Prøv avisen

Fysikkens udelelige gåde

Atomer er små, men atomernes bestanddele er endnu mindre. De mindste er faktisk udelelige, men har stadig en masse, hvilket stadig undrer forskerne, skriver professor i fysik Ulrik Uggerhøj

De fleste læsere vil sikkert nikke genkendende til, at de atomer, som alting består af, er meget små. Men hvor små er de egentlig?

Et lille eksperiment, som man selv kan udføre, kan give en fornemmelse af den rigtige størrelsesorden.

Man tager en lille dråbe olie, gerne hængende fra noget spidst, og anslår dråbens diameter, for eksempel ved at fotografere den op mod en lineal, og så forstørre fotoet, hvorved man kan finde størrelsen. Lad os sige, at dråbens diameter er en halv millimeter. Denne oliedråbe lader man falde på stillestående vand, eventuelt med lidt kværnet peber strøet ud over, og allerhelst i sollys. Derved opstår et rigtig flot farvemønster, den såkaldte irisering, som de fleste vil genkende fra en oliepøl under en bil, der lækker olie.

Nu finder man diameteren af den farvede plet på vandet, enten ved at se på farverne eller på den af olien fortrængte peber. Pletten bliver cirka 250 millimeter i diameter for den nævnte dråbestørrelse. Nu kan man beregne olielagets tykkelse ved at tage den lille diameter ganget med sig selv, og igen ganget med sig selv, dividere to gange med den store diameter, og tage to tredjedele af svaret. Man ender med lidt over en milliontedel af en millimeter.

Men hvad har man så fundet? Jo, det flotte farvemønster skyldes en effekt der hedder interferens: at bølgetoppe og bølgedale, udsendt fra henholdsvis overfladen og undersiden af oliepletten, ned mod vandet, henholdsvis forstærker og dæmper hinanden. Denne effekt afhænger af lysets bølgelængde, altså dets farve.

Forskellige farver af alle de farver, det synlige lys fra Solen består af, bliver derfor udsendt fra forskellige områder af oliepletten. Ser man på sommerfuglen dagpåfugleøje – som man for tiden kan se mange af, specielt nær nedfaldsfrugt – og især dens funklende blå pletter, der ligner øjne på dens vinger, er det igen interferens, der giver anledning til farvespillet. Blandt mange andre eksempler på dette fysiske fænomen kan man nævne farverne på lydsiden af en cd eller farverne i en sæbebobles overflade.

Tykkelsen af oliepletten, som altså endte med at blive cirka en milliontedel af en millimeter, har sin størrelse, fordi molekylerne i olien lægger sig i strenge, opad og ved siden af hinanden, oven på vandet.

Det er derfor den omtrentlige længde af molekylet, man har bestemt. Da oliens molekyler består af en kæde af atomer, lidt under en halv snes alt efter typen af olie, ender man med et resultat for atomernes størrelse på lidt over en tiendedel milliontedel af en millimeter. Så de er små, men alligevel store nok til, at man kan se tydelige effekter, der uden mikroskoper eller andet sofistikeret udstyr afslører deres størrelse.

Navnet ’atom’ kommer fra det græske ord atomos, der betyder udelelig, og en af de første til at bruge en atom-teori var den græske filosof Demokrit (cirka 460-370 f.Kr.).

Vi ved dog nu, at atomerne ikke er udelelige, men at de består af en atomkerne, der er omgivet af elektroner. Eksistensen af atomkernen blev påvist af den britiske fysiker Ernest Rutherford og hans hjælpere omkring 1910.

Laver man en model, hvori atomkernen forstørres til et knappenålshoved på en millimeter, befinder den nærmeste elektron sig på en ”skal” med en diameter på cirka 100 meter, og mellem elektronen og atomkernen er der tomrum.

Atomerne består således af mindst en million milliard gange mere tomrum end af de partikler, de er lavet af. Allerede i begyndelsen af 1930’erne fandt man ud af, at også atomkernen kan deles op i bestanddele, protoner og neutroner, og i midten af 1960’erne fandt man ud af, at også disse kernebestanddele kan yderligere deles. Både en proton og en neutron består således hovedsageligt af tre såkaldte kvarker holdt sammen af de såkaldte gluoner, navngivet efter det engelske ord for lim, glue. Og dér lader rækken af deleligheder til at slutte med noget, der – i hvert fald ser det sådan ud nu – er udeleligt, nemlig kvarkerne.

Målinger viser, at kvarkerne højst har en størrelse på en totusindedel af protonen, og tilsvarende kan man sige om elektronernes maksimale størrelse. Den moderne udgave af det periodiske system for alle naturens elementer udgøres altså af ganske få (faktisk kun fire umiddelbart ”nødvendige”) stof-partikler, der – igen, som det ser ud nu – synes at være punktformede eller i hvert fald ikke har nogen påviselig struktur. Dette til trods har både kvarkerne og elektronerne en elektrisk ladning og en masse, det vil sige, de vejer noget.

I en klassisk tilgang, hvor elektronen kan have opnået sin vægt gennem sin elektriske energi – og ved brug af Einsteins ”energi er en form for masse” – antager man for eksempel, at elektronen er en kugleskal med ladning fordelt derpå, og at den interne frastødning mellem forskellige dele af skallen giver elektronen masse.

Med en sådan model ville man forvente en størrelse, der er omkring 1000 gange større end dens nuværende målte, øvre grænse. Så dette tilfælde er eksperimentelt udelukket.

Det er i bund og grund ret mystisk, at noget, der synes ingen udstrækning at have, både kan have masse og være elektrisk påvirkelig. Men sådan må det vel være for noget, der er udeleligt.