Για τη δομή της ύλης (2)

Η σύγχρονη ατομική θεωρία

τα ατομικά πρότυπα 

John Dalton
(1766-1844)

Στις αρχές του 19ου (1805) ο Άγγλος φαρμακοποιός Τζών Ντάλτον επαναφέρει στο προσκήνιο την ατομική θεωρία των αρχαίων Ελλήνων ατομικών, με μικρές παραλλαγές (πχ ότι τα άτομα δεν διαφέρουν μεταξύ τους μόνο σε μέγεθος, αλλά και σε βάρος) και καταφέρνει να εξηγήσει με τη βοήθεια της όλη τη χημεία. Τα αναλλοίωτα άτομα των 40 γνωστών τότε καθαρών στοιχείων, συνδυάζονται μεταξύ τους, με κάποια απλή αναλογία, δηλαδή με σχέση απλών ακέραιων αριθμών, δημιουργώντας έτσι το τεράστιο πλήθος των χημικών ενώσεων. Πχ το μόριο του  νερού αποτελείται από 2 άτομα Η και ένα άτομο Ο. Τόσο απλά ... Ουάου !!! που θάλεγε κι ο Βαρουφάκης.

Εδώ εμφανίζεται για πρώτη φορά η έννοια της ασυνέχειας, ο νέος όρος της κβάντωσης, που θα επεκταθεί τον 20ο αι. σε μια σειρά άλλων μεγεθών, όπως του ηλεκτρικού φορτίου, της ενέργειας, της στροφορμής και πάει λέγοντας. Ας τον ξεκαθαρίσουμε λοιπόν:

Ένα μέγεθος είναι κβαντωμένο όταν υπάρχει μια στοιχειώδης (η μικρότερη) ποσότητά του και ακέραια μόνον πολλαπλάσια της. Αποκλείονται τα κλάσματα και οι δεκαδικοί αριθμοί. Πχ ένα άτομο οξυγόνου είναι η μικρότερη ποσότητα οξυγόνου που μπορεί να υπάρξει. Δεν υπάρχει 1/3 οξυγόνου, ούτε και 4/5 του. Από  κει και πέρα μπορεί να υπάρξει μια οποιαδήποτε μεγαλύτερη ποσότητά του, που θα είναι όμως ακέραιο πολλαπλάσιο της (του ατόμου).

Πιο απλά: μπορώ να έχω 3 ή 1348 άτομα οξυγόνου, όχι όμως 1,5 ή 57,8 άτομα οξυγόνου. Το αποτέλεσμα είναι τελικά ότι μπορώ να έχω άπειρες μεν, αλλά ορισμένες δε, διακριτές τιμές. Αν πχ το βάρος ενός ατόμου κάποιου στοιχείου είναι 5, οι ποσότητες του στοιχείου αυτού που μπορεί να έχω, μπορεί να είναι 5, 10, 15, 20, ... ή 28.965 ποτέ όμως 4 ή 7 ή 12.

ένα κβαντωμένο μέγεθος δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή

υπάρχουν τιμές επιτρεπόμενες και άλλες απαγορευμένες

Εξασφαλίζοντας τώρα (με την κινητική θεωρία) και τη βασική απαίτηση  η κίνηση των ατόμων να είναι αιτιοκρατική, με την ατομική θεωρία επιτυγχάνεται η αναγωγή ενός σώματος, αλλά και η εξέλιξη του σύμπαντος ολόκληρου, στο σύνολο των ατόμων από τα οποία αποτελείται.

