Młody Rycerz Niepokalanej (12)

Zapewne ochłonąłeś już i wyrwałeś się spod ciężaru przerażających ogromów mas i przestrzeni kosmicznych, wobec których człowiek czuje się jak nic nie znaczący pyłek.

Jesteś znów tu, u siebie - na ukochanej Ziemi pod kopułą nieba ograniczoną horyzontem, która nie budzi w tobie lęku, bo stwarza poczucie przestrzeni kameralnej, bliskiej i swojskiej.

Gdzieś daleko poza nią trwa zastraszający, kosmiczny makroświat.

Czujesz się bezpieczny - słuchasz śpiewu ptaków, uśmiechasz się do kwiatów, idziesz sobie przez park i... nie czujesz, nie zdajesz sobie sprawy z tego, że przebywasz stale w chaosie cząstek gazowych, nieustannie "ostrzeliwany" przez miliardy miliardów maleńkich kulek, pędzących z prędkością pocisków karabinowych. Cząstki wpadają na ciebie i odbijają się jak sprężyste kule bilardowe. Nie odczuwasz tej inwazji tylko z powodu znikomej ich masy.

Co to? - To mikroświat - przeciwieństwo makroświata.

Niewidzialny ani gołym okiem, ani przy pomocy najlepszego mikroskopu optycznego, świat, w którym wszystko drga, wszystko tańczy w powietrzu, w ziemi, w ogniu i wodzie; w litej skale i w szynach żelaznych, w zapachu róż, w każdym twoim oddechu, w każdym spojrzeniu i w każdej kropli krwi.

Ten mikroświat - to także przyroda, a ona - jak już wiesz-jest przepojona doskonałym ładem, toteż i w tym "chaosie" mikroświata jest także ład, sens i najwyższe uporządkowanie.

Jak myślisz | KTO | ustalił i nadzoruje ten porządek?

KTO | patrzy i czuwa nad tym, czego nie widać?

KTO?

Ktoś, kto widzi i zna każdy szczegół tej tajemnicy, bo sam ją stworzył.

Odkrywanie tajemnic zacznijmy do tego, co w mikroświecie jest podstawowe - od atomu.

*

Atom - według najprostszej definicji - to najmniejsza część pierwiastka, np. tlenu, żelaza czy siarki. Jest on tak mały, że trudno nawet sobie wyobrazić jego rozmiary. Np. w 1 cm³ wodoru jest tyle atomów, że chcąc je policzyć musiałbyś to czynić nieprzerwanie, zliczając po 2 atomy na sekundę - i wówczas na policzenie wszystkich potrzebowałbyś ok. miliarda (miliona milionów) lat.

Najmniejszy jest atom wodoru, którego średnica wynosi 0,000000092 cm, a masa - zaledwie 0,00000000000000000000000167 g, czyli 0,167×10-23g.

Dziwisz się zapewne, jak ludzie mogli to obliczyć, skoro atomu nawet nie widzieli... Tak, każdy się dziwi, ale współcześni uczeni znają bardzo dokładnie sposoby wyznaczania mas atomowych, ale o tym nie będę ci szczegółowo opowiadała, bo to nie podręcznik chemii. - Ty szukasz Boga...

Zatem, szukając dowodów Bożej doskonałości, musimy rozważyć budowę atomu, bo same rozmiary tej drobiny nie są jeszcze przekonywujące.

Jego budowa jest złożona i najprościej opisuje ją stary model tzw. heliocentryczny, gdyż wykazuje on podobieństwo do naszego układu planetarnego, w którym planety krążą wokół Słońca, po określonych torach.

[Rys. 1, s. 334: Schemat modelu atomu.]

Jest on tworem przestrzennym, w przybliżeniu kulistym i zawiera dwie główne części - jądro i otoczkę (powłokę) elektronową.

W jądrze znajdują się protony i neutrony, a wokół niego krążą elektrony, zakreślając swymi torami przestrzenną chmurę. Przy tym prędkość ta jest tak wielka, że nie można wskazać nawet punktowo miejsca, w którym w danej chwili znajduje się elektron.

