Aatomid, aatomituum

Mikromaailmas me räägime aatomimudelist, aga ka tuumamudelist. Miks me üldse ütleme aatomimudel? Miks räägime mudelitest? Meie tavamõistes on mudel ju midagi järeletehtut, midagi ebatäiuslikku, „mitte päris”!

Aatomimaailma objektid pole meeltega otseselt tajutavad oma väiksuse tõttu. Aatomi mõõtmeteni jõudmiseks peame oma käepärast pikkusühikut meetrit kümme korda järjest kümneks jaotama. Füüsikud uurivad aatomit ja selle osi peene aparatuuri ja teravmeelselt korraldatud katsete varal. Ometi ei suuda ükski aparaat eraldi võttes anda meile aatomist niisugust ettekujutust, nagu meile annavad meie meeled näiteks … õunast! Kõik meie teadmised aatomitest ja teistest mikromaailma objektidest on kaudsed ja täienevad iga uue katsega. Just sellepärast me räägimegi mudelitest.

Aatomite ja aatomituuma uurimise kohta on üks tuumafüüsik toonud toreda kujundliku võrdluse, mis peaks üsna hästi selgitama mudelite olemust ja paratamatust. Aatomit ja aatomituuma uurivad füüsikud sarnanevad pimedatega, kes kombivad elevanti, et teada saada, „kuidas see välja näeb”.

Oletame, et nad pole päris sündinud pimedad või siis on juba pimedana omandanud teatud ettekujutuse mõnedest asjadest, mis neile ette on sattunud. Elevanti aga pole keegi neist enne näinud ega kohanud. Üks pime on saanud kätte elevandi saba ja ütleb, et elevant sarnaneb … köiega! Teine pime katsub lonti ja ütleb, et elevant sarnaneb maoga. Kolmas kombib elevandi jalga ja leiab, et elevant on midagi puu taolist. Neljandal on õnnestunud ronida elevandi selga ja ta hüüab sealt, et elevant on ju mägi!

Niisamuti on ka füüsikud aatomit ja eriti selle tuuma uurides tulnud üsnagi lahkuminevatele järeldustele. Aatomi- ja tuumafüüsika tõeliseks saavutuseks on aga olnud nende erinevate katsetulemuste ja järelduste koondamine ühte kooskõlalisse süsteemi. See on siis midagi sellesarnast, kui needsamad pimedad istuksid maha ja arutleksid omavahel, milline see elevant siis ikka välja näeb! Mida rohkem nad elevanti on kompinud, seda parem ettekujutus neil sellest tekib. Ja veel ilmneb siit üks huvitav asi – tundmatut uurides tuleb inimesel paratamatult kasutada juba tuntud tõdesid ja ettekujutusi. Pimedatel pidi ju olema eelnevalt teada, mis on „köis”, „madu”, „puu”, „mägi” jne. Pilt tundmatust luuakse juba tuntu najal.

Aja jooksul kujuneb tundmatust tuntu, mida saab edaspidi kasutada juba uute tundmatute nähtuste kirjeldamiseks. Iga vähegi oluline uus avastus lisab üldpilti uue detaili, sunnib varasemat täpsustama, vahel isegi midagi ümber tegema. Sellise suhtelisuse ja tinglikkuse rõhutamiseks räägitaksegi mudelitest. Mudel on lähend tegelikkusele. Mudelitega on üldiselt nii, et mingi objekti või nähtuse esimene mudel võib osutuda täiesti kõlbmatuks. Näitena võiks tuua esimese aatomimudeli, mille esitas elektroni avastaja J. J. Thomson 19. ja 20. sajandi vahetuse paiku. Selles mudelis kujutati aatomit positiivselt laetud kerana, millesse olid pikitud elektronid „nagu rosinad pudingisse”. Thomsoni aatomimudel andis küll ettekujutuse aatomi ehitusest, kuid ei suutnud seletada paljusid füüsikanähtusi. Järgnevad katsed näitasidki, et selline mudel ei vasta tegelikkusele ja tuleb asendada uuema, adekvaatsema mudeliga. Kuidas muutus meie ettekujutus aatomist, sellest räägimegi. Kõigepealt alustame elektroni avastamisest.

