Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:43 • sest 21:13 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 13:37 • Sest 06:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 02:59 • Síðdegis: 15:47 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 09:39 • Síðdegis: 21:50 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi?

Ágúst Valfells

Í þessu samhengi ber fyrst að nefna rafstöðukrafta. Flestir hafa séð hvað gerist ef blöðru er nuddað upp við hár manns. Þá er hægt að festa blöðruna upp í loft og hárin sem blöðrunni var nuddað upp að standa upp í loft og hvert út frá öðru. Núningurinn hefur þá framkallað krafta sem láta hárin fjarlægjast hvert annað en blöðruna fá aðdráttarkraft. Þessir kraftar eru nefndir rafstöðukraftar.

Frakkinn Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) gerði fyrstur manna greinargóða athugun og lýsingu á þessum kröftum. Hann greindi milli jákvæðrar og neikvæðrar hleðslu efnis og sýndi fram á að fráhrindikraftur væri milli efnis með sammerkja hleðslu, en aðdráttarkraftur milli efnis með gagnmerkja hleðslu, það er að segja jákvæðar hleðslur hrinda hver annarri frá sér, sömuleiðis neikvætt hlaðin efni, en jákvætt hlaðið efni dregur að sér neikvætt hlaðið efni og öfugt.

Coulomb sýndi fram á að þessi kraftur lyti svipuðu lögmáli og þyngdarkrafturinn í lýsingu Newtons. Kraftinum má lýsa með eftirfarandi jöfnu:
F = K * q1 * q2 / r2,
þar sem F táknar kraftinn, K er fasti, q1 og q2 eru hleðslur eindanna sem krafturinn verkar á, og r er fjarlægðin á milli þeirra. Rafstöðukrafturinn er miðlægur, það er að segja hann verkar frá miðju einnar hleðslu að miðju annarrar.

Seinna meir kom í ljós að í efni væru til léttar neikvæðar eindir (rafeindir) og þyngri jákvætt hlaðnar eindir (róteindir, en þær eru um það bil 1800 sinnum þyngri en rafeindir). Róteindirnar eru jafnmargar og rafeindirnar í óhlöðnu efni. En þá fóru menn að velta því fyrir sér hvernig uppbygging efnisins væri. Með greiningu sem byggðist á þekkingu á Coulomb-krafti og mælingum á dreifingu jákvætt hlaðinna alfa-agna gat breski eðlisfræðingurinn Ernest Rutherford (1871-1937) sýnt fram á að í atómum væri hleðsludreifingin þannig að jákvæðu agnirnar mynduðu lítinn kjarna en umhverfis hann væru rafeindirnar. Þetta var allt öðruvísi en menn höfðu áður ímyndað sér, nefnilega að jákvæðar og neikvæðar eindir væru saman í graut og rafeindirnar væru líkastar rúsínunum í grautnum.

Við þetta vaknar strax sú spurning hvers vegna rafstöðukraftar splundri ekki kjarnanum vegna fráhrindingarinnar milli róteindanna. Þá sem oftar í eðlisfræðinni verður svarið ekki af því bara, heldur vegna þess að einhverjir áður óþekktir kraftar eru að verki sem nauðsynlegt er að kunna skil á. Við skulum kalla þennan kraft kjarnakraft. Af fyrri umræðu má gera sér í hugarlund nokkra eiginleika hans: Á mjög stuttum vegalengdum (um það bil þvermál kjarneinda) hlýtur krafturinn að vera fráhrindikraftur, ella myndu eindirnar falla saman; á vegalengdum sem samsvara stærð kjarnans hlýtur kjarnakrafturinn að vera aðdráttarkraftur sem er stærri en rafstöðukrafturinn; á löngum fjarlægðum (meiri en þvermál kjarnans) er kjarnakrafturinn hverfandi lítill miðað við rafstöðukrafta.