Protony mają ładunek elektryczny "+", a elektrony "-". Neutrony nie posiadają żadnego ładunku - są obojętne.

Liczba protonów i elektronów w atomie jest taka sama, więc ładunki te wzajemnie się znoszą i dlatego każdy atom na zewnątrz jest elektrycznie obojętny. Dzięki temu między atomami nie ma możliwości odpychania się, bo gdyby było inaczej - odskakiwałyby od siebie i nie byłoby możliwe istnienie materii w postaci zwartej.

Protony i neutrony, w porównaniu z elektronami mają dużą masę. Proton jest 1836 razy cięższy od elektronu, podobnie - neutron, i dlatego zakłada się, że o całej masie atomu - praktycznie decyduje jądro.

Ładunki te względem siebie znajdują się w dużej odległości. Gdybyś sobie wyobraził, że jądro ma średnicę 2 cm - to elektron o średnicy 2 mm znajdowałby się w odległości 100 m od niego.

Albo, gdyby atom miał rozmiary stadionu piłkarskiego, to mucha, siedząca na jego środku - odpowiadałaby (w przybliżeniu) swą wielkością jądru atomowemu - elektrony krążyłyby wokół niego w odpowiedniej odległości.

Wszystko to niby jasne, ale na pewno już teraz masz szereg wątpliwości, bo np.

- Dlaczego jądro, zawierające cząstki o ładunku dodatnim, nie rozpada się?

- Dlaczego tak mały elektron jest w stanie oprzeć się sile przyciągania wielkiego protonu i nie upadnie na jądro?

- Dlaczego elektron pędzący z tak ogromną prędkością po łuku - nie zostanie wyrzucony poza atom wskutek działającej nań siły odśrodkowej?

- Dlaczego obojętny atom, który teoretycznie nie może oddziaływać na inne atomy, jednak wchodzi w reakcje chemiczne właśnie z innymi atomami?

- Jak to się dzieje, że dwa identyczne i obojętne atomy, np. tlenu, występują w atomsferze związane ze sobą w cząsteczki dwuatomowe?

- Dlaczego?... Dlaczego?...

No właśnie... Wcale ci się nie dziwię, bo trudno pogodzić ze sobą przedstawione powyżej informacje obudowie atomu z tak konkretnymi wątpliwościami.

Takie same wątpliwości na pewno mieli i uczeni, ale zakładając, że w całym mikro i makroświecie istnieje doskonały ład, zapewne szukali praw rządzących nim, a jeśli ich nie znajdowali, mieli prawo sądzić, że nie wszystko jeszcze pojęli - szukali więc dalej...

Mądry i skromny człowiek nie dopuszcza do siebie myśli, że wszystko już zrozumiał i wszystko wie; nie zadowala go usprawiedliwienie, że wszystko jest dziełem chaotycznych przypadków. On szuka praw i je znajduje...

W taki sposób tłumaczy sobie istnienie faktów pozornie sprzecznych i jeśli nawet nie wszystko po drodze rozumie, posuwa się dalej.

Do niedawna proton, neutron i elektron uważane były za cząstki elementarne (najmniejsze, podstawowe), dziś mamy już za sobą lata badań naukowych nad materią i antymaterią, gdyż uczeni wysnuli wniosek, że obok cząstek istnieją antycząstki na zasadzie symetrii, np. elektron-pozyton (elektron dodatni), mezon-antymezon (obie wysyłane z protonów i neutronów), neutrino-antyneutrino (obie powstające przy sztucznym rozbiciu neutronu w akceleratorze atomowym) itp.

