S atomom na „ti“

Atomi, nevidljive čestice supstancije, veoma su važni delovi materije: ljudi, čitav živi svet, sve što postoji na našoj planeti, kao i veliki deo Sunčevog sistema – sastavljeno je od atoma. Verujemo da je sama ta činjenica dovoljan razlog da bliže upoznamo ove nevidljive prijatelje.

Jedan misaoni eksperiment

Zamislite sledeći eksperiment. Uzmete list papira, pa ga podelite na dva približno jednaka dela. Zatim uzmete jednu polovinu, pa i nju, kao što ste i celi list, podelite na dva približno jednaka dela. Dobićete dve četvrtine. Jednu od četvrtina podelite na dva dela, tj. na dve osmine. Mada ovaj postupak u praksi možete ponoviti svega nekoliko puta, jer delovi bivaju sve manji i manji, toliko mali da ih je jednostavno nezgodno u praksi dalje i dalje deliti, ništa vas ne ograničava u tome da ovo deljenje ponavljate u mislima.

Zapitajmo se – da li se papir na ovaj način može deliti u nedogled, do beskonačnosti?

Matematičari bi, možda, rekli da može: oni tvrde da je skup realnih brojeva svuda gust, što znači da je između svaka dva realna broja moguće postaviti (bar) jedan, treći realni broj, koji je veći od jednog, a manji od drugog datog realnog broja. Dakle, kao što je neki broj moguće deliti na „polovine“ u nedogled, ne bi trebalo ni da postoji ograničenje koliko papir možemo da usitnjujemo.

Međutim, ovaj matematički model nije u potpunosti zadovoljavajuć; stvarnost je ipak drukčije strukturisana.

Naime, ispostavlja se da se prilikom ovih silnih deoba papira na delove posle određenog broja podela dođe do tačke da je dalje cepanje hartije nemoguće: stigli smo do nedeljivih (ovu reč treba staviti pod znakove navoda) delova prirode, atoma.

Atom kroz istoriju

Ideja o atomima kao nedeljivim delovima prirode potiče još iz doba stare grčke civilizacije. Tadašnji mudraci-filozofi pretpostavili su da u prirodi zaista postoje najmanje čestice, toliko male i toliko elementarne da manjih od njih jednostavno nema. „Ne postoji ništa sem atoma i praznog prostora“, tvrdili su. Leukip i njegov učenik Demokrit prvi s uveli u upotrebu pojam atoma: reč „atom“ na grčkom jeziku znači „nedeljiv“, „koji se ne može podeliti“.

Ovo je zaista bila misao izvan svog vremena. Stari Grci nisu imali na raspolaganju naučne instrumente kakve imamo od novog veka, a pogotovo od početka dvadesetog veka, otprilike dve i po hiljade godina kasnije. Međutim, bez obzira na to što vladamo veoma sofisticiranom opremom, i što možemo izvoditi eksperimente i postavljati teorije koje Demokrit i Leukip verovatno nisu mogli ni da naslute, još uvek nismo došli do čestice ili čestica koje bismo mogli nazvati atomom: ono što danas smatramo atomom ipak nije nedeljiva čestica.

Šta je to – atom?

Ne postoji dovoljno precizna definicija atoma, pa je možda najbolje opisati šta je sve atom.

Pre svega, atom je veoma sitna čestica supstancije. Kao što ćete videti kasnije u ovom tekstu, nije baš najispravnije smatrati atom kuglicom, ali je taj model često dovoljan za opisivanje nekih osobina atoma. Poluprečnik atoma varira od vrste do vrste, ali se može smatrati da je reda 10^-10 metara, a to je jedna desetina milijarditog dela metra.

U osnovi, atomi se sastoje iz dva glavna dela: jezgra atoma i elektronskog omotača. Treći deo atoma, onaj koji zauzima ubedljivo najviše prostora, je prazan prostor, tj. prostor bez supstancije. Kao što ćemo već videti, ovaj je deo, s druge strane, „ispunjen“ električnim poljem koje vlada između jezgra i omotača; tu nema čestica.

Verovatno možete pretpostaviti da se jezgro atoma nalazi u središtu atoma. Jezgro atoma je, takođe, svojevrsna „kuglica“, vrlo malih dimenzija: poluprečnik atomskog jezgra deset hiljada puta je manji od poluprečnika ionako malog atoma. Kuglica jezgra ima mali poluprečnik, ali ima i veoma veliku masu: kod najlakšeg jezgra masa je oko 1.800 puta veća od mase omotača, a kod težih (preciznije – masivnijih) atoma ovaj broj je nekoliko stotina puta veći.

