Hva er et atom?

Figur 1: Nærbilde av gull. Prikkene er atomer som ligger i et pent gitter. Illustrasjon: Erwin Rossen, Technical University Eindhoven.

Gi et nytt og fint stykke hvitt tavlekritt til en elev. Hva er det første eleven vil gjøre med det? Brekke det i to, så klart. Ta så en av disse to, mindre bitene, og gi til en ny elev. For denne eleven ser biten ut som et nytt og fint stykke hvitt tavlekritt, og også denne biten vil derfor bli brukket i to. Gi en av disse bitene til en tredje elev, og det hele gjentar seg. Anta nå at du har et uendelig antall elever. Kan du drive med denne leken helt til timen er slutt? Hele dagen? Eller kommer du og klassen til slutt til et punkt hvor krittbiten bare ikke lar seg dele mer? Hvis det tar slutt, hvordan vil den siste biten se ut?

Lærebøkene forteller oss at vi etter hvert blir sittende igjen med et atom. Faktisk er det slik at hvis krittet ditt opprinnelig er 10 cm langt, er det den 30. eleven som ender opp med et atom, så det passer jo bra som eksperiment for en vanlig norsk skoleklasse. Men hva er det denne eleven da holder i hånden? Ordet atom kommer fra det greske atomos som betyr udelelig, – er det naturens minste, udelelige byggesteiner vi da har funnet? Eller vil en 31. elev kunne finne noe enda mindre?

La oss først slå fast at atomer finnes. Da Albert Einstein i 1905 brukte atomer til å forklare brownske bevegelser, oppdaget av Robert Brown i 1827, gjorde han dette uten noensinne å ha sett et atom. Vi er derimot heldigere, vi kan bruke et elektronmikroskop til å ta bilde av et gitter av atomer. Se på figur 1, – dette er et nærbilde av en skive gull, laget ved å “lyse” på den med elektroner. Der ligger gullatomene i pene rekker, uten tegn til å være satt sammen av noe, og vi kan vel kanskje tilgis for å tro at vi her har funnet naturens minste byggesteiner? Vi kan til og med måle hvor store de er – atomer er omtrent 0,0000000001 meter (0,1 nanometer) i diameter.

Men samtidig har vi gjort nytte av noe briten J. J. Thompson oppdaget i 1897, – en liten partikkel som kalles et elektron. Elektronene er mye mindre enn selve atomene og ser ut til å kunne komme ut av atomene under rette forhold. Naturen inneholder
altså mer enn bare atomer, – hvor passer elektroner inn i dette verdensbildet? Tidlig på 1900-tallet ble det også oppdaget flere små partikler, – protoner, nøytroner og til og med et positivt ladet elektron. Dessuten fant forskerne ut at det måtte være en liten, men kjempetung kjerne i midten av hvert atom. Så hvordan ser atomet egentlig ut?

La oss pause litt her. Dersom noen forteller deg at de vet det fulle svaret på dette, så tar de feil. Ingen har til dags dato klart å se inn i et atom, og ingen vet hvordan ting virkelig henger sammen der inne. Men ved å gjøre mange og grundige eksperimenter på atomer, har vi likevel laget oss modeller av hvordan atomet kan henge sammen. En modell er vår gjetning om hva atomet «er».

Den modellen som har blitt stående lengst og som er avbildet i omtrent alle skolebøker på rett nivå, er Bohrs atommodell. Den blir ofte tegnet som på figur 2. I midten av hvert atom ligger en bitteliten atomkjerne, som er laget av protoner og nøytroner.

Figur 2: Bohrs atommodell, med en kjerne i midten og et elektron i bane rundt kjernen. Illustrasjon: wikipedia.org

Rundt denne, i pene planetbaner slik at det hele blir seende ut som et lite solsystem, svirrer elektronene. Denne modellen er god til å forklare utfallet av eksperimenter. For eksempel kan den forklare hvorfor en gass av hydrogenatomer lyser med bare noen helt spesielle farger. Disse fargene tilsvarer at et elektron hopper fra en “planetbane” til en annen, som vist på figuren, og da må det på grunn av energibevaring avgis en liten bit av energi – et foton – som er like stort hver gang. Dette fotonet er ikke noe annet enn det vi til vanlig kaller lys, og at alle fotonene har samme energi betyr bare at de har samme farge.