Inglise füüsik J. J. Thomson avastas katoodkiiri uurides elektroni. Katoodkiirte uurimine oli tol ajal populaarne valdkond, sest tegemist oli omapärase füüsikanähtusega ja seetõttu tegelesid sellega paljud füüsikud. Kui õhust tühjaks pumbatud klaaskolbi viia kaks elektroodi ja rakendada nende vahele pinge (katoodile negatiivne ja anoodile positiivne), tekib klaaskolvis kiirgus, mida hakati nimetama katoodkiirguseks. Kiirgus lähtub negatiivselt elektroodilt ehk katoodilt, tekitades mitmesuguseid füüsikalisi efekte, nagu näiteks katoodi vastas oleva seina helendumist. Katoodkiiri uurisid füüsikud alates 19. sajandi seitsme­kümnenda­test aastatest, kuid alles J. J. Thomsonil õnnestus 1897. aastal tõestada, et katoodkiirte näol on meil tegemist negatiivselt laetud osakeste vooga. Neid osakesi hakati nimetama elektronideks.

Kuna elektronid peavad kuuluma aine koosseisu, pakkus esimese aatomimudeli aastal 1901 välja elektroni avastaja J. J. Thomson ise. Analüüsides aatomi mõõtmeid, lähtudes aine tihedusest ja molaarmassist, võib öelda, et aatomi läbimõõt on suurusjärgus 1 Å (10^–10 m). Lihtsaima, vesiniku aatomi, milles on ainult üks elektron, läbimõõduks võimegi lugeda 10^–10 m. Kuna aatomid on elektriliselt neutraalsed ja aatomi koosseisu peavad kuuluma elektronid, oletas Thomson, et me võime aatomit vaadelda positiivselt laetud kerana, mille sees paiknevad negatiivse laenguga elektronid (vt joonis). Nii oleks vesiniku aatom positiivset elementaar­laengut kandev kera, läbimõõduga umbes 10^–10 m, mille sees asub üks elektron. Piltlikult öeldes sarnaneks Thomsoni aatom rosinapudingiga või rosinakukliga, milles elektronide osa etendavad rosinad.

Vaatamata pealtnäha näilisele lihtsusele, seletas Thomsoni mudel omamoodi ka mõningaid füüsikanähtusi, nagu näiteks seda, miks erineva lainepikkusega valgus murdub erinevalt. Mudel näitas ka seda, kuidas selline aatom peaks kiirgama, kuid see spektrite tekkimisele kahjuks rahuldavat seletust ei andnud.

Nagu juba varem mainitud, on füüsika katseline teadus ja selle poolt kirjeldatavad seaduspärasused peavad olema katsega kooskõlas. Selgus, et Thomsoni mudel ei vasta paljuski tegelikkusele ega ole katsega kooskõlas.

Esimene enam-vähem tõepärane ettekujutus aatomi ehitusest tekkis möödunud sajandi algusaastatel, kui Inglise füüsik, Nobeli preemia laureaat Ernest Rutherford (loe: razõföd) uuris oma laboris radioaktiivsel lagunemisel tekkivate alfaosakeste hajumist ainest läbiminekul.

Kitsas alfaosakeste voog juhiti õhukesele kullast lehekesele ja registreeriti nende kõrvalekaldumine esialgsest liikumissuunast. Selleks ümbritseti katseseade fosforestseeruva ekraaniga, millele sattudes tekitas alfaosake silmaga nähtava sähvatuse. Katse andis tulemuseks, et suurem osa alfaosakestest läbis kullast lehekese otse või kaldus veidi oma esialgsest suunast kõrvale, kuid leidus ka osakesi, mis kaldusid oma esialgsest suunast oluliselt kõrvale, ja ka neid, mis põrkusid kullast lehekeselt tagasi (vt joonis).

Alfaosakeste hajumine aatomis. Ainult need alfaosakesed, mis mööduvad tuumast väga lähedalt või põrkuvad sellega otse, kalduvad kõrvale suurte nurkade all.

See, et leidus ka tagasipõrkuvaid alfaosakesi, oli sedavõrd üllatav ja ootamatu, et Rutherford võrdles tulemust sellega, kui õhukese paberilehe tulistamisel kahurist põrkuks kuul paberilehelt tagasi.

Miks siis katse tulemus oli üllatav? Üllatav seetõttu, et tulemus ei olnud kooskõlas tol ajal tuntud Thomsoni mudeliga. Thomsoni mudeli kohaselt on aine aatomis jaotunud enam-vähem ühtlaselt ja seetõttu peaksid suure massi ja energiaga alfaosakesed kullast lehe läbima praktiliselt otse, suurte nurkade all hajuvaid ja tagasipõrkuvaid osakesi ei tohiks üldse olla. Siit ka järeldus: Thomsoni mudel ei ole katsega kooskõlas, aatomi siseehitus peab olema teistsugune.