Í öllum atómum sama frumefnis eru jafnmargar róteindir í kjarnanum og rafeindir á sveimi kringum kjarnann í óhlöðnu atómi eru jafnmargar og róteindirnar. Seinna meir tóku menn eftir því að atóm sama frumefnis gátu haft mismunandi massa og eru þau nefnd mismunandi samsætur. Þetta var útskýrt með tilvist nýrra einda, nifteinda, sem hafa áþekkan massa og róteindir, en bera enga rafhleðslu. Sýnt var að nifteindirnar væru í kjarnanum, og því hlyti kjarnakrafturinn einnig að verka á þær, ella myndu þær vart haldast í kjarnanum.

Róteindir og nifteindir nefnast einu nafni kjarneindir. Mælingar hafa leitt í ljós að kraftur milli kjarneinda virðist vera óháður því hvernig kjarneindir er um að ræða. Einnig virðist krafturinn einungis verka á kjarneindir, til dæmis virðast rafeindir óháðar honum. Síðan eru nokkrir aðrir eiginleikar kraftsins sem ekki gefst tækifæri að ræða um að sinni.

Nú má spyrja hvers vegna rafeindir falla ekki inn í kjarnann. Fyrst gerðu menn sér í hugarlund að rafeindir gengju á brautu umhverfis kjarnann líkt og jörð um sólu. Þetta gat þó vart staðist því að vitað var að rafeindir sem snúast þannig geisla stöðugt frá sér orku og ættu að lokum að falla inn að kjarnanum. Samfara þessu ættu þær að geisla frá sér samfelldu orkurófi, en í raun var litróf atóma slitrótt. Daninn Niels Bohr (1885-1962) útskýrði þetta þannig að rafeindir gætu einungis verið á ákveðnum brautum um kjarnann. Hann ályktaði einnig að til væri lægsta orkustig rafeinda í atómum, sem leiddi til þess að atóm féllu ekki saman. Upp úr þessum vangaveltum (og öðrum, til dæmis um svarthlutargeislun og ljósröfun) varð til ný grein eðlisfræðinnar, skammtafræðin. Um hana má lesa margt á Vísindavefnum, til dæmis með því að setja heiti hennar inn í leitarvél vefsins.

Svar þetta kann að virðast nokkuð langt, en eitt meginatriðið er að á hverju stigi málsins geta menn ekki útskýrt alla hluti. Þá er það hlutverk vísindanna að leita að lögmáli sem lýsir réttilega hegðun náttúrunnar. Slík lögmál hafa oft þann eiginleika að spá fyrir um hluti sem menn hafa ekki rekið sig á. Í grundvallaratriðum má ef til vill svara spurningunni um það, hvers vegna atóm splundrast ekki, með hinni einföldu fullyrðingu "af því bara". En þegar öll þekkt lögmál þrýtur til skýringa er sem betur fer oft hægt að búa til ný sem eru grundvölluð á einmitt þessu "af því bara".

Að lokum er ráð að jarðtengjast aðeins og benda á að utan atómsins eru það rafkraftar sem eru allsráðandi um það að efni hangir saman. Misvægi í hleðsludreifingu efnis leiðir til krafta milli frumeinda, sameinda og þéttefnis. Hér er fróðlegt að líta á svar Viðars Guðmundssonar við spurningunni Sé bil á milli róteindar og rafeindar, er þá ekki fræðilegur möguleiki að tveir einstaklingar fari í gegn þegar þeir hlaupa hvor á annan? Þar kemur meðal annars fram að það eru í rauninni rafsegulkraftar en ekki þyngdarkraftar sem við verðum mest vör við í daglegu lífi.



Fleiri svör um svipað efni fást með því að slá inn leitarorðið 'frumeind' í leitarvél Vísindavefsins.

Mynd: University of St Andrews: School of Mathematical and Computational Sciences

Höfundur

Ágúst Valfells

lektor við verkfræðideild Háskólans í Reykjavík

Útgáfudagur

11.5.2001

Spyrjandi

Snæbjörn Brynjarsson, f. 1984

Efnisorð

Tilvísun

Ágúst Valfells. „Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi? “ Vísindavefurinn, 11. maí 2001. Sótt 18. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1587.