Protoni su čestice prilično velike mase. Neutroni takođe imaju veliku masu, približno jednaku masi protona. Jedina bitna razlika između ovih čestica je to što protoni imaju naelektrisanje, i to tzv. pozitivno naelektrisanje, dok neutroni nemaju naelektrisanje; za neutrone stručnjaci kažu da su „električno neutralni“.

Šta su to naelektrisanje i elektricitet veoma je široka tema. Pri tome, izgeda da se još uvek ne zna šta je to što čini da je proton pozitivno naelektrisan, a neutron nije. Ipak, s obzirom na to da živimo u dobu intenzivno obeleženom upotrebom električne energije, verovatno bar intuitivno imamo predstavu o tome šta je električna struja. Ko se još kao dete nije igrao naelektrisanim češljem privlačeći papirne konfete! Uostalom, šta je to elektricitet zna i miš Amos, blizak saradnik fizičara Bendžamina Franklina.

Elektricitet ima jednu veoma zanimljivu osobinu. Dva pozitivno naelektrisana tela međusobno se odbijaju. Kada biste dve naelektrisane kugle probali da približite jednu drugoj, osetili biste da to ne ide baš jednostavno, ima tu nečega što teži da vas spreči u tome. Ista priča u potpunosti važi i za dva negativno naelektrisana tela, koja se takođe međusobno odbijaju. Međutim, jedno pozitivno i jedno negativno naelektrisano telo pokazuju jednu veoma posebnu pojavu: ta tela se privlače.

Zašto je to baš tako pitanje je koje ne možemo razmatrati u jednom popularnom tekstu kao što je ovaj. Činjenica je da je to baš tako. I – što je posebno bitno – to je uvek tako. Dva naelektrisanja iste vrste se odbijaju, a dva naelektrisanja suprotnih tipova se privlače.

Nenaelektrisano telo u principu ne pokazuje niti privlačenje, niti odbijanje. Međutim, druga naelektrisana tela, kada se nađu u blizinu nenaelektrisanih tela, mogu da izazovu pojavu koja se naziva elektrostatičkom indukcijom, pa tako npr. pomenuti naelektrisani češalj može da privuče nenaelektrisane parčiće papira.

U redu – možda ćete reći – ali ako se atomsko jezgro sastoji iz pozitivnih protona i nenaelektrisanih neutrona, i pri tome se pozitivno naelektrisani protoni odbijaju, kako se onda jezgro ne „rasprši“? Odgovor na ovo pitanje je relativno jednostavan. Neutroni, bez obzira na to što nisu naelektrisani, imaju osobinu da celo jezgro drže na okupu. Naime, oni vladaju jednom veoma jakom silom, koja se naziva jakom nuklearnom silom, i uspevaju da nadvladaju električno odbijanje protona.

Kada je autor ovih redova kao osnovac počinjao da u okviru fizike i hemije uči o atomima, mislio je da se neutroni, kao nenaelektrisane čestice, „sastoje“ iz protona i elektrona, da su zato „u zbiru“ električno neutralni, i da onim „krajem“ na kojem je elektron privlače pozitivne protone, te da zato ne dozvoljavaju jezgru da se raspadne od odbijanja protona. Naravno – nije bio u pravu. Nemojte ponavljati njegovu grešku. Vi bar imate ovaj tekst pred sobom... Električna sila i jaka nuklearna sila su dve sile koje su, u kontekstu ove priče, jasno razdvojene jedna od druge.

Ne znam da li ćete poverovati, ali ni proton ni neutron nisu osnovne, elementarne čestice. Sastoje se od još manjih čestica koje se nazivaju kvarkovima. Možemo s punim pravom koristeći analogiju pretpostaviti da ni kvarkovi nisu elementarne čestice... Ima li tome kraja...?

Vratimo se sada na omotač atoma. Za razliku od atomskog jezgra, koje je čvrsto, kompaktno, atomski omotač je razvejan kao neki slabašni oblak cirus na letnjem nebu. Omotač je sastavljen iz treće vrste čestica, već pominjanih elektrona. Osnovne karakteristike elektrona su da je to negativno naelektrisana čestica, da je veličina tog naelektrisanja identična naelektrisanju protona (razlikuje se samo i jedino u algebarskoj oznaci „minus“) i da je masa elektrona veoma mala.