Dziś już wcale nie możemy być pewni, że cząstki, z których składa się atom, są istotnie elementarne, gdyż ostatnio stwierdzono, iż wewnątrz protonu i neutronu znajdują się cząstki mniejsze i to kilku generacji, które nazwano kwarkami. Poruszają się one tylko trójkami (zawsze razem, po 3) i posiadają ładunki elektryczne (każdy o wielkości ułamka ładunku elementarnego elektronu), które w trójkowych zespołach dają wielkość ładunku całkowitego. Ponoć trójek kwarkowych podzielić się nie da, ale czy na pewno? Jaką rolę spełniają i czy nie ma już nic mniejszego od nich?... Wątpliwości zostawmy uczonym, a my...

*

Przystąpmy do znalezienia odpowiedzi na postawione pytania.

Protony i neutrony w jądrze znajdują się w ciągłym ruchu względem siebie, a mimo to jądro nie rozpada się, gdyż neutrony odgrywają rolę stabilizującą, co umożliwia współistnienie protonów. Między nimi istnieją siły jądrowe, zatem protony nie odpychają się i mogą być obok siebie, koniecznie jednak "w towarzystwie" neutronów. Gdy np. jeden z dwóch protonów wyrzuci nagle dodatni elektron (pozyton), to po utracie ładunku staje się neutronem.

Dwa protony odpychają się wzajemnie, natomiast [336]proton i neutron wiążą się mocno ze sobą za pomocą sił jądrowych, warunkujących mocne przyciąganie. Proton zmienił się w neutron, ale jednocześnie inny neutron, obok - zamienia się identycznie w proton. Przemiany te odbywają się nieustannie; zachodząca między nimi wymiana ładunku sprawia, że obie te cząstki nie zachowują swojej indywidualności.

Żadna nie jest wyłącznie protonem ani wyłącznie neutronem, lecz każda jest zarazem protonem i neutronem. W związku z tym nadano im wspólną nazwę nukleonów. Ładunek, przeskakujący ustawicznie z jednego nukleonu na drugi, występuje w postaci tzw. "pomyślanej", czyli nie istniejącej realnie cząstki zwanej mezonem π, czyli pionem, która jak piłeczka pingpongowa wędrując między graczami wiąże ich jakby niewidzialną nicią - tak mezon π wiąże nukleony. Protony i neutrony są jakby cegiełkami, a mezony stanowią zaprawę wiążącą te cegiełki. Każdy nukleon jest więc otoczony pulsującą, nieustannie drgającą i zanikającą chmurą mezonów n, niosącą ładunek. W ten sposób nukleony zmieniają się rolami wiążąc się jednocześnie ze sobą, przez co gwarantują stabilność jądra. Działające między nukleonami przyciąganie - nazywamy siłą wymiany.

Musisz jeszcze wiedzieć, że w oddziaływaniu cząstek różnych, czyli protonu i neutronu, uczestniczą mezony naładowane, a między takimi samymi, jak np. proton-proton - obojętne.

Tak więc jądra wielu atomów stanowią zadziwiająco mocną konstrukcję i żeby je rozbić - trzeba w nie bombardować innymi jądrami atomowymi, nadając im ogromną szybkość w gigantycznych akceleratorach, czyli przyśpieszaczach.

Uff - pewnie bardzo się zmęczyłeś...

Odpocznij chwilę i pomyśl: mikroświat - którego nikt nie widzi atom - niewyobrażalnie mały cząstki elementarne - mgnienie, a mimo to określono w nich siły, energie, powiązania, ładunki, wzajemne oddziaływania, przemiany...

Wydaje się, że to wszystko nie chce się pogodzić ze zdrowym rozsądkiem... Wydaje się niepojęte, a przecież o atomie napisałam zaledwie kilkadziesiąt linijek.

Wiedza człowieka na ten temat jest tak ogromna, że zajmują się nią aż trzy obszerne dyscypliny naukowe - fizyka jądrowa, chemia kwantowa i radiochemia. Na temat atomu napisano tyle książek, że gdyby upakowano je w dwa pokaźnych rozmiarów worki, to dobry atleta miałby kłopot z ich podniesieniem z podłogi.

KTO | "zadał" tyle do zrozumienia, tyle do poszukiwań, do badań i przeliczeń?

