Atomer er hele verdens byggeklodser
BOGUDDRAG: Alting er lavet af atomer. Det er en af de mest fundamentale sandheder i fysikkens univers. Bliv klogere på hele verdens byggesten i dette uddrag fra bogen ’Universel – En guide til kosmos’.
atomer_model_Bohr_atom_universet

3D-model af et oxygen-atom bestående af protoner, neutroner og elektroner. Danske Niels Bohr var med sin atommodel fra 1913 med til at udvikle kvantemekanikken. (Foto: Shutterstock)

 

Hvis al videnskabelig viden skulle blive ødelagt i en altødelæggende katastrofe, og kun én enkelt sætning blive overleveret til de næste generationer af væsener, hvilket udsagn ville da indeholde den største mængde information med færrest ord?

Vi tror, det er atomhypotesen (eller det atomare faktum, eller hvad du end vil kalde det), at 'alle ting er lavet af atomer – små partikler, der bevæger sig omkring i evig bevægelse, og som tiltrækker hinanden, når de er en kort afstand fra hinanden, men som frastøder hinanden, hvis de presses ind i hinanden'.

Universel – En guide til kosmos

Bogen 'Universel – En guide til kosmos' er skrevet af Brian Cox og Jeff Forshaw og for nylig udkommet på dansk hos Gyldendal.

I bogen tager de to britiske partikelfysikere læseren med på en videnskabelig opdagelsesrejse, der bl.a. kommer omkring universets dannelse, vores solsystem og ikke mindst de seneste par hundredes års videnskabelige landvindinger.

Denne artikel er et marginalt redigeret uddrag fra bogen. 

I denne ene sætning er der, som du vil se, en enorm mængde information om verden, hvis man blot tilsætter en smule fantasi og tænkning.

Hvad ved vi om atomer?

Den barnlige enkelhed i spørgsmålet 'Hvad hvis jeg deler denne ting i to halvdele … og igen i to halvdele … og igen …?' står i modsætning til dets spidsfindighed.

Svaret på dette spørgsmål kendes ikke til fulde, og det fører os nedefter til atomernes verden: En verden, hvor bitte små partikler danser rundt efter kvantefysikkens sære regler.

Vi behøver ikke dykke ned i disse regler her. I stedet vil vi gerne skaffe os en brugsklar opfattelse af nogle grundlæggende egenskaber ved 'hverdagsting'.

Lad os starte med en opsummering af, hvad vi ved.

Vi ved, at alt normalt stof – fra Solen over et klippestykke til luften, vi indånder – er opbygget af atomer, og at der er 98 forskellige typer af atomer, som forekommer naturligt på Jorden (mennesker har formået at bygge endnu 20 forskellige typer).

Disse er alle opført i det periodiske system, som er vist i figur 1. Den mest almindeligt forekommende type af atom er brint; over 90 procent af atomerne i Solen er brint (resten er næsten udelukkende helium).

grundstoffer atomer periodisk system

Figur 1: Det periodiske system over grundstofferne. (Figur: Shutterstock)

På Jorden er fordelingen af atomer mere varieret. Havene består hovedsageligt af brint og ilt, mens de mest udbredte atomer i jordskorpen er ilt og silicium. I atmosfæren er det kvælstof og ilt, mens kernen overvejende er lavet af jern.

Vi ved, at hvert atom udgøres af en central kerne, som indeholder næsten hele atomets masse, som er omgivet af en 'sværm' af bitte små elektroner (bitte små i sammenligning med kernen).

Kernen er typisk kun få femtometre i tværsnit (en femtometer er en milliontedel af en milliardtedel af en meter, red.), og elektronerne danser omkring den: Uendeligt små prikker i afstande på få tiendedele af en nanometer i tværsnit.

For at give en idé om, hvad det betyder, hvis vi forstørrede atomet, sådan at kernen var på størrelse med en ært, ville elektronerne være som bitte små sandkorn, der hoppede rundt en kilometer væk.

Med andre ord er et atom næsten udelukkende tomt rum.

Elektronerne laver det hårde arbejde

Men disse bitte små punktlignende elektroner, som danser rundt på stor afstand af kernen, er alt andet end flygtige. For det er deres dansende bevægelse, beskrevet af kvanteteoriens regler, som bestemmer den måde, hvorpå grupper af atomer kommunikerer med hinanden; det er med andre ord elektronerne, som afgør atomernes kemi.

Hvad angår kemien er kernen en inaktiv genstand, og den fungerer kun som en tung kilde til positiv elektrisk ladning, som er ansvarlig for at holde de negativt elektrisk ladede elektroner i en form for kredsløb omkring den.

I det daglige liv er det elektronerne, der gør det hårde arbejde med at forhandle, hvordan atomerne og molekylerne opfører sig, mens kernen sidder inaktivt i atomets hjerte, afskærmet fra elektronaktivitetens malstrøm.

Kernerne er dog langt fra kedelige. At spalte tunge kerner (fission) eller smelte lette kerner sammen kan bruges til at skabe enorme mængder af energi.

