Grundidén
Allt omkring dig – din stol, luften du andas och du själv – är byggt av atomer. En atom har en liten, tät kärna i mitten med protoner och neutroner. Runt kärnan finns ett moln av elektroner som surrar runt på ett suddigt sätt.
Protoner är positivt laddade, elektroner är negativt laddade och neutroner är neutrala. Det är antalet protoner som bestämmer vad det är för ämne. Väte har bara en, guld har 79 och uran har 92 stycken.
Arenan och ärtan
Tänk dig en atom förstorad till en fotbollsarena. Kärnan skulle vara en ärta i mittcirkeln, och elektronerna skulle vara som dammkorn som virvlar runt uppe på läktarna. Allt däremellan är praktiskt taget tomrum. Ändå kan du inte sticka handen genom en vägg – det beror på att elektronernas laddning stöter bort varandra innan atomerna någonsin riktigt 'rör vid' varandra.
Men protoner och neutroner är inte de minsta bitarna som finns. De är byggda av ännu mindre saker som kallas . Elektroner däremot verkar vara helt egna och går inte att dela upp mer, så vitt vi vet idag.
Hur fungerar det egentligen?
Fysiker använder en karta som kallas Standardmodellen för att hålla koll på alla smådelar. Det finns två huvudgrupper: och leptoner. Elektronen är den mest kända leptonen.
1. Kvarkar bygger protoner och neutroner
En proton består av två uppkvarkar och en nerkvark, en neutron av en uppkvark och två nerkvarkar. De hålls ihop av gluoner, kraftbärarna för den starka kraften.
2. Protoner och neutroner bygger kärnan
Den starka kraften är så pass stark att den övervinner den elektriska repulsionen mellan de positivt laddade protonerna, och håller kärnan samman mot alla odds.
3. Elektroner binds av den elektriska kraften
Negativa elektroner dras till den positiva kärnan och bildar atomens 'moln'. Hur de är fördelade i skal bestämmer grundämnets kemiska egenskaper.
4. Higgsfältet ger partiklar massa
Ett osynligt fält som genomsyrar hela universum, Higgsfältet, gör att vissa partiklar (som och elektroner) 'känner motstånd' när de rör sig – det tolkar vi som massa. , som inte växelverkar med fältet, är masslösa.
Det finns fyra krafter som styr allt: gravitation, el och magnetism, samt två krafter som bara verkar inuti atomen. Standardmodellen förklarar tre av dem jättebra, men gravitationen passar fortfarande inte in i bilden.
Prova själv
Bygg en atom
Lägg till protoner, neutroner och elektroner och se vilket grundämne, vilken laddning och vilken du skapar.
Standardmodellens partiklar i korthet
| Partikel | Typ | Laddning | Ungefärlig massa |
|---|---|---|---|
| Uppkvark | +2/3 | 2,2 MeV/c² | |
| Nerkvark | −1/3 | 4,7 MeV/c² | |
| Elektron | Lepton | −1 | 0,511 MeV/c² |
| Lepton | 0 | < 0,000001 MeV/c² | |
| Kraftbärare | 0 | 0 (masslös) | |
| Higgsboson | Fält-kvantum | 0 | 125 000 MeV/c² |
Krafterna som håller ihop atomen
Den elektriska kraften gör att laddade bitar dras till varandra. Det här beskrivs av Coulombs lag. Den visar hur starkt en proton och en elektron håller ihop beroende på hur nära de är.
Coulombs lag
Vad betyder symbolerna?
- Kraften mellan de två laddningarna, i newton (N)
- Coulombs konstant, cirka 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
- De två laddningarnas storlek, i coulomb (C)
- Avståndet mellan laddningarna, i meter
Räkneexempel
Hur stor är den elektriska attraktionen mellan en proton och en elektron i en väteatom, där avståndet är ungefär 5,3 × 10⁻¹¹ m (Bohrradien)?
Kraften är cirka 82 nanonewton – försvinnande liten i vardagstermer, men enorm i förhållande till en elektrons massa. Det är precis denna kraft som håller elektronen i omloppsbana kring kärnan.