Dessverre er dette pene, pedagogiske bildet ingen god modell, verken for elektronene vi akkurat har sett på eller for kjernen i midten av atomet. Vi har i dag gjort så mange eksperimenter på atomer at vi har kunnet lage oss en enda mer sofistikert modell av hvordan de henger sammen.

Det overordnede bildet er fortsatt det samme. Kjernen, en klump på ca. 0,0000000000001 meter (10 femtometer) i diameter, ligger i midten og inneholder 99 % av all massen i atomet. Elektronene svirrer fortsatt rundt kjernen, men ikke i pene, runde planetbaner. Vi kan faktisk ikke si noe som helst om hvor hvert enkelt elektron befinner seg. Det eneste vi vet, er hvor sannsynlig det er å finne det på et gitt sted til en gitt tid. Disse sannsynlighetsfordelingene er det vi i dag kaller orbitaler, og du kan se en illustrasjon av noen av dem på figur 3. Hydrogen, det letteste grunnstoffet, har ett proton i kjernen og ett elektron rundt. Hvis vi leter etter dette ene elektronet, vil vi mest sannsynligvis finne det i et område som ser ut som orbitalen merket 1s på figuren. Litium, som har tre elektroner, vil – i gjennomsnitt – ha to elektroner i 1s-fordelingen, og ett i 2s-fordelingen. Slik fortsetter det, og formen på orbitalene blir etter hvert mer og mer spesiell. Men forskjellen på dagens forståelse av orbitalene og den mest vanlige måten å tegne Bohrs atommodell på, er rett nok ikke veldig store. Det viktigste poenget er at orbitalene ikke er baner, men sannsynlighetsfordelinger. Hvis vår 30. elev, som står der med ett enkelt atom i hånden, kunne studert dette grundig, ville hun derfor sett en ganske tåkete dott av elektroner og lite annet.

Hva så med atomkjernen? Her har utviklingen vært mye større siden Bohr laget sin modell tidlig på 1900-tallet. Det eneste forskerne da visste, var at kjernen var veldig liten og tett, og at den inneholdt en del elektrisk ladning. Men innen midten av 1930-tallet hadde de oppdaget to partikler – protoner og nøytroner – som passet som bestanddeler i atomkjernen. Protonet hadde elektrisk ladning på +1, som nøyaktig balanserte elektronets ladning på -1, mens nøytronet var elektrisk nøytralt. Samtidig
var protonene og nøytronene like tunge, men 2000 ganger tyngre enn elektronet. Kjernen ble forstått som en klump av protoner og nøytroner, sammen kalt nukleoner, på en slik måte at hydrogen, det letteste grunnstoffet, hadde ett proton i kjernen,
helium hadde to, litium tre og så videre. I tillegg måtte kjernene ha et visst antall nøytroner for at det skulle stemme med vekten man kunne måle. Forskere laget også en “skallmodell” (eller “orbitalmodell”) for kjernen, der nukleonene beveger seg i
orbitaler rundt hverandre på samme måte som elektronene gjør rundt kjernen. Denne atommodellen er ganske enkel: alt er satt sammen av protoner, nøytroner og elektroner, som riktig nok beveger seg på litt uforutsigbare måter.

