Tajemnicza natura elektronu

Uwaga – to jest temat dodatkowy. Jeżeli nie chcesz, to nie czytaj. Post jest przeznaczony tylko dla osób, które chciałyby pogłębić swoje rozumienie tego trudnego i abstrakcyjnego tematu, które jest usiane regułkami i zasadami, których ,,trzeba” uczyć się na pamięć, a które da się jednak w jakiś sposób (chociażby uproszczony, ale zawsze) wytłumaczyć.

Ten post jest dla osób, które chcą walczyć ze szkolną przeciętnością.

No brzmi dumnie.

Klucz do zrozumienia nowoczesnej (współczesnej) budowy atomu jest ciężki do ogarnięcia.

1. Atomy są ekstremalnie małe, nie mówiąc już o elektronach

Atomy, z których składają się cząsteczki, materia, są niewyobrażalnie małe. Elektrony mają masę mniejszą niż trylionowa trylionowych grama i rozmiar tak mały, że nie idzie tego zmierzyć. Pyłek kurzu zawiera w sobie więcej atomów niż żyło ludzi na świecie od zarania dziejów. Słowem, jest ich tam… w pizdu.

Jeśli jednak chcemy zrozumieć chemię, to musimy zrozumieć także naturę elektronu.

2. Pisuar Schrodingera

Problem jest taki, że świat, który codziennie nas otacza (makroskopowy – to co widać gołym okiem) nie zachowuje się według tych samych zasad co świat mikroskopowy, czy jak wolisz : kwantowy.

Chodzi tutaj o to, że elektrony kiedy nie patrzymy na elektrony, to mogą one na raz znajdować się w dwóch stanach. Co to znaczy? Oznacza to, że dopóki nie zaczniemy ,,podglądać” tych elektronów, to nie będziemy wiedzieć, co one dokładnie robią i musimy założyć, że robią dwie rzeczy na raz.

Szybka analogia, którą z pewnością zrozumie męska część czytelników. Wyobraź sobie, że idziesz do toalety w szkole, gdzie znajduje się trzy pisuary.

Widać, że to fejk, bo ten kibel jest zbyt czysty jak na szkolne warunki.

I teraz tak – wiesz, że ktoś już jest w kiblu i korzysta z tej pięknej części toalety. Ty jeszcze nie wszedłeś do toalety, więc nie wiesz, z którego pisuaru korzysta ta osoba. O co nam tutaj w ogóle chodzi?

To, który pisuar będzie zajęty determinuje (określa), z którego pisuaru Ty skorzystasz.

Paulo Coelho

Przeanalizujmy wszystkie możliwości. Wprowadzimy tylko jedną regułę – dwie osoby nie mogą korzystać z pisuarów, które są obok siebie, tylko jeden pisuar pomiędzy nimi musi pozostać pusty.

Zasady korzystania z pisuarów.

Kiedy idziesz do łazienki, to można powiedzieć, że sprawa jest nierozstrzygnięta. Można by powiedzieć, że jednocześnie jest jeden wolny pisuar oraz brak wolnych pisuarów − zależnie od tego, który jest zajęty przez kolegę, który już jest w środku.

Co ciekawe, kiedy już to sprawdzimy − przeprowadzimy eksperyment (zajrzymy do łazienki) to od razu dowiemy się, którą sytuację spotkaliśmy, w końcu może być tylko jeden wolny pisuar lub brak wolnych pisuarów, nie ma po prostu innej opcji.

To co tak naprawdę teraz ogarnęliśmy, to myślowy eksperyment, który jest nazywany ,,kotem Schrodingera[1]„.

Chodzi tutaj o to, że jeśli badamy naturę elektronu chcąc uchwycić jego zachowanie zarówno jako fala, jak i cząstka, to tak jakbyśmy już wchodzili do toalety. Nie jesteśmy w stanie jednocześnie dokładnie określić prędkości oraz położenia elektronu. To być może znasz jako tak zwaną zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

Prędkość elektronu jest powiązana z jego falową naturą, natomiast jego masa jest powiązana z jego naturą cząstki. Cząstki mają dokładnie sprecyzowaną lokalizację, a fale nie.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga niszczy trochę głowę, ale tak naprawdę rozwiązuje ona zagadkę. Gdyby nie ta zasada, to zostalibyśmy z zagwozdką – jakim cudem coś może być jednocześnie falą i cząstką? To trochę tak jakby mówić, że coś jest jednocześnie kółkiem i kwadratem – sprzeczność.

Jeśli by się nad tym zastanowić, Heisenberg rozpykał ten problem, wprowadzając tak zwaną komplementarność (,,wzajemne uzupełnianie się”). Elektron zachowuje się jak cząstka lub fala, ale nigdy jak oba na raz.

