Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Transkript

1 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 1 af 7 Sidste gang: Elektronkonfiguration og båndstruktur. I dag: Bindinger mellem atomer og molekyler, idet vi starter med at se på de fire naturkræfter, som ligger bag al vekselvirkning mellem stof. Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter. Langtrækkende (1 r ). Virker mellem masser og bestemmer æblers, planeters, stjerners og galaksers bevægelse, men er uden betydning for naturens byggesten. Tiltrækkende. ) Den Svage Kraft gange stærkere end tyngdekraften. Kortrækkende. Skaber bla. den ustabilitet i atomkerner, som forårsager radioaktive henfald. Frastødende. 3) Den Elektromagnetiske Kraft (elektriske + magnetiske) 1000 gange stærkere end den svage kraft. Langtrækkende (1 r ). Virker mellem ladninger og binder atomer og molekyler sammen til stof. Både tiltrækkende og frastødende. 4) Den Stærke Kraft 100 gange stærkere end den elektromagnetiske kraft. 15 Ekstremt kortrækkende ( < 10 m, svarende til størrelsen af en nukleon, og virker derfor kun mellem nabo-nukleoner). Binder atomkernerne sammen på trods af den elektromagnetiske frastødning mellem protonerne. Tiltrækkende. Nyere forskning har vist, at Den Stærke Kraft ikke virker mellem nukleonerne som sådan, men mellem disses bestanddele kvarkerne 1. I dag ved man, at ) og 3) blot er to forskellige manifestationer af én og samme kraft, Den Elektrosvage Kraft, idet de to kræfter er uskelnelige ved høje energier (som eksisterede kort efter Big Bang, og som kan genskabes ved højenergetiske sammenstød i partikelacceleratorer). 1 Denne vekselvirkning mellem nukleoner kaldes Den Stærke Kernekraft.

2 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side af 7 Desuden tyder alt på, at 4) også fundamentalt set er udtryk for samme kraft som ) og 3). Ifølge Den Store Foreningsteori (Grand Unification Theory), er tyngdekraften også en del af kun én eneste naturkraft, Den Forenede Kraft (Unified Force), men en endelig afklaring af dette kræver mere højenergetiske acceleratorer, end vi i dag har til rådighed. Måske er tyngdekraften ikke er en egentlig kraft men blot udtryk for rummets krumning At jorden mærker solens tyngdetiltrækning kan således tilskrives, at solen krummer rummet omkring sig, på samme måde som en bowlingkugle på en madras vil kunne tiltrække en ært. Bemærk i den forbindelse, at rummets krumning, som er beskrevet i Einsteins almene relativitetsteori fra 1916, er et veldokumenteret faktum: Under en solformørkelse i 1919 kunne man således bekræfte Einsteins forudsigelse af, at lyset fra en stjerne, der lå bagved solen, alligevel kunne ses, fordi lyset fra den var blevet afbøjet i solens tyngdefelt! Kraftoverførsel Hvordan ved en elektron, hvor atomkernen befinder sig henne, og hvor stor ladning den har? Svar: Til hver af de fire naturkræfter hører et kraftfelt, eks. tyngdefeltet eller det elektromagnetiske felt, og kræfterne overføres ved udsendelse og absorption af kraftoverførende feltpartikler: 1) Gravitoner (ikke fundet!) ) W ±, Z 0 bosoner (fundet 1983 ved CERN) 3) Fotoner 4) Gluoner (i alt 8 forskellige slags)

