Вътре в атома
Не можем нито да видим атом, нито да го разделим, без да го трансформираме в нещо друго, но въпреки това можем да разберем неговата структура. Както обясних в Глава 1, учените, когато не могат да видят нещо директно, измислят модел на случващото се и след това го тестват. Научният модел е начин да си представим как биха могли да бъдат нещата. По този начин моделът на атома е нещо като въображаема картина, която предава неговата структура. Един научен модел може да изглежда като чиста фантазия, но не е толкова просто. Учените не само създават модел, но и го тестват. Те разсъждават по следния начин: "Ако моят въображаем модел е правилен, то в реалния свят всичко ще бъде така и така!" Те прогнозират резултатите от определени експерименти и правят изчисления. Успешен модел ще бъде този, за който всички прогнози са се сбъднали, особено ако са били потвърдени в резултат на експеримента. И ако е така, ние вярваме, че моделът е верен, поне отчасти.
Понякога прогнозите не се сбъдват и тогава учените коригират модела или измислят нов ипровери отново. По един или друг начин процесът на предлагане на модел и тестването му, който наричаме научен метод, помага да се разбере истината много по-добре от всеки, дори най-красивият и фантастичен мит, измислен, за да обясни това, което хората не разбират, а понякога просто не могат да разберат.
Един ранен модел на атоми се нарича "пудинг със стафиди". Изобретен е от великия английски физик Джоузеф Джон Томсън в края на 19 век. Няма да описвам този модел, защото той беше заменен от по-успешния модел на Ръдърфорд - този, който раздели атома. Той идва от Нова Зеландия в Англия, за да работи като ученик на Томсън и по-късно го наследява като професор по физика в университета в Кеймбридж. Моделът на Ръдърфорд, който по-късно отстъпи място на този на неговия ученик, известния датски физик Нилс Бор, разглежда атома като малка, намалена версия на слънчевата система. В центъра е ядрото, по-голямата част от атома. И около него в орбити летят малки частици - електрони (по-добре е да не ги сравняваме с орбита, електроните не са планети, въртящи се около Слънцето, и не могат да бъдат описани като кръгли неща с определено положение в пространството).
В модела на Ръдърфорд-Бор, който най-вероятно е правилен, има интересна подробност: разстоянието между ядрата е огромно в сравнение с размера на самите ядра - дори в такъв твърд материал като диамант. Ядрата са много широко разделени в пространството. Точно към този въпрос обещах да се върна.
Спомняте ли си, когато казах, че диамантът е гигантска молекула, съставена от въглеродни атоми, подредени като парад, но в три измерения? Сега нека допълним нашия модел, като уточним как корелират разстоянията в него. Представете си ядрото на всеки въглероден атом не като войник, а като футболна топка, заобиколена от електрони в орбитали. След това съседните "футболни топки" вдиамант ще бъде на не по-малко от 15 километра от него.
Тези 15 километра между футболните топки са пълни с електрони в орбитали. Но ако се придържаме към нашата скала за размери, електронът ще бъде по-малък от комара, а "комарите" от своя страна ще бъдат на няколко километра от "футболните топки". Изненадващо е истина - легендарният твърд диамант е почти изцяло съставен от празнота!
Същото може да се каже и за камъните, независимо от тяхната твърдост. За желязото и оловото. Относно трайното дърво. За теб и за мен. Казах, че твърдите тела са направени от подредени атоми, но те са подредени по странен начин, защото атомите са предимно празни. Ядрата на атомите са толкова отдалечени едно от друго, че ако ги сравним с футболни топки, тогава всяка двойка ще бъде разделена на 15 километра с няколко комара.
Как е възможно? Ако камъкът е предимно празен, където материята е като футболни топки, разпръснати на мили една от друга, тогава защо е труден на допир? Защо не се разпада като къща от карти при най-малкия полъх на вятъра? Защо не е прозрачен? Ако и аз, и стената сме почти празни, защо не мога да мина през нея?
Представете си, че сте в обикновена стая на обикновена сграда и се взирате в стена. Мислите си: стената е направена от бетон, бетонът е направен от атоми, а те са предимно празни. И съм съставен предимно от празнота.
Така че защо не мога да мина през стената? Може би опитайте? И вие опитайте. Това е мястото, където удряте стената с носа си. Защо?
Не можем да преминем през твърдо тяло, но някои много малки частици, като фотони, могат. Светлинният лъч е поток от фотони и те преминават през "прозрачни" твърди тела. Нещо в структурата на "футболните топки", които съставляват стъкло, вода илинякои скъпоценни камъни, позволява на фотоните да преминават между тях, въпреки че се движат по-бавно, точно като вас, когато се опитвате да ходите до колене във вода.
Камъните са предимно непрозрачни (има изключения, като кварца) и фотоните не могат да преминат през тях. Вместо това, в зависимост от цвета на камъка, те се абсорбират или отразяват от повърхността му. Някои твърди обекти отразяват фотоните по особен начин – по права линия и ние ги наричаме огледала. Но повечето твърди тела ги абсорбират (защото твърдите тела са непрозрачни) и разпръскват тези, които отразяват (за разлика от огледалото). Виждаме такива обекти като непрозрачни, освен това те имат определен цвят, в зависимост от това кои фотони се отразяват от тях и кои се абсорбират от тях. Ще се върна към толкова важна тема като цвета в глава 7 - "Какво е дъгата?". Междувременно трябва да насочим вниманието си към най-малките неща и да погледнем вътре в сърцевината – тоест „футболната топка“.