3. Podwójna natura materii oraz energii

Ajajaj, zrobimy coś bardzo nieprzyjemnego i troszkę pogmeramy w fizyce. Kojarzysz na pewno coś takiego jak prawa Newtona, hm ?

Zgodnie z fizyką klasyczną, trajektoria cząstki (czyli droga, po której się ona porusza) jest zależna od jej prędkości, położenia oraz sił, które na nie oddziaływają. Przykładowo, jeśli rzucimy piłką tenisową, to jesteśmy w stanie ocenić, gdzie ona spadnie jeśli będziemy obserwować jej trajektorię. Zresztą na tym polega gra w tenisa, bo żeby odbić piłkę, musimy przewidzieć, gdzie ona wyląduje.

Jeśli znalibyśmy tylko prędkość piłki lub tylko jej położenie, to niestety niewiele nam to mówi i nie będziemy w stanie ocenić, gdzie piłka wyląduje. Więc w mechanice klasycznej (fizyce klasycznej) zarówno położenie jak i prędkość są niezbędne, aby poznać trajektorię cząstki.

Inaczej moglibyśmy też powiedzieć, że prawa dynamiki Newtona są deterministyczne (aj, ładne słówko !), co oznacza, że teraźniejszość określa przyszłość. To znaczy, że możemy właśnie np. określić gdzie wyląduje piłka. Jeszcze inaczej − jeśli rzucimy dwa razy taką samą piłką, z taką samą siłą, w dokładnie takich samych warunkach, to ona wyląduje w dokładnie tym samym miejscu.

W przypadku elektronów to nie jest prawda! Właśnie przed chwilą, na podstawie zasady nieoznaczoności Heisenberga widzieliśmy, że nie możemy znać zarówno prędkości jak i położenia elektronu, więc nie jesteśmy w stanie ocenić, gdzie on się znajduje. W mechanice kwantowej, trajektoria jest zastępowana przez taki jakby diagram prawdopodobieństwa. Jest to mapa, która pokazuje punkty, w których mamy szanse na znalezienie elektronu.

Różnica pomiędzy fizyką klasyczną, a fizyką kwantową.

Jak zrozumieć taką mapę/rozkład prawdopodobieństwa ? Dobrze by było wrócić do tenisa, ale ciężko mi znaleźć tutaj zadowalającą analogię, więc przenieśmy się do baseballa. Jego reguły są dość skomplikowane, ale my skupimy się na tym jednym elemencie, który każdy kojarzy − jakiś gościu (miotacz) rzuca piłką w drugiego, a ten tą piłkę odbija (pałkarz).

W fizyce klasycznej jest tak, że pałkarz patrzy na piłkę, ocenia jej szybkość i położenie i może odpowiednio ustawić się ze swoim kijem, aby w tą piłkę trafić. W fizyce kwantowej jest to niemożliwe, bo elektron (piłka baseballowa) za każdym razem lądowałaby w innym miejscu, mimo że zostałaby rzucona w ten sam sposób.

Takie zachowanie nazywamy nieokreślonością, a inaczej mówiąc, tutaj nie ma tego determinizmu, który był w prawie Newtona : teraźniejszość nie determinuje przyszłości ! Jeśli gralibyśmy w baseball w świecie kwantowym, to jedyne co mógłby zrobić pałkarz to ogarnąć mapę prawdopodobieństwa. Jak to zrobić ?

Musiałby on nagrać kilkaset takich rzutów piłką (elektronem) i za każdym jednym razem nanosić punkt, który by oznaczał miejsce, gdzie ta piłka wylądowała. Wtedy dostałby właśnie mapę (rozkład) prawdopodobieństwa.

Żółte kropki oznaczają właśnie miejsce, w których wylądował elektron. Możemy zatem zakreślić pewien obszar, w którym na 90% znajdziemy elektron (piłkę). Właśnie poznaliśmy definicję orbitalu.

Orbital i elektron z trochę innej perspektywy.

[1] O kocie Schrodingera polecam przeczytać na starej, dobrej Wikipedii. W skrócie tylko powiem, że bestialsko zamykamy kota w pudełku i wprowadzamy truciznę. Teraz do o momentu przeprowadzenia pomiaru, tzn. stwierdzenia, co dzieje się z kotem, jego stan jest fundamentalnie nieokreślony – kot jest jednocześnie żywy i martwy. Dopiero pomiar rozstrzygnie jego losy. Tak samo jak nasz pomiar (sprawdzenie czy ktoś jest w łazience) pozwoli nam określić ile pisuarów jest wolnych.

Leave a Reply

%d bloggers like this: