ποικιλία χημικών ενώσεων, τις οποίες συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή.

+ posts