Fission er grundlaget for de reaktorer, der bruges verden over i dag, og fusionsreaktorer giver et løfte om at levere en ren og praktisk talt uendelig forsyning af energi. At kigge ind i kernen er også påkrævet af vores naturlige menneskelige nysgerrighed – vi vil gerne vide, hvad de består af.

atomer kvantemekanik jern mikroskop bølger

Figur 2: En ring af 48 jernatomer indfanget på en kobberoverflade. Billederne er taget med et scanning tunnel-mikroskop, og de cirkelformede bølger fanget inden i ‘koralrevet’, svarer til bølger af elektrontæthed. Det viser, hvordan elektroner opfører sig som bølger, hvilket er en egenskab ved kvantemekanikken. (Figur: Forfatterne)

De dele af verden, man ikke kan skære over

Indtil videre ved vi, at kerner består af protoner og neutroner, og at de igen er opbygget af kvarker og gluoner. Hele historien synes at stoppe ved kvarker, gluoner og elektroner, fordi partikelfysikkens standardmodel beskriver disse objekter uden noget behov for yderligere underinddeling.

Med andre ord giver det muligvis ikke nogen mening at spørge 'Hvad sker der, hvis jeg hakker en elektron midt over?' eller 'Hvad er en elektron lavet af?'

At følgen af 'Hvad sker der, hvis jeg skærer denne ting midt over' til sidst slutter, er noget, som er rimeligt i kvantefysikken, ikke mindst fordi jo mere vi forsøger at stedfæste meget, meget små objekter, jo mere undviger de.

Så mens kvantefysikken ikke udelukker muligheden af, at partikler som elektroner og kvarker består af mindre dele, kræver den det heller ikke.

Alkymistiske alfa-partikler

Kerner er også interessante, fordi de kan udføre alkymistiske tricks. Hermed mener vi, at en type kerne spontant kan forvandle sig til en kerne af en anden type. I alfa-henfald kan kernen udsende en 'alfa-partikel', som faktisk er kernen i et heliumatom.

Visse kerner har en tilbøjelighed til at udsende alfapartikler: Uran og thorium producerer det meste af Jordens helium på denne måde.

Alfa-emitteren plutonium-238 bruges som strømkilde i pacemakere, og americium-241 (som laves i atomreaktorer og er et biprodukt af Manhattan-projektet) bruges i røgalarmer.

Americiummet producerer alfapartikler, der kolliderer med luftmolekyler, hvorved elektroner slås fri og skaber en elektrisk strøm. Strømmen mindskes, hvis røgpartikler får adgang til røgalarmen og forhindrer alfapartiklerne i at ionisere luften, hvilket igen sætter alarmen i gang.

Alfastråling var et komplet mysterium inden kvanteteoriens ankomst – ikke mindst fordi det er den subatomare pendant til at kaste en tennisbold mod en murstensvæg og lejlighedsvis se den passere igennem.

Hermed mener vi, at alfapartiklen formår at undslippe fra kernens indre, selvom den burde være fanget indeni den, ligesom en tennisbold burde være fanget på den ene side af en murstensvæg.

Denne sælsomme effekt kaldes kvantemekanisk tunnelering.

atomer model atomprøve graf

Figur 3: Antallet af atomer i en hypotetisk atomprøve, hvis halveringstid er 30 år. Prikkerne er for en bestemt prøve, mens kurven er den, du ville få, hvis du tog gennemsnittet af mange forskellige prøver. (Figur: Forfatterne)

 

Atomer er uforudsigelige og henfalder tilfældigt

Ekstremt gådefuldt er også det simple faktum, at ingen kan forudsige, præcis hvornår et bestemt atom vil gennemgå et radioaktivt henfald, selvom vi kan sige, hvor lang tid det gennemsnitligt vil tage.

Vi kan for eksempel sige, at der er en 50 procent chance for, at et atom omdannes indenfor en bestemt tidsperiode, kaldet halveringstiden. Dette er illustreret i figur 3, som viser, hvordan antallet af cæsium-137-atomer kan ændre sig over tid.

Cæsium-137 henfalder til barium-137, når en af dets neutroner omdannes til en proton med den samtidige udsendelse af en elektron og en antielektronneutrino. Denne type henfald er kendt som beta-henfald og skyldes den svage kernekraft.

Figur 3 viser, at ud af en hypotetisk prøve indeholdende 1.000 atomer til at begynde med, var der 474 tilbage efter 30 år; 60 år senere var antallet groft regnet halveret igen til 250 atomer, og efter 90 år var antallet af atomer, der var tilbage, 108.

Dette atom har derfor en halveringstid på 30 år. Kurven viser det forventede antal af resterende atomer, baseret på det idealiserede tilfælde, hvor præcis halvdelen af atomerne henfalder på 30 år (det er med andre ord et eksponentielt henfald).

Det radioaktive henfalds tilfældighed er kuriøst. Vi kunne for eksempel forvente, at en nylig dannet kerne ville have en tendens til at holde længere end en ældre.