3 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 3 af 7 To elektroners elektromagnetiske frastødning skyldes således udvekslingen af fotoner, som overfører impuls/bevægelsesmængde ( p = mv) F = dp : og dermed kraft ( dt ) Energibevarelse?! Disse virtuelle fotoner har så kort levetid Δ t, at det med kun Δt til rådighed for at måle systemets energi er principielt umuligt at konstatere en manglende energibevarelse: ΔEΔt ΔE Efoton = h ν. Δt Dette svarer i en eller anden forstand til, at energibevarelsen godt kan brydes, hvis blot det sker i så kort tid, at det end ikke i princippet er muligt at konstatere det! Bemærk, at da det ikke giver mening at bestemme energien med større nøjagtighed end Δ E, er der ikke tale om et brud på energibevarelsen! Kræfternes rækkevidde Gluon-kraftoverførslen mellem kvarkerne giver sig udslag i en nukleon-nukleonvekselvirkning (den oprindelige Stærke Kernekraft) formidlet af såkaldte pioner. Kraftens rækkevidde d er begrænset af pionens levetid energibevarelsen er begrænset af pionens energi E π : d < cδt c d t <. Δ E E π π Den nedre grænse for pionens energi er dens hvileenergi: Eπ mc π 100MeV. Δ t, som af hensyn til Bemærk, at nedenstående stærkt simplificerede billede ikke umiddelbart kan generaliseres til også at beskrive den elektromagnetiske tiltrækning mellem eks. en elektron og en proton.

4 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 4 af 7 Pionens, og dermed den stærke krafts, rækkevidde er dermed begrænset til: c d < 10 mc π 15 m. Da pionen har en meget stor masse, og dermed en stor energi, er den i stand til at overføre en meget stor kraft, men har til gengæld meget kort rækkevidde. Den elektromagnetiske krafts lange rækkevidde skyldes fotonens manglende hvilemasse, idet der dermed ikke er nogen nedre grænse for en fotons energi og dermed ikke nogen øvre grænse for dens levetid og rækkevidde: c d. hν For vekselvirkninger over lange afstande må fotonens energi, og dermed den overførte impuls/bevægelsesmængde (kraft) p = Ec, være lille. Den fundamentale forklaring på, hvorfor alle kræfter aftager med afstanden er således indeholdt i usikkerhedsrelationen mellem energi og levetid! Masse Hvad er masse, og hvorfor har forskellige partikler forskellig masse?! En endnu ikke bekræftet teori går på, at partikler opnår masse i kraft af deres vekselvirkning med et Higgs-felt med en tilhørende masse-overførende feltpartikel kaldet Higgs-bosonen. Ifølge Newtons anden lov, F res = ma, er et legemes masse et udtryk for dets træghed mod at sætte sig i bevægelse, og man kan således anskue en partikels vekselvirkning med et Higgs-felt som en kendt sportsstjerne, der skal bevæge sig igennem en skare af beundrere. Jo mere omsværmet, personen er, jo større vekselvirkning er der mellem personen og skaren af beundrere, og jo mere masse har vedkommende. <PAUSE> Bindinger Den bagvedliggende mekanisme ved alle processer i naturen, herunder dannelse af bindinger mellem atomer og mellem molekyler, er en stræben efter den lavest mulige energi. Et antal atomer kan således binde sig til hinanden og danne et molekyle, hvis og kun hvis molekylets energi er mindre end summen af atomernes energi 3. 3 Der eksisterer også såkaldt endoterme reaktioner, der kræver tilførsel af energi for at forløbe, men disse energikrævende processer forløber ikke af sig selv. Processer, der afgiver energi, kaldes exoterme.

5 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 5 af 7 Den naturkraft, som er ansvarlig for dannelsen af atomare og molekylære bindinger, er den elektromagnetiske kraft. Den elektriske kraft mellem to atomer består af en frastødende og en tiltrækkende del. Den frastødende del af kraften skyldes hovedsageligt elektron-elektronfrastødningen, men også at udelukkelsesprincippet kan tvinge elektroner til at skifte til højereliggende energiniveauer, når den inter-atomare afstand bliver så lille, at elektronskyerne overlapper. Bindingstyper Alt efter mekanismen bag den tiltrækkende del af kraften skelnes mellem flg. typer af bindinger: Ionbindinger: Atomerne ioniseres ved hhv. at afgive og modtage en eller flere elektroner og tiltrækker herefter hinanden som modsat ladede ioner. 6 1 Et eksempel herpå er bordsalt, NaCl, hvor Na : 1s s p 3s (valens 1) afgiver sin 6 5 3s -elektron til Cl : 1s s p 3s 3p (valens 7). Ioniseringsenergien for Na er 5, 1eV : ENa ( + + e ) ENa ( ) = 5,1eV, og elektronaffiniteten for Cl er 3, 7eV : ECl ( ) ECl ( + e) = 3,7eV. Ioniseringen af Na + Cl kræver således i alt ENa ( + + Cl ) ENa ( + Cl) = 1, 4eV. Men da bindingsenergien ( E b ) er ENa ( + + Cl ) ENaCl ( ) = 5, 6eV vinder et Na - og et Cl -atom i alt 4, ev ved at danne NaCl : E( NaCl) E( Na + Cl) = 4,eV.