Στην πορεία βέβαια μας προκύπτουν θεματάκια, που δείχνουν ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Ανακαλύπτονται πχ τα ισότοπα (από τον J.J.Thomson, με τον φασματογράφο μάζας, που ο ίδιος ανακάλυψε), άτομα δηλαδή του ίδιου στοιχείου, με ίδιες χημικές ιδιότητες, όχι όμως και φυσικές (διαφέρουν πχ στο βάρος). Η θεωρία παρόλα αυτά παραμένει σημαντική και ισχυρή για τη χημεία κι ας μην ισχύει πλέον στην πυρηνική φυσική (σχάση, σύντηξη). Ακόμη και μετά την ανακάλυψη της διαιρετότητας του ατόμου, για τη χημεία παραμένει η αξία του, αφού η διαίρεση του καταστρέφει τις φυσικοχημικές ιδιότητες ενός στοιχείου.

Ο Τόμπσον και το σταφιδόψωμο

J.J. Thomson
(1856-1940)

Ο Άγγλος φυσικός Τόμπσον ανακαλύπτει το 1897 το ηλεκτρόνιο, φορέα του στοιχειώδους αρνητικού φορτίου και υποθέτει την ύπαρξη του θετικού πρωτονίου (για να 'σώσει' την ηλεκτρική ουδετερότητα του ατόμου), για το οποίο υιοθετεί το μοντέλο του σταφιδόψωμου: Σε μια συμπαγή σφαίρα θετικού φορτίου, ισοκατανέμονται κάποια πολύ μικρά σε μέγεθος σωαματίδια, τα ηλεκτρόνια.

Είναι η πρώτη ρήξη της ατομικής θεωρίας, αφού αποδεικνύεται ότι και
το άτομο διαιρείται, έχει δηλαδή εσωτερική δομή.

Δεξιά ο ταλαντούχος φυσικός Σερ Τζότζεφ Τζον Τόμσον επί το έργο. Μελετά την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου σε καθοδικές ακτίνες. Ξεκίνησε τις σπουδές του στο Κολέ-γιο σε ηλικία 14 μόλις ετών. 'Ενας εκπληκτικός δάσκαλος, που επτά φοιτητές του, αλλά και ο γιος του, θα τιμηθούν με το βραβείο Νόμπελ.

Η τεράστιας σημασίας ανακάλυψή του θα του χαρίσει το Νόμπελ Φυσικής το 1906, αλλά το πρότυπο του δεν θα αντέξει για πολύ. 

                                

                                                                    το τροχιακό μοντέλο

Ernest Rutherford
o "πατέρας της πυρηνικής φυσικής"
(1871-1937)

Ο Νεοζηλανδός φυσικοχημικός Έρνεστ Ράδερφορντ, με ένα απλό και ιστορικό πείραμα, το 1909, ανακαλύπτει  τον πυρήνα σε μια πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του ατόμου, όπου βρίσκεται συγκεντρωμένη όλη σχεδόν η μάζα και το θετικό φορτίο κάθε ατόμου και προτείνει για το άτομο το τροχιακό μοντέλο, εμπνευσμένο από το ηλιακό μας σύστημα.

Πετυχαίνει ακόμη την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση, βομβαρδίζοντας σε κύκλοτρο άζωτο με σωμάτια α και το μετατρέπει σε οξυγόνο (Νόμπελ Χημείας).

Ο Ράδερφορντ, ένας από του πολλούς ταλαντούχους φοιτητές του Τόμσον, προβλέπει ακόμα, υποθέτει-προτείνει την ύπαρξη του νετρονίου, που ανακαλύπτει το 1932 ο Άγγλος φυσικός James Chadwick (Nobel 1935).

                         

Πάνω αριστερά το τροχιακό μοντέλο, που επικράτησε μετά την ανακάλυψη του πυρήνα και δεξιά η πειραματική διάταξη των Geiger-Marsden για τη μελέτη της σκέδασης σωματιδίων α (που εκπέμπονται από ραδιενεργό πολώνιο) από λεπτό φύλλο χρυσού. Ο Ράδερφορντ, που διηύθυνε το πείραμα, ανέλυσε και δημοσίευσε τα αποτελέσματα του το 1911. Το σύνολο σχεδόν των σωματιδίων διαπέρασε το φύλλο χρυσού, σαν να μην υπήρχε, με ελάχιστη απόκλιση από την ευθύγραμμη τροχιά τους, δείχνοντας ότι το μεγαλύτερο τμήμα του χώρου που καταλαμβάνει ένα άτομο είναι κενός. 