Dla | KOGO | nie stanowiły one żadnych trudności, skoro tak precyzyjnie je wykorzystał w całym Wszechświecie?

Ale posuwajmy się dalej, bo większość wątpliwości nie została jeszcze wyjaśniona.

- Dlaczego elektron nie upadnie na jądro?

Dlatego, że siła odśrodkowa (bezwładności), wywierająca na elektron działanie skierowane na zewnątrz, oraz siła przyciągania elektrycznego są wzajemnie idealnie zrównoważone. Mimo że proton jest cięższy od elektronu prawie 2000 razy, to jego ładunek jest dokładnie takiej samej wielkości, a więc i siły, jak ujemny ładunek elektronu.

Z tego samego powodu elektron nie może wypaść poza atom.

Tak tłumaczył zagadnienie Niels Bohr na początku naszego wieku, starając się torom, po których krążą elektrony - nadać sens fizyczny. Dalsze badania wykazały jednak, że jest to błędne rozumowanie. W rzeczywistości sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana i ewentualną odpowiedź możesz uzyskać dopiero po zapoznaniu się z ustaleniami mechaniki kwantowej, o której dowiesz się w dalszych rozważaniach.

- Dlaczego obojętny atom oddziaływuje na inne atomy i wchodzi z nimi w reakcje?

To bardzo długa i zawiła sprawa, dlatego też przedstawię ci tylko niewielką cząstkę podstawowych informacji.

W pojęciu współczesnej chemii - elektron nie jest cząstką materii, lecz posiada dwoistą naturę tzw. korpuskularno (cząsteczkowo) - falową, w myśl której jest on równocześnie cząstką i falą. Można to dostrzec w różnych zjawiskach, gdy zachowuje się jak korpuskuła lub jak fala. Wobec tej dwoistości, nie wiemy, czym w swej istocie jest elektron.

Teraz zapewne rozumiesz dlaczego na początku rozdziału wygodniej było mi tłumaczyć budowę atomu na podstawie starego modelu heliocentrycznego.

Otóż w otoczce elektronowej atomu można wyróżnić kilka elementów: powłoka, podpowłoka, orbital. Są 4 rodzaje orbitali, tj. s, p, d, f, ale w poszczególnych powłokach może być tylko 1 orbital s, tylko 3 orbitale p, tylko 5 orbitali d oraz 7 orbitali f. Liczba podpowłok w powłoce odpowiada jej numerowi (licząc od jądra). Liczba orbitali w danej powłoce równa się kwadratowi liczby określającej ją (czyli także jej numeru). Gdyby udało ci się ujrzeć atom w niezwy[337]kłym powiększeniu, dostrzegłbyś powłoki z elekronami niby warstwy chmur o nieostrych konturach.

Stan atomu (uporządkowanie) wyrażają cztery liczby ściśle określone, czyli skwantowane, tzw. liczby kwantowe: n - główna liczba kwantowa - określa poziom energetyczny elektronu, czyli powłokę. Od niej zależy energia elektronu.

l - poboczna liczba kwantowa - charakteryzuje energię elektronu w danej powłoce a także wyraża przynależność elektronu do odpowiedniej podpowłoki, co jednocześnie określa kształt orbitalu.

m - magnetyczna liczba kwantów - określa wzajemne położenie orbitali w przestrzeni (na osiach x, y, z). Jej wartość określa także liczbę orbitali w danej podpowłoce.

s - spinowa liczba kwantowa - określa spin, czyli kręt elektronu (bo musisz wiedzieć, że po tym samym orbitalu, czyli torze - mogą poruszać się 2 elektrony w przeciwnych kierunkach ruchu tzw. śruby prawo i lewoskrętnej).