6 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 6 af 7 Kovalente bindinger: I en kovalent binding deler atomerne en eller flere elektroner (enkeltbindinger, dobbeltbindinger, osv.). I H f.eks. befinder de to elektroner sig i en molekylær orbital, hvor de er ligeligt fordelt mellem de to brintkerner [F1]. Som vi så i sidste lektion, er energien af denne molekylære orbital mindre end energien af den atomare 1s -orbital, idet Eb = E1, H E1, H > 0. H 3 -molekyler dannes ikke, fordi udelukkelsesprincippet ville tvinge en tredje elektron op i en højereliggende energitilstand. [F] viser et skematisk billede af de kovalente bindinger i CH 4 (metan). Van der Waals-bindinger 4 : Hvis der i hver sin ende af et molekyle er en overvægt af hhv. positiv og negativ elektrisk ladning, siges molekylet at have et elektrisk dipolmoment. Dipol-dipol: To (polære) molekyler med permanent elektrisk dipolmoment vil tiltrække hinanden. Af hensyn til symmetrien opstår permanente dipolmomenter kun i asymmetriske molekyler som f.eks. HO, hvor opholdssandsynligheden for de elektroner, der indgår i de kovalente bindinger, er forskudt i retning af iltatomet. Vand har et relativt stort permanent dipolmoment, hvilket forklarer, hvorfor vandmolekyler vekselvirker så kraftigt med elektromagnetisk stråling i mikrobølgeområdet. Dipol-induceret dipol: Opstår ved at et polært molekyle inducerer et dipolmoment i et ikke-polært molekyle. Svagere vekselvirkning end mellem permanente dipoler. 4 Bemærk, at der ikke er helt enighed om hvilke bindinger, der skal betegnes Van der Waals.

7 Atomer, molekyler og tilstande 3 Side 7 af 7 Dispersionsbinding (Londonbinding): Elektronfordelingen i et atom eller et molekyle ændrer sig hele tiden, og selv atomer eller ikke-polære molekyler er således kendetegnet ved et svagt, fluktuerende elektrisk dipolmoment. Når en sådan selv-induceret elektrisk dipol inducerer en elektrisk dipol i et atom eller molekyle i dets nærhed, er der tale om den svageste form for Van der Waals-vekselvirkning. Som symmetriske atomer er ædelgasserne udelukkende kendetegnet ved denne svage form for tiltrækning, og det samme gælder i øvrigt de symmetriske gasmolekyler og O. H Brintbindinger: Ligesom Van der Waals-bindinger er brintbindinger baseret på dipol-dipolvekselvirkninger. To vandmolekyler Van der Waal-vekselvirker gennem deres permanente dipolmomenter, men den direkte elektriske tiltrækning mellem et brintatom og et iltatom på et andet vandmolekyle er væsentlig stærkere, og denne brintbinding dominerer dermed vekselvirkningen mellem vandmolekyler [F3]. Disse relativt kraftige brintbindinger mellem vandmolekyler (ca. 5% af en kovalent binding) forklarer dels vands store overfladespænding (den største på nær kviksølv), og dels en række andre ting, som vi vil komme ind på næste gang ifm. tilstandsformer og -overgange. Brintbindinger spiller også en rolle ved dannelsen af DNA-molekyler (mere herom i lektion 5). Brintbindinger kan også optræde i forbindelse med eks. N eller P. Næste gang: Tilstandsformer og overgange samt lidt om diverse kulstofforbindelser.