Ágúst Valfells. (2001, 11. maí). Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1587

Ágúst Valfells. „Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi? “ Vísindavefurinn. 11. maí. 2001. Vefsíða. 18. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1587>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Af hverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi?
Í þessu samhengi ber fyrst að nefna rafstöðukrafta. Flestir hafa séð hvað gerist ef blöðru er nuddað upp við hár manns. Þá er hægt að festa blöðruna upp í loft og hárin sem blöðrunni var nuddað upp að standa upp í loft og hvert út frá öðru. Núningurinn hefur þá framkallað krafta sem láta hárin fjarlægjast hvert annað en blöðruna fá aðdráttarkraft. Þessir kraftar eru nefndir rafstöðukraftar.

Frakkinn Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) gerði fyrstur manna greinargóða athugun og lýsingu á þessum kröftum. Hann greindi milli jákvæðrar og neikvæðrar hleðslu efnis og sýndi fram á að fráhrindikraftur væri milli efnis með sammerkja hleðslu, en aðdráttarkraftur milli efnis með gagnmerkja hleðslu, það er að segja jákvæðar hleðslur hrinda hver annarri frá sér, sömuleiðis neikvætt hlaðin efni, en jákvætt hlaðið efni dregur að sér neikvætt hlaðið efni og öfugt.

Coulomb sýndi fram á að þessi kraftur lyti svipuðu lögmáli og þyngdarkrafturinn í lýsingu Newtons. Kraftinum má lýsa með eftirfarandi jöfnu:
F = K * q1 * q2 / r2,
þar sem F táknar kraftinn, K er fasti, q1 og q2 eru hleðslur eindanna sem krafturinn verkar á, og r er fjarlægðin á milli þeirra. Rafstöðukrafturinn er miðlægur, það er að segja hann verkar frá miðju einnar hleðslu að miðju annarrar.

Seinna meir kom í ljós að í efni væru til léttar neikvæðar eindir (rafeindir) og þyngri jákvætt hlaðnar eindir (róteindir, en þær eru um það bil 1800 sinnum þyngri en rafeindir). Róteindirnar eru jafnmargar og rafeindirnar í óhlöðnu efni. En þá fóru menn að velta því fyrir sér hvernig uppbygging efnisins væri. Með greiningu sem byggðist á þekkingu á Coulomb-krafti og mælingum á dreifingu jákvætt hlaðinna alfa-agna gat breski eðlisfræðingurinn Ernest Rutherford (1871-1937) sýnt fram á að í atómum væri hleðsludreifingin þannig að jákvæðu agnirnar mynduðu lítinn kjarna en umhverfis hann væru rafeindirnar. Þetta var allt öðruvísi en menn höfðu áður ímyndað sér, nefnilega að jákvæðar og neikvæðar eindir væru saman í graut og rafeindirnar væru líkastar rúsínunum í grautnum.

Við þetta vaknar strax sú spurning hvers vegna rafstöðukraftar splundri ekki kjarnanum vegna fráhrindingarinnar milli róteindanna. Þá sem oftar í eðlisfræðinni verður svarið ekki af því bara, heldur vegna þess að einhverjir áður óþekktir kraftar eru að verki sem nauðsynlegt er að kunna skil á. Við skulum kalla þennan kraft kjarnakraft. Af fyrri umræðu má gera sér í hugarlund nokkra eiginleika hans: Á mjög stuttum vegalengdum (um það bil þvermál kjarneinda) hlýtur krafturinn að vera fráhrindikraftur, ella myndu eindirnar falla saman; á vegalengdum sem samsvara stærð kjarnans hlýtur kjarnakrafturinn að vera aðdráttarkraftur sem er stærri en rafstöðukrafturinn; á löngum fjarlægðum (meiri en þvermál kjarnans) er kjarnakrafturinn hverfandi lítill miðað við rafstöðukrafta.