Το πιο εντυπωσιακό όμως είναι πως κάποια ελάχιστα (1 στα 8.000) σωματίδια α ανακλάστηκαν.

"ήταν το πιο απίστευτο πράγμα που έχω δει ποτέ στη ζωή μου, σαν να βομβαρδίζεις με βλήμα ένα φύλλο χαρτί και να ανακλάται, να γυρίζει πίσω και να σε σκοτώνει", δήλωσε αργότερα ο Ράδερφοντ.

Η ηλεκτρονική δομή

Niels Bohr (1885-1962)

Νόμπελ Φυσικής του 1922. Εργάστηκε στο πρόγραμμα Μανχάταν των ΗΠΑ, για την κατασκευή της ατομικής βόμβας. Ο γιος του τιμήθηκε και αυτός με Νόμπελ φυσικής το 1977, για τις έρευνες του σχετικά με τη δομή του πυρήνα. 

Ο Δανός φυσικός Νίλς Μπόρ  επιχειρεί να εφαρμόσει στο άτομο την κλασική μηχανική, υιοθετώντας για απλότητα τις κυκλικές τροχιές. Αντικαθιστά τη δύναμη βαρύτητας, στο ρόλο της απαραίτητης κεντρομόλου δύναμης, με την ηλεκτρική έλξη Κουλόμπ και μαγικά όλα εξηγούνται. Τα ηλεκτρόνια δεν είναι πια οι σταφίδες στο ψωμί, αλλά μικροί πλανήτες σε κυκλική τροχιά γύρω από τον τεράστιο πυρήνα (Ήλιο).

Εδώ όμως εμφανίζεται το πρόβλημα της αστάθειας αφού σύμφωνα με την κλασική ηλεκτρομαγνητική θεωρία το ηλεκτρόνιο επιταχυνόμενο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, άρα η τροχιά του είναι ασταθής, η ενέργεια του ελαττώνεται διαρκώς, συνεπώς και η ακτίνα της τροχιάς του και τελικά θα πέσει στον πυρήνα. 

Το αδιέξοδο λύνεται (οι δεσμοί που δεν λύνονται ... κόβονται !) υιοθετώντας τρία νέα αξιώματα, παραδοχές (1913) στα πλαίσια της νέας κβαντικής θεωρίας. Το 1ο είναι ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται σε διακριτές τροχιές (και όχι όπου θέλουν), στάσιμες-σταθερές-καθορισμένες και το 2ο ότι εκπέμπουν ενέργεια μόνον όταν αλλάζουν τροχιά. Το 3ο απαιτεί την κβάντωση της στροφορμής των ηλεκτρονίων (μπορεί να παίρνει διακριτές και μόνον τιμές).

Το μεγάλο επίτευγμα του Μπόρ ήταν η επιτυχία του να αναλύσει μαθηματικά και να εξηγήσει τις φασματικές γραμμές του υδρογόνου. Κάθε ιονισμένο αέριο εκπέμπει φως. Η ανάλυση του δίνει ένα φάσμα εκπομπής (πάνω) ή απορρόφησης (κάτω), 

που αποτελείται από συγκεκριμένες και μοναδικές γραμμές, σε συχνότητες που μπορούν να εξηγηθούν με τις δυνατές αποδιεγέρσεις των ηλεκτρονίων του.

Γρήγορα όμως φάνηκαν και οι αδυναμίες του.

1η: θεωρεί τον πυρήνα ακίνητο, ενώ θα έπρεπε να ταλαντώνεται, λόγω της μάζας των ηλεκτρονίων.

2η: θεωρεί το ηλεκτρόνιο μόνον σωματίδιο, αγνοώντας την κυματική του φύση.