Selleks et põhjendada tagasipõrkuvate alfaosakeste tekkimist, tuli oletada, et aatomi keskel paikneb suure massiga positiivset laengut kandev osake – aatomituum. Katsetulemustega kooskõla saamiseks pidi oletama, et aatomituuma on koondunud praktiliselt kogu aatomi mass ja et tuuma läbimõõt on üliväike, umbes 1 fm = 10^–15 m. Seega on tuuma läbimõõt umbes 100 000 korda väiksem kui aatomi läbimõõt. Võrdluseks: kui aatomi läbimõõt oleks sama suur kui korvpallil (24 cm), siis oleks sellise aatomi tuuma läbimõõt ainult 2,4 μm (2,4 mikromeetrit)! Katse näitas, et tuum kannab positiivset elektrilaengut, sest hajumispilt näitas positiivse laenguga alfaosakeste tõukumist.

Katsete tulemusena tekkis uus aatomimudel, Rutherfordi aatomimudel, mille kohaselt aatom koosneb positiivset elektrilaengut kandvast tuumast ja selle ümber liikuvatest elektronidest. Et aatom tervikuna on elektriliselt neutraalne, peab ümber tuuma liikuma nii palju elektrone, et nende kogulaeng tasakaalustaks tuuma positiivse laengu. Kuna katse ei öelnud midagi elektronide liikumise kohta, siis oletas Rutherford, et elektronid tiirlevad tuuma ümber nagu planeedid ümber Päikese. Seetõttu nimetatakse Rutherfordi mudelit tihti ka planetaarseks aatomimudeliks.

Rutherfordi „planetaarne” aatomimudel

Toome siinkohal ühe arvulise näite. Kui meil oleks näiteks vesiniku aatom, milles on üks elektron ja tuumaks on prooton (mida võib nimetada ka vesiniku iooniks), siis kannab prooton positiivset elementaarlaengut (e = 1,6 · 10^–19 C), elektron aga sama suurt negatiivset elementaarlaengut. Elektroni mass on m_e = 9,1 · 10^–31 kg, prootoni mass aga m_p = 1,67 · 10^–27 kg. Kui võrrelda prootoni ja elektroni massi, siis m_p = 1837 m_e, mis tähendab, et vesinikuaatomi mass on praktiliselt võrdne tema tuuma (prootoni) massiga. Raskemate aatomite korral on massierinevus elektronide kogumassi ja tuuma massi vahel veelgi suurem, mistõttu elektronide kogumass aatomis on tuuma massiga võrreldes tühine. Juba heeliumi korral, mille aatomis on kaks elektroni, on tuuma mass võrdne umbes nelja prootoni massiga, uraani aatomis on küll 92 elektroni, kuid tuuma mass võrdub umbes 238 prootoni massiga.

Füüsika areng eelmise sajandi kahekümnendatel aastatel näitas, et ka Rutherfordi aatomimudel ei vasta tegelikkusele ja kvantmehaanika tekkimisega tekkis uus ette­kujutus ka aatomist ehk nüüdisaegne aatomimudel. Aatom koosneb küll endiselt tuumast ja elektronidest (see järeldus katsetest!), kuid elektronide liikumine aatomis on teistsugune. Selgus, et mikroosakesed on teistsuguste omadustega ja käituvad seetõttu ka oluliselt teistmoodi kui meie makromaailma objektid. Nii näiteks on kõikidel mikroosakestel, sealhulgas ka aatomitel ja molekulidel, samaaegselt ka lainelised omadused. Nii on ka elektroniga, ta on samaaegselt nii osake oma massi ja elektrilaenguga kui ka laine. Elektronlained on juba ammu kasutusel elektronmikroskoopides, kus suurenduse saamiseks kasutatakse valguslaine asemel elektronlainet. Seetõttu ei saa me mikromaailmas rääkida elektroni liikumisest mingeid kindlaid orbiite mööda.

Nüüdisaegse aatomimudeli kohaselt koosneb aatom endiselt positiivse laenguga tuumast ja seda ümbritsetavatest elektronidest, kuid elektronide liikumine aatomis on sedavõrd keeruline, et nad moodustavad tuuma ümber, sõltuvalt elektroni olekust, teatava kuju ja tihedusega elektronpilve. Nii kujutaks vesiniku aatom (vt joonis) tavaolekus endast sfäärilise kujuga elektronpilve ja selle keskel olevat tuuma (prootonit).

