Sensacje Nauki 2

Na wakacje do Raju... Bóg, Kosmici, Fizyka, Religie...

Zajmiemy się teraz wyjaśnieniem... w jaki sposób łączą się ze sobą atomy.

Może przy okazji uda nam się połączyć fizykę klasyczną, która bazuje na masach atomów, z fizyką falową, która zajmuje się falami elektro-magnetycznymi. W tym rozpatrywaniu uwzględnimy również Chemię i prawa nią rządzące.

 O masach atomów wiemy praktycznie wszystko. W tablicach Mendelejewa istnieje ogromna grupa pierwiastków, których właściwości doskonale znamy. O rodzajach energii i jak ją wytwarzać też wiemy bardzo dużo. W jaki jednak sposób łączą się ze sobą atomy... Wiemy niewiele...
 
Potrafimy łączyć ze sobą różne atomy pierwiastków i tworzyć najrozmaitsze związki chemiczne, stopy metali, roztwory,  półprzewodniki, ... itd. Znamy twardości różnych pierwiastków takich, jak kamienie szlachetne, metale czy wosk... Potrafimy określać i zmieniać stany skupienia otaczającej nas materii - stały, ciekły i gazowy. Ba ... nawet potrafimy rozbijać atomy i budować reaktory jądrowe oraz obliczyć siły między ciałami występujące.

 
Nie za wiele jednak wiemy, z czego wynikają te siły wiążące poszczególne atomy. Co powoduje, że jedne atomy wiążą się ze sobą w sposób bardzo mocny, a inne słabszy, a jeszcze inne wcale się nie łączą ze sobą ?
 
Powiecie, wiązania atomowe... Jasne, ale skąd się one biorą?

 
Skąd bierze się ta siła, która potrafi tak mocno związać atomy węgla w diamencie, że nie da się ich rozerwać bez użycia ogromnej energii? Dlaczego niektóre pierwiastki w ogóle nie łączą się z innymi lub ich wiązania są bardzo nietrwałe, czyli powstałe po reakcji cząsteczki i tak się rozpadają. Ciekawe czy te siły wiążące ze sobą atomy są związane z masami atomów, czy energią, którą posiadają ? Poszukajmy na to odpowiedzi.

Zbierzmy najpierw wiadomości o atomach.
 
Zacznijmy od chmur ... Mam na myśli chmury elektronowe, rzecz jasna. Wiemy, że każdy atom je posiada. Czym one są... ich definicja przedstawia się następująco:
 Chmura elektronowa – obszar, w którym istnieje pewne prawdopodobieństwo znalezienia elektronu; w praktyce jest to obszar o wysokiej gęstości elektronowej. Pojęcie spopularyzowane przez laureata Nagrody Nobla, Richarda Feynmana, do poglądowego przedstawienia wniosków z mechaniki kwantowej opisującej elektron jako obszar rozmytego ładunku elektrycznego. W/g Wikipedia...
 
 Znowu pojawia się ten nieszczęsny elektron,  który już rozszyfrowaliśmy w poprzednim rozdziale.  Niemniej jednak przestrzeń energetyczna, która otacza atomy, bardzo nas interesuje. W chemii ten obszar nazywa się powłoką elektronową atomu. Na rysunku wygląda to mniej więcej tak: W/g Wikipedia
Jądro atomu na rysunku jest oznaczone czarnym punktem. Im jądro atomu ma większą masę, tym ma więcej tak zwanych orbit, po których ponoć poruszają się elektrony. Wiemy również, że każdy atom emituje fale elektromagnetyczne o różnych częstotliwościach. Na poniższych zdjęciach widać takie fale w różnych kolorach. Pierwsze zdjęcie przedstawia linie świetlne azotu, następne żelaza. Nazywa się to zjawisko widmami liniowymi atomów, a każdy pierwiastek ma je inne i niepowtarzalne, jak linie papilarne dłoni czy kod DNA. 
Analiza serii promieniowania rentgenowskiego (zob. prawo Moseleya, 1913) pomogła określić znaczenie liczby atomowej oraz odkryć niektóre pierwiastki. Analiza serii widmowych wodoru (serie Lymana, Balmera, Paschena) doprowadziła do zbudowania w 1913 roku przez Nielsa Bohra planetarnego modelu atomu wodoru. Analiza struktury subtelnej widm pozwoliła na kolejne odkrycia dotyczące modelu atomu. Obecnie techniki analizy widmowej stanowią najdokładniejsze narzędzia do wykrywania i badania substancji. - Wikipedia, wolna encyklopedia