3η:  θεωρεί την τροχιά του κυκλική. 

 το πλανητικό μοντέλο

Arnold Sommerfeld 

(1868-1951)

Το πρόβλημα των κυκλικών τροχιών διορθώνεται με το μοντέλο των ελλειπτικών τροχιών, που πρότεινε το 1916 ο γερμανός φυσικός Άρνολντ Ζόμερφελντ.

Εκτός από τις κυκλικές τροχιές (στιβάδες) των ηλεκτρονίων ενός ατόμου, υπάρχουν και ελλειπτικές (υποστιβάδες), που καθορίζονται από τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό (l), που σχετίζεται με την άπωση μεταξύ των ηλεκτρονίων.

De Broglie

(1892-1987)

Η 2η αδυναμία αντιμετωπίζεται το 1924, με την δυϊστική θεωρία του υλοκύματος, του Γάλλου Λουί Ντε Μπρολί (Νόμπελ 1929), που ταυτίζει την κβάντωση της στροφορμής του ηλεκτρονίου (3η συνθήκη του Μπόρ), με τη συνθήκη δημιουργίας στάσιμου κύματος σε χορδή, της κλασικής κυματικής. 

Σε κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο αντιστοιχεί ένα ορισμένο μήκος κύματος, αντιστρόφως ανάλογο της ορμής του.

Η ιδέα του δεν ήταν παρά η αντιστροφή της αντίληψης του Αϊνστάϊν, ο οποίος στην εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινόμενου θεώρησε ότι ένα πακέτο ενέργειας-φωτός, φέρεται σαν σωματίδιο (φωτόνιο). Γιατί τότε να μην μπορεί και ένα κλασικό σωματίδιο (όπως το ηλεκτρόνιο) να έχει κυματικές ιδιότητες, να συμπεριφέρεται δηλαδή σαν κύμα;

Werner Heisenberg 

(1901-1976) 

Τρία χρόνια αργότερα (1927) ο  26χρονος Χάϊζενμπεργκ (Νόμπελ 1932), έρχεται με την αρχή της απροσδιοριστίας να κλονίσει ανεπανόρθωτα τις βεβαιότητες της κλασικής μηχανικής και να δείξει πως η έννοια της καθορισμένης τροχιάς (στον μικρόκοσμο τουλάχιστον) πρέπει να εγκαταλειφθεί, λόγω αβεβαιότητας προσδιορισμού της θέσης. 

Το επόμενο βήμα θα είναι κυματική εξίσωση του Σρέντιγκερ, βάση της κβαντομηχανικής θεωρίας. Από τη λύση της θα προκύψουν τα περίφημα τροχιακά της κβαντομηχανικής, που θα αντικαταστήσουν την κλασική έννοια της τροχιάς, που διατηρήθηκε στα ημι-κλασικά μοντέλα του Μπορ και και του Ζόμερφελντ.

Από το ηλεκτρόνιο στο 'ηλεκτρονικό νέφος'  

και από την τροχιά στα τροχιακά

Erwin Schroginger 

(1887-1961)

Η εξίσωση του στάσιμου κύματος της κλασικής μηχανικής εφαρμό-ζεται το 1926 στο ηλεκτρόνιο σαν κυματοσυνάρτηση, με την περίφημη κυματική εξίσωση του Αυστριακού φυσικού Έρβιν Σρέντινγκερ (Νόμπελ 1933):

Είναι θεμελιώδης για την κβαντομηχανική, όσο και ο 2ος νόμος του Νεύτωνα για την κλασική φυσική.

Ατομικά τροχιακά

Αντιστοιχούν σε συγκεκριμένη τιμή ενέργειας του ηλεκτρονίου. Προκύπτουν σαν λύσεις της εξίσωσης του Σρέντινγκερ, που περιγράφουν μια συγκεκριμένη ενεργειακή κατάστασή του και εκφράζουν την πυκνότητα της πιθανότητας να βρίσκεται ένα ηλεκτρό-νιο κάποια στιγμή σε μια συγκεκριμένη θέση του τρισδιάστατου χώρου.