W oparciu o te liczby znakomity fizyk Pauli sformułował zasadę wykluczania (znaną jako zakaz Pauliego), która mówi, że żaden elektron w atomie nie może obsadzać takiego samego stanu, jak zajmowany przez inny elektron. Zwróć więc uwagę na to, że w mikroświecie panuje taki sam genialny porządek, jak w makroświecie - wszystko zajmuje wyznaczone miejsce, wszystko porusza się i zmienia bez obawy o jakiekolwiek katastroficzne zdarzenia losowe.

Każdy orbital w rzeczywistości oznacza funkcję falową elektronu w atomie wodoru (jednoelektronowym), która jest wynikiem rozwiązania bardzo trudnego równania matematycznego.

W związku z tym nie można określić kształtu toru, po którym porusza się elektron, lecz można jedynie obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia elektronu, lub określić rozmiary obszaru (w postaci rozmytej chmury) o złożonym kształcie, w którym może znajdować się elektron.

Wszystkie mikrocząsteczki kierują się innymi prawami niż przedmioty duże. Prawa te, nazywane kwantowymi, prowadzą do nieoczekiwanych wniosków, np. nie wiemy, czy elektron w ogóle ma jakąś prędkość i o tej dziwnej własności mówią zasady nieoznaczoności, określone przez Heisenberga, jednego z twórców mechaniki kwantowej.

...Tyle informacji, tak zawiłych... - pytasz pewnie - po co?

...Widzisz, gdy to piszę nie wiem czy Ty, mój czytelniku, masz umysł "humanistyczny" czy "matematyczny". Jeśliś jest bardziej humanistą niż matematykiem, na pewno cię to nuży i przyprawia o ból głowy, ale jeśli jest odwrotnie, to z własnego doświadczenia wiem, że tylko konkrety są w stanie przekonać prawdziwego sceptyka.

Wszak wielu z dumą głosi, że "w nauce jest tyle prawdy - ile w niej matematyki".

Ale wracamy znów na prostą drogę, prowadzącą do uzyskania odpowiedzi na pytanie: jak i dlaczego atomy reagują ze sobą, mimo iż są obojętne?

Obojętny elektron znajduje się w tzw. stanie podstawowym, czyli w układzie najbardziej korzystnym, w którym posiada on najmniejszą energię.

Podtrzymując założenie, że wszystko, co ci wyjaśniam, jest umowne - orbitale przedstawię ci jako kwadraciki, a elektrony - w postaci strzałek. Wówczas atom węgla w stanie podstawowym będzie wyglądał następująco:

[Rys. 2, s. 337] Stan podstawowy

(Oczywiście ustawieniem i rozmieszczeniem elektronów rządzą określone prawa).

Wskutek pochłonięcia światła, impulsu elektrycznego czy silnego oddziaływania chemicznego albo zderzenia z inną cząsteczką (np. w czasie ogrzewania) - elektron przechodzi do tzw. stanu wzbudzonego, który charakteryzuje się nadmiarem energii w stosunku do stanu podstawowego. Wówczas przeskakuje on na inny orbital i jest gotów do rozpoczęcia reakcji z innym atomem.

[Rys. 3, s. 337] Stan wzbudzony

W stanie wzbudzonym na każdym orbitalu zewnętrznej powłoki - znajduje się miejsce dla jednego elektronu innego pierwiastka, który może z nim reagować.

Nic się nadal nie dzieje, ale atom jest gotów. To tak, jakby ktoś podniósł kamień z ziemi (przez to zwiększył jego energię potencjalną) i trzymał go w ręku.

W tym stanie atom może wejść do reakcji lub powrócić do stanu podstawowego oddając pochło[338]niętą uprzednio energię lub jej część w postaci fali świetlnej.

[Rys. 4, s. 338]

Chmury elektronowe w przestrzeni mogą w stanie wzbudzonym przybierać zaskakująco skomplikowane kształty, które zależą od wielkości ładunku elektrycznego jądra.

