Jak si lépe představit atomy

Děkuji Googlu, který sponzoruje část videa, za podporu malých podniků a zaměstnanosti. Více k tomu na konci. Orbitaly atomů mě už dlouho frustrují. Na jednu stranu můžete malovat jednoduché kresby, které jsou přátelské, ale tak rozličné a vágní, že toho neřeknou o moc víc, než že mají atomy jádro a nějaké elektrony. Někdo může ty kresby udělat trochu náhodnější, kvantovější, což je lepší, ale pořád to jsou jen kresby, které zastupují vágní představu atomu.



Na druhé straně se orbitaly zobrazují jako mlhavá mračna nebo balónky a duhové donuty. To je sice technicky přesnější, více inspirované realitou, ale nepředává to tu představu, co přesně se tam odehrává. Co mají ty hrudky společného s obíhajícími elektrony? Je elektron uvnitř?



Nebo na povrchu? Proč jsou někde hrudky a někde donuty? A proč jsou některé donuty duhové? Chci vědět, jak vypadá atom. A chci, aby ten obraz ukazoval reálné vlastnosti atomů. Ty přece jen reálné jsou. Podobně jako je schéma sluneční soustavy karikatura, nerespektuje měřítko, ale zároveň ukazuje skutečnou informaci, že planety obíhají zhruba v jedné rovině a že některé jsou dále, jiné blíž.



A když přidáte animaci, je vidět, že bližší planety obíhají rychleji. Je to hezký obrázek. To bych chtěl u atomu taky. Hezký obrázek. Chci, aby ukazoval několik věcí. Některé jsou důležité fyzikálně, jiné odpovídají na všetečné dotazy mého mozku. Třeba: Kde je elektron? Jak rychle se pohybuje?



Kolik má energie? Jak velký je ten obrázek v porovnání s jinými? Samozřejmě dualita částice a vlnění znamená, že například pozice elektronu se těžko převádí z běžného chápání na úroveň atomu. Ale tuto dualitu můžeme ilustrovat následovně: Vlnová funkce je voda a částice je smítko v té vodě. Částice se pohybuje podle toho, kam teče voda.



A pohyb vody určují rovnice pro chování vody za daných okolností. Když aplikujete ty rovnice na atomové orbitaly a zobrazíte to ve 3D, bude výsledkem tohle. Není to nádhera? Tady je další. A další. A ještě jeden. Vyrobil jsem jich docela hodně.



A všechny jsou okouzlující a nádherné. Není základní stav atomu vodíku roztomilý? A excitované stavy naopak velkolepé? Má to tolik struktury a detailů. Je to úžasné. V orbitalech jsou vidět vzorce a je vidět, že to jsou vážně orbitaly. Něco v nich obíhá. Rád bych zdůraznil, že ty tečky nereprezentují jednotlivé elektrony.



Všechny dohromady představují vlnovou funkci elektronu a jednotlivé tečky představují místa, kde může být. Vyšší hustota teček znamená vyšší pravděpodobnost výskytu elektronu. Větší orbitaly mají vyšší energii, protože elektrony s vyšší energií jsou pravděpodobně dále od jádra. Pohyb teček ukazuje tok vlnové funkce a do určité míry odpovídá skutečnému momentu hybnosti, ale nejde o dráhu elektronu.



Ovšem pokud si myslíte, že platí Bohmovy teorie, pak to je dráha atomu. Tu otázku přenechám filozofům fyziky. Každopádně tyto vizualizace reprezentují skutečné vlnové funkce způsobem, který náš mozek chápe. Ukazují předměty, světlo, stíny a pohyb v 3D prostoru. Něco tam skutečně obíhá. A navíc je to hezké. Snad se vám také líbí. A ještě jedna věc.



Chápu, že tohle se špatně kreslí. Pokud chcete jednoduchou kresbu, která se zakládá na atomové fyzice, mám pro vás návrh. Například orbitaly atomů z bloku p. V jednom obíhá elektron jedním směrem, ve druhém naopak a ve třetím obíhá elektron po svislé dráze, ale nevíme kterým směrem. V prostředním orbitalu proto tečky stojí a tady je tečkovaná čára a otazník. Do každého orbitalu můžete přidat elektron nebo dva, každý s jiným spinem.



Tuto zjednodušenou vizualizaci atomu kanál MinutePhysics schvaluje. Ale mé srdce patří těm krásným 3D modelům. Překlad: jesterka www.videacesky.cz