Wprowadzenie do Struktualnego Modelu Atomu

Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 142 (2/2022)
Tytuł oryginalny: „An Introduction to the Structured Atom Model”, Nexus (wydanie angielskie), vol. 29, nr 1

Edo Kaal, James Sorensen, Andreas Otte, Jan Emming

Wprowadzenie

Strukturalny Model Atomu (Structured Atom Model; w skrócie SAM) jest koncepcyjnym modelem jądra atomowego opartym na intuicyjnym założeniu, że jądro powinno posiadać własności strukturalne. Jest to próba zastosowania rozważań „normalnej fizyki” do jądra atomowego w celu zrozumienia fizyki na poziomie szczegółowym bez konieczności opanowania trudnej matematyki lub mechaniki kwantowej.

Standardowa fizyka stroni od jakiejkolwiek formy stałej struktury jądra ze względu na ograniczenia narzucone przez mechanikę kwantową, w szczególności zasadę nieoznaczoności Heisenberga, która zakłada, że nukleony w jądrze poruszają się ze znacznymi prędkościami w bardzo ograniczonej objętości.

W swojej książce Models of the Atomic Nucleus (Modele jądra atomowego) Norman Cook omawia dylemat, jaki stawia fizyka kwantowa, w następujący sposób:

Biorąc pod uwagę, że istnieje stosunkowo duża liczba nukleonów upakowanych w stosunkowo niewielkiej objętości jądra, kolejne pytanie dotyczy relacji przestrzennych nukleonów względem siebie w obrębie jądra i tu zaczynają się nasze kłopoty. Po prostu, aby odpowiedzieć na pytanie, czy jądro jest (i) rozproszonym gazem nukleonów w szybkim, chaotycznym ruchu względem siebie, czy (ii) gęstą cieczą nukleonów o wolniejszym ruchu, ale oddziałujących z bliskimi sąsiadami, czy też (iii) ciałem stałym nukleonów zajmujących określone pozycje względem siebie, należy rozważyć cztery główne hipotezy. Są to: (i) model fazy gazowej (skorupowych lub niezależnych cząstek), (ii) model fazy ciekłej (ciekło-kropelkowy lub kolektywny), (iii) modele cząsteczkowe, półstałe (cząstki alfa lub klastry) oraz (iv) kilka modeli sieciowych fazy stałej. Wkroczyliśmy teraz w sferę problemów, paradoksów i wielu modeli, które czynią fizykę jądrową trudną koncepcyjnie. (s. 20)

SAM omija te kwestie, zaprzeczając prawdziwości kopenhaskiej interpretacji zasady nieoznaczoności Heisenberga dla jądra, i zakłada sztywną strukturę, w której nukleony pozostają na swoim miejscu, oddziałując jedynie elektrostatycznie i elektromagnetycznie.

Ważnym aspektem SAM jest ponowne wprowadzenie elektronu, czyli ładunku ujemnego, do jądra. Dokonujemy tego, postulując, że neutron nie jest niezależną cząstką, lecz parą proton-elektron, jak zakładano przed „odkryciem” neutronu w roku 1932. Być może najsilniejszym dowodem na poparcie tego poglądu jest to, że swobodny neutron rozpada się na proton i elektron z czasem połowicznego zaniku wynoszącym około 15 minut. Podkreślając rolę elektronu w jądrze, domyślamy się, że podstawowa siła utrzymująca jądro razem jest natury elektrostatycznej i elektromagnetycznej.

Jednym z głównych spostrzeżeń uzyskanych z SAM jest to, że wewnętrzna struktura jądrowa dyktuje kształt zewnętrznej konfiguracji elektronowej, to jest zewnętrznych orbitali elektronowych w mechanice kwantowej, a zatem właściwości chemiczne pierwiastków, takie jak walencyjność chemiczna. Oczywiste jest, że właściwości te odzwierciedlają specyficzną konfigurację protonowo-elektronową jądra. Dlatego też zdolność SAM do wizualizacji jądra może dostarczyć strukturalnych wskazówek na temat zewnętrznej konfiguracji elektronowej, a zwłaszcza kątów wiązania pomiędzy sąsiadującymi atomami. To potencjalnie otwiera perspektywy dla nowej serii materiałów, które mogą być stosowane do zastąpienia drogich lub niebezpiecznych związków.