Men etter hvert oppdaget forskerne problemer med forståelsen av nukleonene. De så ikke ut til å være elementære, men oppførte seg som om de hadde mindre bestanddeler. Murray Gell-Mann og George Zweig foreslo i 1964 en teori som ble
kalt kvark-modellen. De antok at nukleonene er satt sammen av mindre partikler – kvarker – slik det er illustrert på figur 4. To opp-kvarker og en ned-kvark utgjør et proton, mens en opp og to ned blir et nøytron. Samtidig innså de at atomkjernen er
satt sammen av mange partikler med positiv elektrisk ladning (og noen nøytrale), og siden like ladninger frastøter hverandre burde kjernen derfor ikke kunne henge sammen. Den eneste løsningen er at det må være nok en naturkraft der inne som holder nukleonene sammen, og denne kraften fikk etter hvert navnet den sterke kjernekraften. Denne kraften antas i atommodellen vår å bæres av en partikkel som kalles gluonet, og dermed har vi en ny, helhetlig modell for kjernen. Protoner og nøytroner er blitt til kvarker og gluoner.

Til å begynne med ser det kanskje ut som om vi bare har erstattet noen partikler med noen andre og gjort verden mer vanskelig for oss selv. Men da kvarkmodellen ble laget, hadde man ikke bare funnet protoner og nøytroner, men også en hel skolegård full av forskjellige andre partikler. Mange av disse lot seg også forklare som byggverk av kvarker og gluoner, og dermed gjorde kvarkmodellen egentlig beskrivelsen vår av naturen mye enklere.

Men det stopper ikke der. Akkurat som elektronene rundt kjernen ikke går i enkle planetbaner, oppfører partiklene i kjernen seg også litt komplisert. Kvarkene beveger seg på samme måte inne i nukleonene, og vi kan aldri si med sikkerhet hvor vi vil finne en kvark hvis vi ser etter. Dessuten har vi oppdaget at det er riktigere å si at et nukleon i gjennomsnitt inneholder tre kvarker. Ser vi nøyere etter, finner vi ut at naturen er slik at det stadig dukker opp par av kvarker og antikvarker inne i kjernen, som lever en kort stund og så forsvinner igjen. Dette, som på fagspråket kalles vakuumfluktuasjoner, gjør atomkjernen til et ganske rotete sted. Derfor forenkler vi som regel modellen og ser bare på de tre gjennomsnittskvarkene, eller bare på nukleonene, alt ettersom hva som passer. Det er bare når vi skal gjøre veldig spesielle eksperimenter på atomkjerner – slik som de som skal foregå på CERN i Sveits fra og med sommeren 2008 – at vi trenger å ta hensyn til resten av «kjernerotet».

Dermed er vi framme ved det litt merkelige atomet, slik vi i dag mener at det henger sammen. Den forenklete modellen er at kjernen består av oppkvarker og nedkvarker, bundet sammen av gluoner, tre og tre sammen, til protoner og nøytroner. Protonene og nøytronene utgjør igjen en atomkjerne, og rundt denne igjen svirrer det elektroner. Ser vi litt nøyere etter, ser vi at elektronene faktisk svirrer i litt uforutsigbare baner, og at atomkjernen oppfører seg som en sky av mange, mange kvarker og gluoner, men for de fleste praktiske formål trenger vi ikke å ta hensyn til dette.

Figur 5: Det moderne atom. En tåkedott av elektroner, rundt en ganske rar kjerne. Illustrasjon: wikipedia.org

Er dette bildet, illustrert på figur 5, endelig det den siste krittbrekkende eleven ville ha sett – hvis hun virkelig kunne ha studert den lille biten hun ble sittende igjen med? Kanskje. Det jeg har presentert her er den modellen vi i dag har av et atom, om lag hundre år etter at det ble oppdaget. Hvordan atommodellen vår ser ut om enda hundre år er ikke godt å si, men i hovedtrekk vil den nok være som i dag. Det vi alltid må være åpne for, er at det kan komme nye opplysninger, nye ideer, som gjør at vi
må endre litt på modellene våre, og dermed bli i stand til å forstå ting enda bedre. Få steder er dette tydeligere illustrert enn i den historiske utviklingen av forståelsen av atomet – og det er jo nettopp muligheten for slike utviklinger som gjør studiet av
naturen så spennende.