Hur vet vi det?
Tanken på atomer är jättegammal, men det tog lång tid innan vi kunde bevisa att de fanns. Först för ungefär hundra år sedan började vi förstå hur de faktiskt ser ut inuti.
1897
J.J. Thomson upptäcker elektronen
Genom experiment med katodstrålar visar Thomson att atomer innehåller ännu mindre, negativt laddade partiklar – atomen är alltså inte odelbar.
1911
Rutherfords guldfolie-experiment
Ernest Rutherford låter alfapartiklar skjutas mot tunn guldfolie. De flesta går rakt igenom, men några studsar tillbaka nästan rakt mot källan – ett tecken på att atomen har en liten, tät, positivt laddad kärna.
1932
Chadwick upptäcker neutronen
James Chadwick visar att kärnan även innehåller neutrala partiklar, vilket förklarar varför olika av samma grundämne har olika massa.
1964
Higgsmekanismen föreslås
Peter Higgs och flera andra fysiker föreslår oberoende av varandra ett fält som ger partiklar massa – en nyckelpusselbit som saknades i standardmodellen.
2012
Higgsbosonen upptäcks vid CERN
Med hjälp av Large Hadron Collider, världens kraftfullaste partikelaccelerator, bekräftar ATLAS- och CMS-experimenten Higgsbosonens existens efter att ha analyserat biljarder kollisioner.
Rutherford gjorde ett berömt prov där han sköt små partiklar mot en tunn guldplåt. Han trodde att de flesta skulle gå rakt igenom, men några studsade rakt bakåt. Han blev jätteförvånad!
Han jämförde det med att skjuta en stor kanonkula mot ett silkespapper och se kulan studsa tillbaka. Det här visade att nästan all tyngd i atomen sitter i en pytteliten kärna i mitten.
Jakten på Higgspartikeln
Vid CERN finns en 27 kilometer lång tunnel där forskare krockar protoner i extremt hög fart. Det här gör man för att skapa nya partiklar och förstå hur universum funkar.
År 2012 hittade man äntligen den kända Higgsbosonen. Det här gav Peter Higgs Nobelpriset året efter. Men vi vet fortfarande inte allt – till exempel vad är för något.
13 TeV
Den kollisionsenergi LHC når i dag – nästan 7 gånger högre än vid Higgsupptäckten 2012.
Upptäckten var en stor seger för fysiken. Ändå saknas det bitar i pusslet. Vi vet till exempel inte varför gravitationen är så mycket svagare än de andra krafterna vi känner till.
Wow-siffror
99,97%
av atomens massa sitter i kärnan
trots att kärnan bara utgör en biljondel av atomens volym
10⁻¹⁵ m
atomkärnans diameter
om kärnan vore stor som ett äpple skulle hela atomen vara 5 km i diameter
125 GeV/c²
Higgsbosonens massa
ungefär lika mycket som en hel jodatom, men i en enda elementarpartikel
~10⁻²⁵ s
Higgsbosonens livslängd
den sönderfaller nästan direkt – den kan bara ses via vad den lämnar efter sig
40 miljoner
kollisioner per sekund i LHC
ungefär som att leta efter en specifik snöflinga i en pågående snöstorm
Vanliga missförstånd
Myt
Elektroner kretsar runt kärnan som planeter runt solen.
Sanningen
I verkligheten beskrivs elektroner av kvantmekaniska sannolikhetsmoln, 'orbitaler', där man bara kan ange sannolikheten att hitta elektronen på en viss plats – inte en exakt bana.
Myt
Atomer är de minsta byggstenarna i universum.
Sanningen
Atomer kan delas upp i protoner, neutroner och elektroner, och protoner/neutroner kan i sin tur delas upp i . Elektroner och kvarkar räknas i dag som elementarpartiklar.
Myt
Higgsbosonen är det som 'ger universum massa'.
Sanningen
Higgsfältet ger massa åt vissa elementarpartiklar (, elektroner), men över 99% av massan i en proton eller neutron kommer istället från rörelseenergin och bindningsenergin hos kvarkarna och gluonerna inuti.