Jak już wspominałam - stan wzbudzony charakteryzuje się nadmiarem energii, który określa się jako zespół aktywny. Jest to sytuacja niekorzystna dla atomu i dlatego "dąży" on do osiągnięcia stanu charakteryzującego się najmniejszym zasobem energii potencjalnej. Taki stan (zysku energetycznego) gwarantuje mu połączenie z innym atomem we wspólnym dążeniu do uzyskania na zewnętrznej powłoce - konfiguracji gazów szlachetnych (8 lub 2 elektronowej), która jest niezwykle korzystna energetycznie. Może to nastąpić poprzez oddanie elektronów z zewnętrznej powłoki innemu atomowi, pobranie elektronów od innego atomu oraz utworzenie wspólnych dla obu atomów par elektronowych.

Aby tak się stało, atomy te muszą przekroczyć próg bariery energetycznej, czyli osiągnąć energię aktywacji. Połączenie atomów w cząsteczkę wyraża się osiągnięciem przez nią stanu równowagi.

Z tego samego powodu atomy pierwiastków gazowych, takich jak tlen, azot, chlor czy wodór, łączą się w cząsteczki dwuatomowe, gdyż energia zbioru pojedynczych atomów tych substancji jest większa od energii zbioru dwuatomowych cząsteczek.

Obojętny stan atomu może być zakłócony przez czynniki zewnętrzne, które mogą spowodować zaistnienie niedoboru lub nadmiaru elektronów na zewnętrznej powłoce. Nastąpi wówczas zakłócenie równowagi ładunków (ilości protonów w stosunku do elektronów) i atom stanie się jonem, którego ładunek elektryczny jest 0.

I znów - dziesiątki praw i wzorów matematycznych przypisano sytuacjom, w których występują jony, bo każda, nawet najmniejsza zmiana, w mikroświecie uwarunkowana jest dziesiątkami zależności i konsekwencji, każda dokonuje się w jakimś istotnym celu, lecz uczeni nie zawsze potrafią go określić i zbadać. Często wydaje się nam, że jakieś zjawisko nie wywołuje żadnych zmian, tak jak np. pędzące od Słońca maleńkie cząstki neutrino, które dzień i noc przeszywają nasze ciało i wszystkie inne przedmioty a nawet glob ziemski, i pędzą dalej w kosmos nie pozostawiając żadnego śladu swej bytności, ale czy na pewno?

Czy miałyby tak pędzić bez celu? Chyba nie.

KTO | zna ten cel?

Na pewno Ten, kto nakazał im pędzić nie czyniąc szkody życiu na Ziemi; Ten sam, który tak skonstruował atom, aby samorzutnie nie osiągnął stanu wzbudzenia, gdyż wówczas mogłaby się przypadkowo wyzwolić niebezpiecznej wielkości energia jądrowa. Ten sam, który ze znikomej materii tylko trzech rodzajów cząstek elementarnych zbudował cały Wszechświat - wszystkie ciała niebieskie, drewno i krew, żywe komórki, powietrze, wodę i metale, substancje miękkie i twarde, lekkie i ciężkie, o różnych barwach i rozmaitych właściwościach.

Kiedy rozmyślam o geniuszu mikroświata, to wydaje mi się, że gdybym nawet była najbardziej zawziętą, fanatyczną i wojującą ateistką, której ani Wszechświat, ani przyroda nie są w stanie przekonać, że jest BÓG - najwyższa siła stwórcza, najwyższa inteligencja - to rozważając atom poddałabym się. Bo jeśli nawet Wszechświat "stał się" sam a wszystkie ciała niebieskie powstały w wyniku przemian różnych cyklów: protonowo-protonowego, węglowo-azotowego itp., to przecież na początku musiał być ATOM ze swoją genialną konstrukcją, ze swoją niewyobrażalną precyzją, ze swoimi ściśle określonymi możliwościami, przeznaczeniem...

Atom, którego inżynieria do dziś pozostaje niepojęta, niezbadana i fascynująca. Czyżby atom skonstruował się sam?...

Ktoś powiedział: "Bóg jest większy niż wszystko co wielkie, a mimo to obecny w każdej najmniejszej rzeczy".