Jak naprawdę wygląda atom?

Model planetarny atomu jest jednym z najbardziej znanych symboli. Ale czy reprezentuje jego prawdziwy wygląd? Niestety nie. Co więcej, naukowcy wiedzieli o tym już sto lat temu. Dowiedzmy się więc, jak naprawdę wygląda atom.

Jak powstał znany nam model atomu?

Historia modelu atomu jest długa i opisana w osobnym poście. My porozmawiamy o tym, co się działo od początku XXw. To właśnie wtedy sir Joseph John Thomson odkrył elektron – negatywnie naładowaną część atomu. Jego pierwsza teoria głosiła, że elektrony są uwięzione w kuli pozytywnie naładowanej energii, dzięki czemu nie uciekają.

Nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford odkrył, że jeśli zbombardujesz atom pozytywnie naładowanymi cząsteczkami (w formie złotej folii), nie odbijają się one od niego w sposób, w jaki powinny, gdyby JJ Thomson miał rację. Zamiast tego część z nich się odbijała, ale większość przechodziła przez atom, sugerując, że elektrony są rozmieszczone wokół niewielkiej masy złożonej z pozytywnie naładowanej substancji – jądra.

W 1911 roku postanowił zmienić model atomu w taki sposób, aby elektrony orbitowały wokół jądra w ten sam sposób, co planety wokół słońca. Nazwano to „modelem planetarnym”. Od tego czasu, stał się on najbardziej popularnym symbolem atomu – mimo że dwa lata po jego stworzeniu Niels Bohr go poprawił.

Obecny wygląd atomu stwarza pewne problemy

Największym problemem modelu planetarnego jest fakt, że elektrony traciłyby energię orbitując wokół jądra i po pewnym czasie zapadałyby się do centrum atomu. Model Bohra rozwiązał ten problem. Zamiast krążyć wokół niego bez ładu i składu, każdy elektron miał swoją orbitę, zależną od poziomu jego energii i jej się trzymał. Elektron mógł zmienić orbitę, tylko jeśli uwolnił lub przyjął energię. Inaczej musiał pozostać na niej pozostać.

Model Bohra jest najbardziej popularny w książkach do fizyki, ale, niestety – również jest niepoprawny.

W 1932 fizyk James Chadwick odkrył istnienie neutronów, co rozwiązało niektóre problemy i pozwoliło naukowcom zrozumieć dlaczego jądro atomu było tak ciężkie.

Więc co najlepiej opisuje wygląd atomu?

Naukowcy z Uniwersytetu w Wisconsin podsumowali to w ten sposób: W latach '20 fizycy odkryli, że materia ma również cechy fali i że na poziomie atomowym nie da się patrzeć na cząstkę jak na maleńkie punkty z precyzyjnym położeniem i energią. Materia jest „rozmazana” z natury. Naukowcy przestali myśleć o elektronach jak o małych planetach.

W 1952 Erwin Schrödinger oraz Werner Heisenberg odkryli, że elektrony są cząsteczkami kwantowymi i istnieją na wielu różnych płaszczyznach jednocześnie (to wtedy Schrödinger wymyślił eksperyment z kotem, aby wyjaśnić jak działa fizyka kwantowa). Owszem, posiadają indywidualne poziomy energii, ale nie posiadają drogi w tym sensie, jaki nauczany jest w szkołach. Każdy elektron może znajdować się w kilku miejscach jednocześnie, w ten sam sposób, co chmura. Dlatego ten model został nazwany chmurą elektronową. Chmura podąża po orbicie, ale nie musi ona przypominać okręgu.

Chmura elektronowa może wyglądać różnie zależnie od atomu. Jeśli mówimy o małych atomach jak wodór, lub hel, chmura będzie przypominać kulę. W większych atomach orbity przybierają coraz dziwniejsze kształty. Obrazuje to poniższa grafika:

Tak naprawdę prawdziwe działanie atomu opisuje dopiero fizyka kwantowa. Niestety, nawet naukowcy jeszcze nie do końca rozumieją zasady, jakimi się rządzi, więc podjęli słuszną decyzję, że lepiej zostawić tę wiedzę na później.

Czy jesteśmy w stanie zobaczyć atom?

Okazuje się, że tak. W placówce SuperSTEM w Anglii powstał mikroskop, który jest w stanie dostrzec poszczególne atomy. Kosztuje on 5,5 miliona dolarów i jest jednym z trzech takich mikroskopów na świecie. Jest w stanie dostrzec obiekty milion razy mniejsze niż ludzki włos. Poniżej przykładowe zdjęcie atomów.