Ο όρος προτάθηκε το 1932 από τον Αμερικανό φυσικό R. Mulliken.

Το ένα χρώμα των δυο λοβών αντιστοιχεί σε θετικές και το άλλο σε αρνητικές τιμές. Τα σχήματα με καθορισμένο περίγραμμα δηλώνουν την περιοχή εντός της οποίας η πιθανότητα να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο είναι περίπου 90%, ενώ εκείνα με το θολό περίγραμμα (δεξιά) δηλώνουν την πυκνότητα του ηλεκτρονικού νέφους γύρω από τον πυρήνα. 

Ένα από τα πολλά παράδοξα της κβαντομηχανικής είναι και η υπέρθεση καταστάσεων: το ότι δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο, πριν πραγματοποιήσουμε τη μέτρηση, μπορεί να βρίσκεται σε πολλές θέσεις ταυτόχρονα. Η μέτρηση όμως καταστρέφει την υπέρθεση και το αναγκάζει να καταλάβει μια συγκεκριμένη θέση (να μας αποκαλύψει πραγματικές και όχι πιθανές-δυνατές τιμές ορμής και θέσης).

Σωματιδιακή φυσική
ή Φυσική Υψηλών Ενεργειών

ένας κακός χαμός υποατομικών σωματιδίων, πάνω από 200, ανακαλύφθηκαν τις δεκαετίες 1950-΄60 ανοίγοντας έναν νέο κλάδο (δαπανηρότατης) έρευνας στη θεωρητική φυσική, που συνδέεται στενά με τη σύγχρονη κοσμολογία, που ασχολείται με τον τρόπο δημιουργίας του σύμπαντος.

μιόνια, πιόνια, νετρίνο, καόνια, ποζιτρόνια, βαριά διανυσματικά μποζόνια (ο θεός να μας φυλάει !), σωμάτια Ω, Λ, Ξ, J/Ψ και τελειωμό δεν έχει, που συγκρούονται, διασπώνται, δημιουργούνται, σε έναν απίστευτο κοσμικό χορό.

Η ανακάλυψη τους αρχικά προκάλεσε τεράστια σύγχυση στην επιστημονική κοινότητα των φυσικών, που ξεπεράστηκε με την υιοθέτηση του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Model), στα πλαίσια του οποίου ο μεγάλος τους αριθμός εξηγείται, σαν συνδυασμός άλλων πιο στοιχειωδών σωματιδίων, των κουάρκ.

Η εσωτερική δομή των νουκλεονίων

Το 1964 ο Αμερικάνος φυσικός Murray Gell-Mann (Νόμπελ 1969), πρότεινε την ύπαρξη εσωτερικής δομής των νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια), από στοιχειώδη σωματίδια που ονόμασε quarks. Το CERN ανακοίνωσε το 2000 ότι σε πειράματα σκέδασης πρωτονίων (ανάλογα του πειράματος του Ράδερφορντ) στον επιταχυντή προέκυψαν ενδείξεις για την ύπαρξή τους (το φορτίο των πρωτονίων δεν φαίνεται να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο), αν και δεν μπορούν να υπάρξουν ελεύθερα. Σήμερα θεωρούνται δομικοί λίθοι των βαρυονίων, αλλά και των μεσονίων, που όλα τους μπορούν να προκύψουν από το συνδυασμό τριών μόνων κουάρκ. Κάθε τριάδα τους αντιστοιχεί σε διαφορετική ενεργειακή κατάσταση, δηλαδή σε άλλο σωματίδιο.

