MAGAZIN ZA NAUKU, ISTRAŽIVANJA I OTKRIĆA
Planeta Br. 105 | VODONIK, gorivo budućnosti
»  MENI 
 Home
 Redakcija
 Linkovi
 Kontakt
 
» BROJ 105
Planeta Br 105
Godina XIX
Maj-Jun 2022.
»  IZBOR IZ BROJEVA
Br. 107
Sept. 2022g
Br. 108
Nov. 2022g
Br. 105
Maj. 2022g
Br. 106
Jul. 2022g
Br. 103
Jan. 2022g
Br. 104
Mart 2022g
Br. 101
Jul 2021g
Br. 102
Okt. 2021g
Br. 99
Jan. 2021g
Br. 100
April 2021g
Br. 97
Avgust 2020g
Br. 98
Nov. 2020g
Br. 95
Mart 2020g
Br. 96
Maj 2020g
Br. 93
Nov. 2019g
Br. 94
Jan. 2020g
Br. 91
Jul 2019g
Br. 92
Sep. 2019g
Br. 89
Mart 2019g
Br. 90
Maj 2019g
Br. 87
Nov. 2018g
Br. 88
Jan. 2019g
Br. 85
Jul 2018g
Br. 86
Sep. 2018g
Br. 83
Mart 2018g
Br. 84
Maj 2018g
Br. 81
Nov. 2017g
Br. 82
Jan. 2018g
Br. 79
Jul. 2017g
Br. 80
Sep. 2017g
Br. 77
Mart. 2017g
Br. 78
Maj. 2017g
Br. 75
Septembar. 2016g
Br. 76
Januar. 2017g
Br. 73
April. 2016g
Br. 74
Jul. 2016g
Br. 71
Nov. 2015g
Br. 72
Feb. 2016g
Br. 69
Jul 2015g
Br. 70
Sept. 2015g
Br. 67
Januar 2015g
Br. 68
April. 2015g
Br. 65
Sept. 2014g
Br. 66
Nov. 2014g
Br. 63
Maj. 2014g
Br. 64
Jul. 2014g
Br. 61
Jan. 2014g
Br. 62
Mart. 2014g
Br. 59
Sept. 2013g
Br. 60
Nov. 2013g
Br. 57
Maj. 2013g
Br. 58
Juli. 2013g
Br. 55
Jan. 2013g
Br. 56
Mart. 2013g
Br. 53
Sept. 2012g
Br. 54
Nov. 2012g
Br. 51
Maj 2012g
Br. 52
Juli 2012g
Br. 49
Jan 2012g
Br. 50
Mart 2012g
Br. 47
Juli 2011g
Br. 48
Oktobar 2011g
Br. 45
Mart 2011g
Br. 46
Maj 2011g
Br. 43
Nov. 2010g
Br. 44
Jan 2011g
Br. 41
Jul 2010g
Br. 42
Sept. 2010g
Br. 39
Mart 2010g
Br. 40
Maj 2010g.
Br. 37
Nov. 2009g.
Br.38
Januar 2010g
Br. 35
Jul.2009g
Br. 36
Sept.2009g
Br. 33
Mart. 2009g.
Br. 34
Maj 2009g.
Br. 31
Nov. 2008g.
Br. 32
Jan 2009g.
Br. 29
Jun 2008g.
Br. 30
Avgust 2008g.
Br. 27
Januar 2008g
Br. 28
Mart 2008g.
Br. 25
Avgust 2007
Br. 26
Nov. 2007
Br. 23
Mart 2007.
Br. 24
Jun 2007
Br. 21
Nov. 2006.
Br. 22
Januar 2007.
Br. 19
Jul 2006.
Br. 20
Sept. 2006.
Br. 17
Mart 2006.
Br. 18
Maj 2006.
Br 15.
Oktobar 2005.
Br. 16
Januar 2006.
Br 13
April 2005g
Br. 14
Jun 2005g
Br. 11
Okt. 2004.
Br. 12
Dec. 2004.
Br 10
Br. 9
Avg 2004.
Br. 10
Sept. 2004.
Br. 7
April 2004.
Br. 8
Jun 2004.
Br. 5
Dec. 2003.
Br. 6
Feb. 2004.
Br. 3
Okt. 2003.
Br. 4
Nov. 2003.
Br. 1
Jun 2003.
Br. 2
Sept. 2003.
» Glavni naslovi

TEMA BROJA

 

M. Rajković

Vodonik / hemija i analitika

Vodonik u kvantnoj teoriji

 

Tema Broja

Ervin Šredinger


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.

Tema Broja

Ernest Raderford

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. 

Tema Broja

Nils Bor

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. 

Tema Broja

Dr Marko Vojinović, teorijski fizičar sa Instituta za fiziku u Beogradu

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"

 

 

 

  back   top
» Pretraži SAJT  

powered by FreeFind

»  Korisno 
Bookmark This Page
E-mail This Page
Printer Versie
Print This Page
Site map

» Pratite nas  
Pratite nas na Facebook-u Pratite nas na Twitter - u Pratite nas na Instagram-u
»  Prijatelji Planete

» UZ 100 BR. „PLANETE”

» 10 GODINA PLANETE

free counters

Flag Counter

6 digitalnih izdanja:
4,58 EUR/540,00 RSD
Uštedite čitajući digitalna izdanja 50%

Samo ovo izdanje:
1,22 EUR/144,00 RSD
Uštedite čitajući digitalno izdanje 20%

www.novinarnica.netfree counters

Čitajte na kompjuteru, tabletu ili mobilnom telefonu

» PRELISTAJTE

NOVINARNICA predlaže
Prelistajte besplatno
primerke

Planeta Br 48


Planeta Br 63


» BROJ 108
Planeta Br 108
Godina XX
Novembar - Decembar 2022.

 

 

Magazin za nauku, kulturu, istraživanja i otkrića
Copyright © 2003-2022 PLANETA