TEMA BROJA

M. Rajković

Vodonik / hemija i analitika

Vodonik u kvantnoj teoriji

Vodonik je odigrao ključnu ulogu u razvoju kvantne teorije, dvadesetih godina prošlog veka. Jedan od razloga zašto je baš vodoniku pripala ta krupna uloga je njegova jednostavnost. Vodonik je jednostavne strukture, najjednostavnije (1 proton i 1elektron), svi ostali elementi se sastoje iz više protona i više elektrona. Ako imamo samo dve čestice, postoje realne šanse da se sve elgantno opiše matematički i nađe analitičko rešenje. U okviru kvantne mehanike, Šredingerova jednačina (Erwin Schrödinger, 1887-1961) je praktično ekvivalent drugog Njutnovog zakona, jednačina dinamike za kvantnomehaničke sisteme. Šredingerovu jednačinu možemo da postavimo za vodonikov atom i kao njeno rešenje dobijemo opis celog stanja vodonikovog atoma.

-Šredingerova jednačina nam kaže kako izgleda evolucija i kako izgledaju stanja elektrona u atomu vodonika, objašnjava dr Marko Vojinović, teorijski fizičar sa Instituta za fiziku u Beogradu. Za atom svakog hemijskog elementa možemo da postavimo Šredingerovu jednačinu, da formulišemo kako ona glasi - ali da pronađemo njeno rešenje je mnogo komplikovanije. Rešenje ne može da se pronađe za proizvoljne atome, međutim, za vodonikov atom je to moguće. Možemo da pronađemo rešenje i imamo vrlo dobar matematički opis stanja vodonikovog atoma. To je omogućilo da teorijski predvidimo sve njegove hemijske osobine. Pojam kovalentne veze u hemiji naučnici su prvi put mogli da razumeju kada su posmatrali molekul vodonika rešavanjem Šredingerove jednačine. Hemičari su imali uvid u to, ali su oni to znali eksperimentalno, nije im bilo jasno kakav je to proces, kada se javlja kovalentna a kada jonska veza. Koristeći rešenje Šredingerove jednačine za atom vodonika taj problem je konačno rešen.

Dve kvantne osobine

U slučaju vodonikovog molekula  je karakteristično da su dva vodonikova atoma spojena pomoću kovalentne veze. To omogućava da izračunamo funkciju stanja, tzv. talasnu funkciju i vidimo sve njene osobine. Matematički opis nam daje uvid u sve osobine kovalentne veze. Ne postoji način da se nekim svakodnevnim jezikom objasni kako nastaje kovalentna veza, ali ako dovoljno znamo matematiku i možemo da rešimo Šredingerovu jednačinu, možemo da vidimo sve osobine dobijenog rešenja. 
Bio je to jedan od važnijih koraka u razvoju kvantne mehanike. To je bilo i nešto što je bilo moguće eksperimentalno proveriti i uporediti sa onim što govori kvantna mehanika kao teorija. Među prvim testovima u kvantnoj mehanici bili su testovi sa atomima vodonika.

Druga osobina vodonika značajna za istorijat kvantne teorije je njegov linijski spektar. Vodonik, kao i svi drugi hemijski elementi, ima tzv. diskretan spektar, apsorpcioni i emisioni. Apsorpcioni spektar je skup talasnih dužina svetlosti (elektromagnetnog zračenja), koje atom vodonika hoće da apsorbuje, a emisioni spekatar je skup onih talasnih dužina svetlosti koje atom vodonika hoće da emituje. Drugim rečima, svetlost interaguje sa atomom vodonika, koji hoće ili da je upije ili da je izrači. Ali ne svetlost bilo koje talasne dužine, već samo neke diskretne svetlosti, u čemu se atom vodonika pokazuje kao vrlo probirljiv. 
Svaki hemijski element ima različiti spektar, što je veoma važno za spektroskopiju. Možemo teleskopom da gledamo bilo koje nebesko telo i uradimo spektralnu analizu, da posmatramo svetlost koja stiže iz tog objekta i da je razbijemo po talasnim dužinama. Na osnovu toga kojih talasnih dužina ima više ili manje, možemo da ustanovimo hemijski sastav tela koje posmatramo, ali i neka druga njegova svojstva. Jer svaki hemijski element ima svoj karakteristični potpis u dobijenom spektru. Za vodonikov atom je karakteristično da taj spektar može da se izračuna analitički pomoću Šredingerove jednačine i na taj način predvidi koje talasne dužine svetlosti hoće da emituje ili apsorbuje.
To je bila jedna od velikih potvrda kvantne mehanike. S jedne strane, zato što je kvantna mehanika, na osnovu modela atoma vodonika, prvi put dala ozbiljan opis strukture atoma, kako jedan atom uopšte izgleda i kako atomi mogu da se održe u stabilnim stanjima, a s druge strane, koje osobine mogu da imaju. Pre kvantne mehanike naučnici su eksperimentalno videli strukturu atoma rasejavanjem alfa cestica na atomima zlata. Raderford je prvi video da se atom sastoji od jednog pozitivno naelektrisanog jezgra i oko njega negativnog oblaka elektrona, koji je uslovno rečeno veoma velik u odnosu na jezgro. Obično se taj odnos slikovito predstavlja sa jezgrom veličine glave čiode, a elektronski oblak veličinom fudbalskog igrališta. Ako na centru igrališta umesto lopte zamislimo čiodu, svi protoni i neutroni su skupljeni u telo čiode, a svi elektroni rasuti po čitavom terenu.
Kada je E. Raderford (Ernest Rutherford, 1871-1937) eksperimentalno otkrio strukturu atoma, postavilo se pitanje kako je moguće da atomi imaju takvu strukturu. Utvrđenu strukturu trebalo je teorijski objasniti. Prvi model na koji su naučnici pomislili bio je tzv. planetarni model atoma, u kome je elektron jedna a proton druga kuglica oko koje se elektron vrti kao planete oko Sunca. S tim modelom je postojao problem, elektron je naelektrisan i vrti se oko jezgra, a Maksvelova teorija elektrodinamike predviđa da on treba da emituje elektromagnetne talase. 
U standardnoj teoriji električnih kola, postoji tzv. LC kolo, koje je zapravo oscilator koji emituje elektromagnetne talase na isti način na koji i elektron koji se vrti oko jezgra atoma. Ako se elektromagnetni talasi emituju na taj način, oni odnesu energiju iz vodonikovog atoma i elektron treba da izgubi energiju i padne na jezgro. Vreme koje je potrebno da elektron vodonika izgubi energiju i padne na jezgro je veoma kratko, deseti deo milisekunde, treba da padne odmah. To se, međutim, ne događa, što je vidljivo iz različitih eksperimenata. Elektroni koji se nalaze u oblaku oko jezgra atoma su stabilni i ne emituju nikakvo zračenje. 