Í öllum atómum sama frumefnis eru jafnmargar róteindir í kjarnanum og rafeindir á sveimi kringum kjarnann í óhlöðnu atómi eru jafnmargar og róteindirnar. Seinna meir tóku menn eftir því að atóm sama frumefnis gátu haft mismunandi massa og eru þau nefnd mismunandi samsætur. Þetta var útskýrt með tilvist nýrra einda, nifteinda, sem hafa áþekkan massa og róteindir, en bera enga rafhleðslu. Sýnt var að nifteindirnar væru í kjarnanum, og því hlyti kjarnakrafturinn einnig að verka á þær, ella myndu þær vart haldast í kjarnanum.

Róteindir og nifteindir nefnast einu nafni kjarneindir. Mælingar hafa leitt í ljós að kraftur milli kjarneinda virðist vera óháður því hvernig kjarneindir er um að ræða. Einnig virðist krafturinn einungis verka á kjarneindir, til dæmis virðast rafeindir óháðar honum. Síðan eru nokkrir aðrir eiginleikar kraftsins sem ekki gefst tækifæri að ræða um að sinni.

Nú má spyrja hvers vegna rafeindir falla ekki inn í kjarnann. Fyrst gerðu menn sér í hugarlund að rafeindir gengju á brautu umhverfis kjarnann líkt og jörð um sólu. Þetta gat þó vart staðist því að vitað var að rafeindir sem snúast þannig geisla stöðugt frá sér orku og ættu að lokum að falla inn að kjarnanum. Samfara þessu ættu þær að geisla frá sér samfelldu orkurófi, en í raun var litróf atóma slitrótt. Daninn Niels Bohr (1885-1962) útskýrði þetta þannig að rafeindir gætu einungis verið á ákveðnum brautum um kjarnann. Hann ályktaði einnig að til væri lægsta orkustig rafeinda í atómum, sem leiddi til þess að atóm féllu ekki saman. Upp úr þessum vangaveltum (og öðrum, til dæmis um svarthlutargeislun og ljósröfun) varð til ný grein eðlisfræðinnar, skammtafræðin. Um hana má lesa margt á Vísindavefnum, til dæmis með því að setja heiti hennar inn í leitarvél vefsins.

Svar þetta kann að virðast nokkuð langt, en eitt meginatriðið er að á hverju stigi málsins geta menn ekki útskýrt alla hluti. Þá er það hlutverk vísindanna að leita að lögmáli sem lýsir réttilega hegðun náttúrunnar. Slík lögmál hafa oft þann eiginleika að spá fyrir um hluti sem menn hafa ekki rekið sig á. Í grundvallaratriðum má ef til vill svara spurningunni um það, hvers vegna atóm splundrast ekki, með hinni einföldu fullyrðingu "af því bara". En þegar öll þekkt lögmál þrýtur til skýringa er sem betur fer oft hægt að búa til ný sem eru grundvölluð á einmitt þessu "af því bara".

Að lokum er ráð að jarðtengjast aðeins og benda á að utan atómsins eru það rafkraftar sem eru allsráðandi um það að efni hangir saman. Misvægi í hleðsludreifingu efnis leiðir til krafta milli frumeinda, sameinda og þéttefnis. Hér er fróðlegt að líta á svar Viðars Guðmundssonar við spurningunni Sé bil á milli róteindar og rafeindar, er þá ekki fræðilegur möguleiki að tveir einstaklingar fari í gegn þegar þeir hlaupa hvor á annan? Þar kemur meðal annars fram að það eru í rauninni rafsegulkraftar en ekki þyngdarkraftar sem við verðum mest vör við í daglegu lífi.



Fleiri svör um svipað efni fást með því að slá inn leitarorðið 'frumeind' í leitarvél Vísindavefsins.

Mynd: University of St Andrews: School of Mathematical and Computational Sciences...