Men det er ikke tilfældet – en kernes henfald er fuldstændigt tilfældigt og afhænger ikke af, hvordan kernen blev dannet eller dens historie. Vi forstår nu, at denne tilfældighed er en fundamental egenskab ved universet: Det er et grundlæggende træk ved kvantefysikken.

Fotoner med momentum

Ligesom alfa-henfald udnyttes beta-henfald også i hverdagslivet, for eksempel i PET-skannere, hvor antistof udnyttes til at afbilde den menneskelige krop.

Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Fluor-18 er ustabilt og tilbøjeligt til beta-henfald, hvilket betyder, at det har en tendens til at omdannes til ilt-18 med en halveringstid på lige under to timer.

I dette tilfælde involverer processen omdannelsen af en proton indeni fluor-kernen til en neutron med den samtidige udsendelse af en antielektron (også kendt som en positron) og en elektronneutrino.

Positroner er identiske med elektroner med den ene forskel, at de har en positiv elektrisk ladning. Afgørende for PET-skanning udslettes de begge, når en positron støder ind i en elektron under dannelse af to fotoner (lyspartikler).

Fotonerne har meget mere momentum end den oprindelige elektron og positron, og bevæger sig derfor væk fra hinanden i modsat retning. Ved at omgive patienten med en fotondetektor er det muligt at opfange de individuelle fotoner og udlede, hvor i kroppen de blev produceret.

Fluor-18 er specielt brugbar til at kortlægge hjernefunktioner eller lokalisere glukosehungrende kræftceller, fordi den kan optages i glukosemolekyler. Andre positron-emittere kan inkorporeres i en række forskellige molekyler, sådan at man kan danne et billede af forskellige biologisk aktive dele af kroppen.

En smuk demonstration af dagliglivets fysik

Måden, disse radioaktive stoffer, såsom fluor-18, produceres på, er et interessant eksempel på, hvordan forskning i luftkasteller ofte får betydning for vores hverdagsliv.

Helt konkret produceres fluor-18 ved hjælp af partikelacceleratorer på størrelse med et værelse ved at bombardere ilt-18 med protoner, der er blevet accelereret med en spænding på et par millioner volt.

PET-skannere er også et godt eksempel på Einsteins berømte E = mc2 i praksis, fordi massen fra den oprindelige elektron og positron omdannes fuldstændig til fotonernes energi.

Hver eneste foton, der opfanges, har en energi svarende til massen af en elektron ganget med kvadratet på lysets hastighed (511 keV).

Denne energi er stor nok til at garantere, at de to fotoner vil bevæge sig bort fra hinanden i modsat retning. Kombineret med det faktum, at alle PET-fotoner bærer den samme energi, hjælper dette i måleprocessen.

PET-skannere er et smukt eksempel på højst esoterisk fundamental fysik i dagliglivet.

Masser af atommasser

I det periodiske system er atomerne ordnet efter antallet af protoner i deres kerne, hvilket er identisk med antallet af elektroner, der omgiver den: Det kaldes 'atomnummeret'.

Hvert atoms masse er også opgivet i tabellen, i enheder hvor massen af en proton og en neutron er omtrent lig 1.

Alt dette betyder, at vi normalt kan regne ud, hvor mange neutroner der er i et atom. Antallet af neutroner, som gerne skulle være et heltal, skal være omtrent lig med atommassen minus antallet af protoner.

Guld har en atommasse på 196,97 og indeholder 79 protoner; et guldatom må derfor nødvendigvis indeholde 118 neutroner.

Atommasser, der ikke er hele

Der er dog nogle særheder. Kast et blik på klor (atomnummer 17). Det har en atommasse på 35,453, hvilket er halvvejs mellem 35 og 36, så det lader til, at klor skulle indeholde 18,5 neutroner, hvilket ikke giver mening, da der kun kan være et helt antal af neutroner.

Årsagen til denne særhed er, at klor primært findes i to typer: Den ene type indeholder 18 neutroner, og den anden indeholder 20 neutroner. Den lettere variant står for 76 procent af massen i naturligt forekommende klor; den tungere står for de resterende 24 procent.

Massen angivet i det periodiske system er gennemsnittet af de to, dvs. 76 procent × 35 + 24 procent × 37 = 35.5.

Vi har allerede henvist til massetallet, for eksempel at americium-241 er opbygget af i alt 241 protoner og neutroner. Forskellige typer af det samme atom med forskelligt antal af neutroner kaldes isotoper.

Vi siger, at naturligt forekommende klor mestendels består af to isotoper: Klor-35 (ofte skrevet 35Cl) og klor-37 (37Cl). Hvad angår kemien, opfører to isotoper af samme element sig identisk, eftersom kemien udelukkende bekymrer sig om elektronerne.

I modsætning hertil kan forskellige isotopers nukleare egenskaber være meget forskellige: Fluor-18 er en positron-emitter, mens fluor-19 er stabil og derfor ubrugelig i PET-skannere.

Det periodiske system er primært af interesse for kemikere, hvilket er årsagen til, at informationer om isotoperne ikke er gjort eksplicit.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.