​Piltlikult öeldes on elektroni laeng tänapäevase ettekujutuse kohaselt aatomi tuuma ümber „laiali määritud”. Elektronpilve kuju võib olla üsna erinev, mõned vesiniku aatomi elektronolekutele vastavad elektronpilve kujud on toodud joonisel.

Seega, rääkides elektroni olekust aatomis, me mõistame selle all kindla kuju ja tihedusega elektronpilve. Sellisele olekule vastab kindel elektroni koguenergia.

Keerukamate aatomite korral, kus elektrone on rohkem, paigutuvad elektronid elektronkihtidesse, mis samuti moodustavad erineva tihedusega pilvekujulise struktuuri.

Thomsoni aatomimudel andis küll seletuse spektrite tekkimisele, kuid see ei võimaldanud ära seletada tegelike aatomispektrite keerukat struktuuri. Thomsoni aatomis peaks elektronid võnkuma edasi-tagasi oma tasakaaluasendi ümber ja seejuures kiirgama. See põhjendus oli küll füüsikaliselt mõistlik, kuid sellisel viisil tekkivad spektrid erinevad oluliselt tegelikest.

Esimese mõistliku seletuse spektrite tekkimisele andis 1913. aastal tuntud Taani füüsik, Nobeli preemia laureaat Niels Bohr. Osutus, et lahendus on jälle seotud energiaga. Me teame, et energiakaalutlused aitavad meid paljudel juhtudel hädast välja, sest energia on üks olulistest füüsikalistest suurustest, pealegi kehtib paljudel juhtudel energia jäävuse seadus.

Spektrite seletamiseks tõi Bohr sisse kaks oletust (neid nimetatakse vahel ka Bohri postulaatideks), mis seisnesid järgmises:

1. Elektronid on aatomis teatava kindla energiaga olekutes ehk kindlatel energianivoodel (energiatasemetel). Kui me vaataks vesiniku aatomit, siis seal saaks elektron olla näiteks olekutes energiaga E₁, E₂, E₃ jne. Kõige madalama energiaga olekut nimetatakse elektroni põhiolekuks, ülejäänuid aga elektroni ergastatud olekuteks. Nii vastaks igale peatüki alguses toodud vesiniku elektron­pilve kujule kindel, teistest erinev energia. Nendes olekutes elektron ei kiirga.
2. Elektroni üleminekul ühelt energianivoolt teisele aatom kiirgab või neelab elektromagnetkiirgust, sealhulgas ka valgust. Tekkinud spektrijoone (kindla lainepikkusega kiirguse) lainepikkus on pöördvõrdeline nivoode energiate vahega. Üleminekul kõrgema energiaga nivoolt madalama energiaga nivoole aatom kiirgab, vastupidisel üleminekul aga neelab sama lainepikkusega kiirgust (vt joonis).

Põhiolekus ehk kõige madalama energiatasemega olekus elektron ei kiirga, olles aga mõnes kõrgema energiaga olekus ehk ergastatud olekus, elektron kiirgab, minnes kas väiksema energiaga ergastatud olekusse või põhiolekusse. Kvantteooriast selgub, et ergastatud olekud on kõik lühiajalised ja teatud aja möödudes läheb elektron energiat ära andes (kiirates) põhiolekusse.

Kui algul baseerus Bohri teooria ainult oletustel, kuid võimaldas ära seletada paljusid kiirgusnähtusi, siis eelmise sajandi kahekümnendate aastate keskel tekkinud kvantmehaanika kinnitas, et Bohri oletused kindla energiaga olekutest aatomis on tõepoolest õiged. Kvantmehaanika võimaldas arvutada elektronide olekuid aatomis, kindlaks määrata keerukamate aatomite ehituse ja nende elektronkihtide struktuuri ning paigutuse. Viimane andis seletuse elementide perioodilisuse tabelile ja põhjendas seose keemiliste elementide keemiliste omaduste kui ka optiliste omaduste vahel.

Varem oli meil juttu mikromaailma eripäradest. Mainime siin veel ühte, üliolulist eripära, nimelt füüsikaliste suuruste diskreetsust. Paljud füüsikalised suurused mikromaailmas ei muutu pidevalt, vaid hüppeliselt, omades ainult kindlaid, diskreetseid väärtusi. Üheks näiteks on energia. Kui meie tavamaailmas on energia pidev suurus ja võib omada mistahes väärtusi, siis mikromaailmas on energia diskreetne. Nagu eespool öeldud, saab elektroni energia vesinikuaatomis omada ainult kindlaid etteantud väärtusi, kõik muud energiaväärtused aga pole lubatud.