Možda biste pretpostavili da ni elektron nije elementarna čestica, već da je i on sastavljen iz još sitnijih delova. Ako biste – ne biste bili u pravu: fizičari danas smatraju da elektron nije sastavljen iz sitnijih delova, da je stvarno elementarna čestica. Ne mora da znači da će zadržati mišljenje nepromenjenim kroz nekoliko desetina godina ili nešto više...

Verovatno biste i sami mogli da zaključite da se proton i elektron međusobno privlače. Jednostavno, jedan je pozitivno naelektrisan, a drugi negativno, pa se moraju privlačiti. Jezgro je, kao celina, pozitivno naelektrisano, jer je sastavljeno od pozitivno naelektrisanih protona i nenaelektrisanih neutrona. Kako, onda, elektroni ne padnu na jezgro, kada npr. kamen pada kada ga ispustimo sa neke visine (kao što se obično priča da je genijalnom Isaku Njutnu na glavu pala jabuka)?

Odgovor na ovo pitanje nije lako dati. Kada ne bi bilo jedne grane fizike, koja se naziva kvantnom mehanikom, dao bi se sledeći odgovor (koji, takođe, sam po sebi ima određenih slabosti). Elektroni se velikim brzinama vrte oko jezgra, i na njih deluje centrifugalna sila, koja im ne dozvoljava da padnu na jezgro. Kao što planete, vrteći se oko Sunca, ne padaju na njega. Kao što se rublje u mašini za pranje veša prilikom centrifuge „zalepi“ za periferiju bubnja.

Pomenuta kvantna mehanika je deo fizike veoma daleko od intuitivnosti. Čuveni fizičar Ričard Fejnman tvrdio je da je prilično siguran da kvantnu mehaniku ne razume ni jedan jedini čovek na svetu. Ipak, pokazuje se da kvantna mehanika dosta dobro „funkcioniše“, bez obzra na to što se to nama, možda, ne dopada.

Prema toj teoriji, ne može se govoriti o tačno utvrđenim putanjama, tačno utvrđenim položajima, tačno utvrđenim brzinama. Može se govoriti samo o verovatnoćama. Često se navodi primer da se može govoriti samo o verovatnoći da se elektron nađe u tom-i-tom stanju u atomu. Položaj se nikada ne može tačno odrediti.

Bez obzira na to što je u svet na malim razmerama utkan jedan toliko neintuitivan faktor, ništa nas ne sprečava da do sada iznete činjenice koristimo u priči koja sledi.

Razne vrste atoma

Najjednostavniji je atom vodonika. On u svom jezgru ima jedan jedini proton, a u elektronskom omotaču ima samo jedan jedini elektron. Neutrona nema. Ove, dva puta ponovljene, izraze „jedan jedini“ ipak treba shvatiti uslovno, jer u principu postoje – da se izrazimo rečnikom softveraša – „druge verzije“ vodonikovog atoma.

S obzirom na to da su neutroni nenaelektrisani, u principu je moguće nekako „udesiti“ da se u jezgru vodonikovog atoma protonu pridoda jedan neutron. Tako dobijamo novu vrstu vodonikovog atoma, tzv. izotop. Izotop se definiše kao podvrsta atoma određene vrste koja ima isti broj protona, ali različiti broj neutrona.

Posebno, vodonikov atom sa jednim protonom i jednim neutronom u jezgru naziva se deuterijum. Atom deuterijuma je, dakle, oko dva puta masivniji od atoma „običnog“ vodonika, i ponekad se naziva „teškim vodonikom“. Sve (?, valjda sve) ostale osobine su im iste; pre svega, sa stanovišta postojanja stvari koje nas neposredno okružuju, kao i nas samih, važno je da se „običan“ vodonik i deuterijum hemijski ponašaju isto.

Moguće je sintetisati i vodonikov atom sa jednim protonom, i čak dva neutrona u jezgru. Tako se dobija izotop tricijum.

Verovatno je moguće napraviti i vodonikov atom sa jednim protonom i čak tri neutrona, ali je pitanje koliko bi to bilo svrsishodno: takav atom bi mogao da „opstane“ vrlo kratko vreme, i vrlo brzo bi se raspao na neke druge čestice. Od njega u svakodnevnoj praksi ne bismo imali previše koristi, mada fizičari elementarnih čestica imaju običaj da prave čak i veoma „uvrnute“ komade supstancije i materije.