Velika zagonetka 

Bila je to velika zagonetka u fizici koju naučnici nisu mogli da objasne. U traganju za objašnjenjem bilo je nekih međukoraka, kao što je Borov fenomenološki model (Niels Bohr, 1885-1962, ali kvantna mehanika i Šredingerova jednačina su prva stvar koja je dala dobru teorijsku osnovu zašto atomi izgledaju kako izgledaju i imaju osobine kakve imaju. Dala je odgovore na niz pitanja: kako elektron može da se nalazi u oblaku oko jezgra a da ne padne u jezgro i pri tom ne emituje nikakvo elektromagnetno zračenje? Ili, ukoliko emituje ili aposorbuje elektromagnetno zračenje, onda taj oblak elektrona menja svoje osobine, i samo u probirljivim frekvencama? Koje su to frekvence, zašto se to događa?
U tom kontekstu, baš zbog toga što postoji analitičko rešenje Šredingerove jednačine, atomi vodonika su odigrali kritičnu ulogu. Na atomima vodonika se sve to vidi, za atome drugih elemenata postoji slično rešenje, samo složenije jer jezgra atoma imaju više protona i elektrona. Utoliko je za te strukture atoma komplikovanije traganje za matematičkim rešenjem.
Da bi objasnili osobine  atoma svih hemijskih elementa, kao konkretno atoma vodonika, naučnici su morali da razviju pravila kvantne mehanike kao teorije.  To nije bio jedini razlog da se razvije kvantna mehanika, ali jeste bio dominantan, da se opiše atom vodonika. Pravila kvantne mehanike su veoma čudna, razlikuju se od zakonitosti klasične fizike. Zakonitosti kvantne fizike veoma dobro fukcionišu, što potvrđuju eksperimenti, ali fizičari imaju problem da razviju intuiciju da bi razumeli kako sve to funkcioniše. Naučna intuicija je veoma dobro adaptirana na Njutnovu teoriju, ali kvantna mehanika je veoma čudna na ovom polju. 

Profesor Vojinović kaže da takva njena priroda odražava zapravo njenu ekskluzivnost, njenu isključivost. Kvantna mehanika ne dozvoljava da kombinujemo na kozistentan način njene zakonitosti sa zakonitostima klasične mehanike. “To je ili - ili. Drugim rečima, priroda je ili klasična skroz, ili kvantna skroz. Eksperimenti govore da kvantna mehanika važi, a klasična ne. Naravno, na nivou vodonikovih atoma i drugih elementarnih sistema, na kojima možemo da proverimo da ona važi. Kad znamo da ona važi na jednostavnim fizičkim sistemima i lako proverljivim, njena isključivost implicira da ona ima univerzalno važenje. U čitavoj prirodi, u svim interakcijama. Sva materija, pa i tamna materija, mora da zadovoljava zakonitosti kvantne mehanike. To je vrlo čudno. To je  i dovelo je do traganja za alternativnim teorijama gravitacije, pa i teorije kvantne gravitacije. Sva druga polja su uspešno kvantovana, sem sile gravitacije.” -Suština je u isključivosti kvantne mehanike. Činjenica da ja u eksperimentu vidim da vodonikov atom zadovoljava zakonitosti kvantne fizike, tera me da se bavim problemom kvantne gravitacije - kaže dr Marko Vojinović, jedan od naših vodećih fizičara na ovom polju, zaključujući: - Ako je vodonikov atom kvantan, onda je i sva materija kvantna, pa i tzv. tamna materija i tamna energija.

M. Rajković

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"