Η εσωτερική δομή του νετρονίου, που αποτελείται από μια τριάδα κουάρκ, δύο 'κάτω' και ένα 'πάνω'. Τα χρώματα των κουάρκ (κόκκινο, πράσινο, μπλε) είναι αυθαίρετα, αλλά θα πρέπει να είναι παρόντα και τα τρία, Οι δυνάμεις του τα συγκρατούν μεσολαβούνται από γκλουόνια, που είναι οι φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης.
Υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ, που χαρακτηρίζονται γεύσεις (up, down, strange) και αρώματα (charm, bottom, top), αλλά και τα αντισωμάτια τους, τα αντικουάρκ (με αντίθετο φορτίο, χρώμα και βαρυονικό αριθμό). Το βαρύτερο είναι το up.


Μέχρι στιγμής φαίνεται πως είναι τα τελικά θεμελιώδη σωματίδια (μην το πιστεύετε).

Και για το κλείσιμο, ένα σχηματικό διάγραμμα με τις διαφορετικές κλίμακες οργάνωσης της ύλης:

       οργανισμός   -   μόριο     -     άτομο    -    πυρήνας    -    νουκλεόνιο (πρωτόνιο, νετρόνιο) -  κουάρκ

Στο διάγραμμα μας λείπουν βέβαια κάποιοι όροφοι, αλλά ας είναι. Ανάμεσα στη ζωντανή μας μύγα και το μόριο (του φυσικοχημικού επιπέδου της ανόργανης ύλης), μεσολαβεί ένας τουλάχιστον όροφος για τα όργανα της κι ένας για το κύτταρο. Κι ακόμα πριν από το μυγάκι μας έχουμε  επίσης κάποιους ορόφους για την κοινωνία των μυγών, το ζωϊκό (και το φυτικό) βασίλειο, τη γη, το ηλιακό μας σύστημα, τον γαλαξία μας κλπ μέχρι να φτάσουμε στο τέλος (αν υπάρχει κάτι τέτοιο) στο σύμπαν. Κάποιοι μιλάνε ήδη για ... παράλληλα σύμπαντα και ποιός μπορεί να τα αποκλείσει;

υστερόγραφο:

Η κόλαση της πολυπλοκότητας φαίνεται πως είναι πολυώροφη.

Κατεβαίνουμε κάθε φορά έναν όροφο, ελπίζοντας νάναι αυτός ο τελευταίος και να είναι εκεί που θα βρίσκεται η απλότητα. Έλα μου όμως που δεν !!! Κάθε φορά ανακαλύπτουμε μια καινούργια κόλαση πολυπλοκότητας και μια ακόμη σκάλα, που πάει ακόμα χαμηλότερα κι η περιπέτεια μας τελειωμό δεν έχει.

Παίρνουμε μετά μια σκάλα που οδηγεί προς τα πάνω, με την κρυφή ελπίδα ότι η απλότητα μπορεί να είναι κρυμμένη εκεί, στην ταράτσα, αλλά εις μάτην ... και πάλι μια από τα ίδια.

Το αίτημα μας για απλότητα, δεν αποκλείεται λέω τελικά να είναι απλά μια από τις πολλές μας ψυχολογικές μας ανάγκες και τίποτα παραπάνω. Thik about it ...

Υπάρχει όμως στο τέλος κάτι εκπληκτικό.

Για να προχωρήσουμε τη διείσδυση στα υπόγεια της ύλης (στον μκρόκοσμο), απαιτούνται όλο και μεγαλύτερες ενέργειες, που μας εξασφαλίζουν οι τεράστιοι επιταχυντές (όπως αυτοί του CERN). Με τη θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης (το περίφημο Big Bang) όμως, πιστεύουμε ότι από τη μελέτη του απίστευτα μικρού, θα μπορέσουμε να εξηγήσουμε το απίστευτα μεγάλο, τη δημιουργία δηλαδή του σύμπαντος. Έτσι μπορεί να κλείσει κάποια στιγμή ο κύκλος, ενώνοντας τα δυο άκρα, για να δικαιώσουμε ακόμη μια φορά τον φίλο μας τον Ηράκλειτο.