Očigledno je da postoji neka zavisnost između broja protona i mogućih brojeva neutrona u atomima iste vrste. Broj neutrona ne sme da bude premali, jer onda ne bi mogli da spreče da se jezgro „rasprši“ zbog odbijanja protona, ali ne sme da bude ni preveliki, jer bi se tako dobilo nestabilno jezgro, koje bi se samo od sebe ubrzo raspalo na manje delove. Drugim rečima, atomi različitih hemijskih elemenata (o hemijskim elementima će biti reči dalje u tekstu) ne mogu da imaju veliki broj izotopa; ima čak i takvih elemenata za koje bi se moglo reći da imaju jednu jedinu „verziju“, jedan jedini izotop.

U vodonikovom atomu elektron se (kobajagi) vrti oko protona i zato ne pada na jezgro. Budući da se ovakav atom sastoji iz jednakog broja protona i elektrona, možemo reći da je vodonikov atom kao celina električno neutralan: naelektrisanja protona i elektrona se „kompenzuju“, pa je u zbiru ceo atom neutralan.

Šta bismo dobili ako bismo jezgru atoma vodonika, protonu, dodali još jedan proton, i dovoljno neutrona da takvo jezgro bude stabilno, i još oko jezgra u elektronskom omotaču ubacili jedan elektron? Da li bismo dobili neku novu vrstu vodonika? Ne! Dobili bismo sasvim novu vrstu atoma; u ovom slučaju to bi bio atom helijuma. Tri protona u jezgru, tri elektrona u omotaču i dovoljan broj neutrona u jezgru činili bi potpuno novu vrstu atoma – atom litijuma.

Možemo zaključiti da je kod „nenaelektrisanog“ atoma (ili, kako se često kaže, kod atoma u osnovnom stanju) broj protona u jezgru jednak broju elektrona u omotaču, da je takav atom kao celina električno neutralan, i da atom jednog hemijskog elementa može imati više izotopa. Izotopi su atomi istog hemijskog elementa, koji ima isti broj elektrona i protona, ali različit, precizno utvrđen broj neutrona u svom jezgru. Atomi koji imaju različit broj protona u jezgru (i u osnovnom stanju imaju isti toliki broj elektrona u omotaču) su potpuno različiti atomi, atomi različitih hemijskih elemenata.

Periodni sistem elemenata

Raznovrsnost atoma se verovatno najbolje može shvatiti posmatrajući periodni sistem elemenata. Šta je to?

Periodni sistem elemenata je jedna veoma zanimljiva tabela, u kojoj su sistematski pobrojani svi atomi koji postoje. Ova tabela u uskoj je vezi sa ruskim hemičarem Dmitrijem Ivanovičem Mendeljejevim. Mada je i pre ovog naučnika bilo pokušaja da se do tada poznati atomi nekako sistematizuju, predstave na jedan jedinstveni način, tek je Mendeljejevu ovaj zadatak uspeo u potpunosti.

Štaviše, uspeh ovog slavnog Rusa tim je veći, što je uspeo da pretpostavi da pored poznatih, postojećih atoma, moraju postojati još neki atomi, atomi hemijskih elemenata koji do tada nisu bili poznati. Postojanje ostalih atoma kasnije je povrđeno, i pokazalo se da ne samo što je Mendeljejev bio u pravu kada je pretpostavio da ti atomi moraju da postoje, nego da je uspeo i da pretpostavi njihove hemijske osobine, a da ih nikada pre toga nije „mućkao“ u epruveti.

Kao i svaka tabela, i periodni sistem elemenata ima kolone i vrste. Vrste su horizontalne strukture, i u terminologiji periodnog sistema zovu se periode. Ima ih ukupno sedam. Kolone su vertikalne strukture koje nazivamo grupama. Postoji osamnaest grupa.

Zanimljivo je da atomi hemijskih elemenata koji su u istoj grupi pokazuju slične fizičke i hemijske osobine. Na primer, litijum, natrijum i kalijum, iz prve grupe periodnog sistema, su metali i prilično dobro provode električnu struju, dok su fluor i hlor, pripadnici sedamnaeste grupe, pri normalnim uslovima gasovi, i ne provode električnu struju. Takođe je zanimljivo pomenuti da se atomi prve i sedamaneste grupe relativno lako međusobno povezuju, formirajući nešto složenije strukture nego što su to atomi: reč je o jedinjenjima.

Primetite da postoje i dve „odvojene“ vrste u periodnom sistemu: ispod „glavnog“ dela dodati su lantanoidi i aktinoidi. Ove dve grupe čine atomi koji po nekim svojim karakteristikama odgovaraju hemijskim elementima lantanu, ondosno aktinijumu, i trebalo bi da se posmatraju kao da su svi smešteni u periodni sistem na mesto lantana, odnosno aktinijuma.