Nie trzeba udowadniać, że światło jest falą elektro-magnetyczną gdyż jest to znany fakt od dawna. James Clerk Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, to znaczy udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu. Wprowadzone przez niego w 1861 roku równania Maxwella pokazały, że pole elektryczne i magnetyczne podróżują w próżni z prędkością światła w postaci fali. Doprowadziło go to do wniosku, że światło jest falą elektromagnetyczną. Równania Maxwella są uważane za jeden z największych przełomów w historii fizyki. - Wikipedia...
Wiemy też, że fale elektromagnetyczne potrafią się ze sobą łączyć lub się wzajemnie wygaszać. Optyka już zajęła się tym tematem.  Zjawiskiem zdradzającym falową naturę światła jest interferencja. Jest ona zjawiskiem charakterystycznym dla każdego ruchu falowego. Polega ona na nakładaniu się fal pochodzących z różnych źródeł. Popatrzmy na poniższy rysunek, który przedstawia takie nakładanie się fal i wyjaśnia powstawanie kolorów. 
Punkty, w których łączą się fale elektro-magnetyczne, specjalnie zaznaczyłem na czarno. Czarne dziury w Kosmosie to takie same miejsca, w których łączą się ze sobą fale elektro-magnetyczne, tylko o znacznie większych rozmiarach.
Słońca (Gwiazdy) łączą się ze sobą podobnie jak pierwiastki w chemii. 
Bardziej dokładnie to zjawisko wyjaśnię w dalszej części publikacji... 

 
Inną ważną cechą atomów jest ich zdolność do łączenia się z innymi atomami. W chemii określa się to mianem wartościowości pierwiastków: 
 Wartościowość – cecha pierwiastków chemicznych oraz jonów określająca
liczbę wiązań chemicznych, którymi dany pierwiastek bądź jon może łączyć się z innymi. Pojęcie wartościowości w odniesieniu do pierwiastków jest nieprecyzyjne, dlatego jest często zastępowane pojęciem stopnia utlenienia lub liczby koordynacyjnej. Wartościowość nie uwzględnia bowiem otoczenia chemicznego danego atomu. Przykładowo atom azotu jest trójwartościowy N(III) zarówno w cząsteczce amoniaku (NH3), jak i w kwasie azotowym (III) (H-O-N=O).
 Jednak stopnie utlenienia atomu azotu w tych związkach wynoszą odpowiednio -3 i +3, co oznacza, że atom ten,
albo przyjmuje 3 elektrony, albo oddaje 3 elektrony z powłoki walencyjnej. Szczególne trudności pojęcie to powoduje w chemii koordynacyjnej, chemii metaloorganicznej i chemii supramolekularnej, gdzie często występują inne oddziaływania między atomami niż wiązania kowalencyjne czy jonowe. Większość pierwiastków posiada kilka możliwych wartościowości. - Wikipedia...
Spróbujmy teraz falami elektro-magnetycznymi łączyć ze sobą atomy... wiedząc, że każdy atom emituje w obrębie jądra taką właśnie falę. O ile znane mi są różne odkrycia naukowe... w przestrzeni wokól atomów żadne badania nie wykryły obecności niczego innego prócz fal elektro-magnetycznych.  Może czas najwyższy, by wiązania międzyatomowe uznać za wiązania falowe...
Obejrzyjmy taką wersję na poniższym rysunku.  
Wiemy, że wartościowość pierwiastka określa zdolność do tworzenia wiązań z innymi atomami. Ile zaś tych wiązań wytworzy, to już zależy od energii jądra atomów danego pierwiastka i tych, z którymi się zwiąże. Na pewno nie mają z tym nic wspólnego elektrony, a tym bardziej z ostatniej powłoki tak zwanej walencyjnej. Jak już ustaliliśmy, że elektrony są czystą energią i nie mają masy ... By było to bardziej zrozumiałe, obejrzyjmy kilka przykładów na rysunkach.

 Wiemy, że fale elektro-magnetyczne składają się z
fali magnetycznej  i  fali elektrycznej. Wiemy też... a udowodnił to James Clerk Maxwell.., że te fale nie mogą bez siebie istnieć, gdyż każdemu zjawisku elektrycznemu towarzyszy zjawisko magnetyczne. Nanieśmy więc te fale w przestrzeń otaczającą atomy - zwaną powłoką elektronową.   
 
Wiemy też, w jaki sposób przyciągają się magnesy ... Z falami jest podobnie. Jeżeli dwie fale magnetyczne spotkają się ze sobą, to jakby zetknęły się ze sobą  dwa magnesy przeciwnymi biegunami... po prostu się przyciągną i połączą ze sobą. Przedstawia to poniższy rysunek.
Uff... Ale tego dużo. Mam na myśli wielkość wiedzy, jaką  nauka zgromadziła o atomach. A to jeszcze nie wszystko...  
Zróbmy sobie małą przerwę... Na kolejnej pod stronie:Chmury 2... będziemy kontynuować nasze dociekania.
Kreator stron internetowych - strona bez programowania