Narracja Modelu Standardowego dotycząca powstawania pierwiastków w gwiazdach i kosmosie jest kwestionowana przez SAM. Uświadomienie sobie, że transmutacje pierwiastków zachodzą w stosunkowo łagodnych środowiskach, sugeruje, że ten obraz nukleosyntezy może być błędny, a przynajmniej zbyt ograniczający. Alternatywną możliwością sugerowaną przez SAM jest to, że pierwiastki cięższe od żelaza, takie jak złoto i srebro, powstają głównie in situ na planetach poprzez transmutację innych jąder. Miałoby to miejsce w intensywnych wyładowaniach elektrycznych, do jakich może dochodzić w wulkanach.

Dla większości ludzi chemia jest skomplikowana, ale z dotychczasowych reakcji wnioskujemy, że wizualizacja, którą zapewnia SAM, może wnieść więcej przejrzystości do tego przedmiotu i pomóc w nauczaniu chemii. Poprzez rozszerzenie SAM ze sfery jądra do sfery zewnętrznych elektronów, a więc do całego atomu i dalej do molekuł, przewidujemy możliwość uczynienia chemii bardziej przystępną, nawet dla bardzo młodych uczniów.

Podczas rozwoju SAM zidentyfikowaliśmy geometryczne konfiguracje wszystkich pierwiastków z Układu Okresowego (Periodic Table; w skrócie PTE), w tym wielu ich izotopów. Umożliwiło nam to stworzenie nowego układu okresowego, który pokazuje konfigurację strukturalną dla każdego pierwiastka (patrz ryc. 26). Te ewoluujące wzorce strukturalne napędzają różne obserwowalne zjawiska fizyki jądrowej, w tym możliwe reakcje jądrowe, takie jak rozpad beta, skłonność do rozszczepiania oraz prawdopodobne odmiany izotopowe lub brakujące pierwiastki, które mogą istnieć.

Zastępowanie neutronu parą proton-elektron

Podstawowym założeniem dla SAM jest to, że wewnątrz jądra nie ma rozróżnienia pomiędzy protonami i neutronami – neutron jest postrzegany jako para proton-elektron (proton-electron pair; w skrócie PEP). PEP w połączeniu z protonem tworzy podstawowy budulec jądra w SAM, deuteron (ryc. 1).

Ryc. 1. Dwa protony trzymane razem przez elektron, co eliminuje neutron jako niezależną jednostkę. Elektron ten nazywany jest „elektronem wewnętrznym” w odróżnieniu od zewnętrznych elektronów w atomowych „orbitalach”.

To ponowne wprowadzenie elektronu do jądra objawia się jako „sferyczne zagęszczenie”, które jest znanym pojęciem określającym tendencję materii do zlepiania się w możliwie jak najmniejsze kulki.

Ta zasada gęstego upakowania, w połączeniu z eliminacją neutronu jako niezależnego bytu wewnątrz jądra, pozwala nam szczegółowo określić kształt jądra każdego pierwiastka w układzie okresowym, łącznie z jego izotopami. Stwierdziliśmy, że pewne kombinacje protonów i wewnętrznych elektronów pojawiają się wielokrotnie w całym PTE: natura używa ich jako większych elementów budulcowych do składania pierwiastków. W ten sposób pojawiają się stopniowo coraz większe struktury, co prowadzi do kształtu dwudziestościanu foremnego – jednej z brył platońskich – który natura zdaje się preferować.

Prosta zasada gęstego upakowania sferycznego działa aż do węgla, który ma strukturę dwudziestościanu.