Pomenimo još jednu važnu činjenicu: u periodnom sistemu elemenata nisu uneti izotopi (bar ne u eksplicitnoj formi): svi izotopi bilo kog hemijskog elementa zauzimaju istu poziciju u periodnom sistemu elemenata. Posledica te činjenice je da svi izotopi hemijskog elementa imaju iste hemijske osobine; samo im je masa međusobno različita, zbog različitog broja neutrona.

Kao što ste verovatno primetili, hemijski elementi imaju svoje simbole, jedno-, dvo- ili troslovne skraćenice: verovatno nema školarca koji ne zna da se iza simbola H krije vodonik, a iza O – kiseonik.

U prirodi postoji tačno 92 atoma: atom sa najvećim brojem protona koji postoji je atom urana, u svojih nekoliko verzija-izotopa. Međutim, fizičari uspevaju da naprave atome sa još većim brojem protona: poslednji atom koji postoji, ununoktijum, ima 118 protona u svom jezgru (i odgovarajuću količinu neutrona). Na žalost, atomi sa više od 92 protona su veoma nestabilni, ne mogu da opstanu duže vreme, i posle vrlo kratkog vremena oni se raspadnu na neke druge čestice, i od njih u praksi ne možemo imati koristi; ipak, mogućnost njihovog postojanja makar veoma kratko vreme važna je činjenica u fizici atoma i atomskog jezgra.

Šta su to joni?

Dok je dodavanje neutrona jegrima atoma relativno složen postupak, dodavanje ili oduzimanje elektrona je u principu mnogo lakše: često je dovoljno električno polje.

Atom koji ima jednak broj protona i elektrona u celini je električno neutralan. Ako bismo nekako od atoma odvojili jedan elektron, dobili bismo verziju tog istog atoma, koja bi sada imala više protona od elektrona, i ceo atom bi počeo da se ponaša kao da je pozitivno naelektrisan, jer ima više protona koji „nadjačavaju“ negativno naelektrisane elektrone. Tako bismo dobili jednostruko pozitivan jon.

Pozitivan jon ima više protona nego elektrona. Ništa nas ne košta, ako u atomu ima dovoljno elektrona, da „skinemo“ još nekoliko njih. Tada bi atom počeo da biva sve pozitivniji i pozitivniji jon.

Moguće je napraviti i negativan jon, tako što bismo električno neutralnom atomu dodali jedan (ili više) elektrona. Negativan jon se kao celina ponaša kao negativno naelektrisana čestica.

Dakle, da zaključimo. Atom u osnovnom stanju ima jednak broj protona i elektrona, pa je neutralan. Ako mu oduzimamo elektrone, postaje pozitivan jon, a ako mu dodajemo elektrone postaje negativan jon. Ako mu dodajemo ili oduzimamo neutrone (u razumnim granicama) dobijamo razne izotope tog atoma. Konačno, ako atomu dodamo jedan proton, a njegovom omotaču jedan elektron (i, eventualno, određenu količinu neutrona), dobijamo potpuno drugačiji atom.

Kliknite na ilustraciju

Slika 8: Ako atomskom jezgru dodajemo neutrone, a zadržavamo nepromenjenim broj protona u jezgru, dobijamo različite izotope hemijskog elementa. Atom vodonika, prikazan na sve tri ilustracije, ima tri zotopa: običan vodonik (A), deuterijum (B) i tricijum (C).

Jedan misaoni eksperiment, drugi put

Na kraju ove priče, ne mogu da odolim da vam ne skrenem pažnju na misaoni eksperiment koji smo već bili pomenuli: koliko puta treba cepati list hartije na polovine da bismo došli do nedeljivih čestica – atoma, glavnih likova naše priče? Možda biste pomislili da je reč o nekom velikom broju, poput miliona, milijardi, ili čak i većeg, jer toliko sitni atomi valjda „zaslužuju“ veliki broj cepanja; ali ne biste bili u pravu: dovoljno je cepati svega nekoliko desetina puta, oko osamdeset do devedeset!

Kako samo toliko?! Cepanje papira na polovine je proces koji sa povećanjem svog rednog broja vrtoglavo smanjuje veličinu papira, pa tako formirana geometrijska progresija čini „svoje“, i parčići počinju naglo da bivaju sve manji i manji. Tako se uz samo nekoliko destina cepanja dolazi – do atoma.

Da čovek ne poveruje...?