Warto przeczytać

Identyczność w świecie makro

Zanim przejdziemy do odpowiedzi na pytanie, czy wszystkie atomy tego samego pierwiastka są takie same, zastanówmy się nad szerszym zagadnieniem – jak należy rozumieć stwierdzenie, że dwa osobne obiekty fizyczne są takie same, czyli identyczne? Pytanie o identyczność wykracza poza ramy fizyki. Logicy i filozofowie zajmujący się tym zagadnieniem doszli do wniosku, że dwie rzeczy są identyczne ze sobą wtedy i tylko wtedy, gdy są tym samym. Zatem z filozoficzno‑logicznego punktu widzenia, dwie tak samo wyglądające puszki naszego ulubionego napoju, dwa kubeczki i dwie słomki (Rys. 1.) nigdy nie będą identyczne, będą co najwyżej bardzo do siebie podobne.

RJR2fz9V1ASci

Rys. 1. Ilustracja podzielona jest na dwie części prawą opisaną wielką literą A oraz lewą opisaną wielką literą B. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający obok siebie kubki. Oba kubki są koloru żółtego. W dolnej części obu kubków znajdują się trzy poziome czerwone pasy, jeden pod drugim. Z obu kubków wystają żółte słomki. Słomka znajdująca się w lewym kubku oparta jest o jego prawą ściankę, a słomka w prawym kubku oparta jest o jego lewą ściankę. Kubek po lewej podpisany jest cyfrą jeden, a kubek po prawej podpisany jest cyfrą dwa. Cyfry, którymi opisano kubki, znajdują się w górnej części na ich ściankach. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający obok siebie kubki. Oba kubki są koloru żółtego. W dolnej części obu kubków znajdują się trzy poziome czerwone pasy, jeden pod drugim. Z obu kubków wystają żółte słomki. Słomka znajdująca się w lewym kubku oparta jest o jego prawą ściankę, a słomka w prawym kubku oparta jest o jego lewą ściankę. Kubek po lewej podpisany jest cyfrą jeden, a kubek po prawej podpisany jest cyfrą dwa. Cyfra jeden znajduje się obok lewego kubka po prawej stronie. Cyfra dwa znajdują się obok prawego kubka po jego lewej stronie.

Identyczność w rozumieniu mechaniki kwantowej

W fizyce subatomowej pojęcie identyczności cząstek należy rozumieć trochę inaczej. Cząstkami identycznymi nazywamy takie cząstki, które charakteryzują się takimi samymi cechami fizycznymi. Dowolne dwa swobodne elektrony we Wszechświecie będą miały te same masy, ładunki i wszystkie inne cechy charakterystyczne dla elektronu. To samo tyczy się protonów, neutronów, fotonów i innych cząstek subatomowych.

Sprawa jest jednak jeszcze trochę bardziej złożona. Załóżmy, że mamy dwie cząstki, A i B, posiadające identyczne cechy fizyczne (np. dwa swobodne elektrony). Możemy je między sobą rozróżnić, jeżeli jesteśmy w stanie śledzić tory ich ruchu. Dopóki możemy jednoznacznie powiedzieć, gdzie znajduje się cząstka A, a gdzie cząstka B, obiekty te są rozróżnialne. Podstawowe prawa mechaniki kwantowej uniemożliwiają jednak śledzenie trajektorii obiektów z dowolną precyzją. Możemy tylko określić prawdopodobieństwo obserwacji danej cząstki w danym miejscu. Z czasem obszary, w jakich mogą występować obie cząstki, zaczynają na siebie nachodzić, a wynik obserwacji staje się niejednoznaczny. Mimo początkowego rozróżnienia dwóch cząstek, informacja o tym, która cząstka jest cząstką A, a która cząstką B, ulega zatraceniu. Nie mamy innego kryterium, które pozwoliłoby nam rozróżnić obie cząstki, ponieważ obie mają takie same właściwości fizyczne. Cząstki, które mają takie same cechy fizyczne, są zatem nierozróżnialne. W fizyce terminy cząstki identyczne i cząstki nierozróżnialne są stosowane zamiennie i oznaczają to samo. Dowolne dwa elektrony we Wszechświecie są różnymi obiektami, ale z fizycznego punktu widzenia niczym się nie różnią - możemy zatem powiedzieć, że są takie same.

Identyczność obiektów złożonych

Elektron jest cząstką elementarną, nieposiadającą wewnętrznej struktury. Czy zasada nierozróżnialności dotyczy również bardziej złożonych obiektów, takich jak jądra atomowe, atomy i cząsteczki? Stopień złożoności obiektów w fizyce subatomowej i atomowej szybko się zwiększa. NukleonyNukleonyNukleony, czyli proton i neutron składają się z kwarków, będących tak jak elektron cząstkami elementarnymi. Z nukleonów zbudowane są wszystkie jądra atomowe. Każdy atom we Wszechświecie składa się z maleńkiego w porównaniu z jego rozmiarami jądra otoczonego chmurą elektronową. Natomiast cząsteczki to grupy atomów utrzymywane razem dzięki kowalencyjnym wiązaniom chemicznym. Pomimo coraz większego skomplikowania obiektów okazuje się, że zasada nierozróżnialności jest spełniona, dopóki obiekty, którymi się zajmujemy, są na tyle małe, że do ich opisu należy stosować mechanikę kwantową.

R12mi0qq2CYmN

Rys. 2. Ilustracja podzielona jest na dwie części prawą opisaną wielką literą A oraz lewą opisaną wielką literą B. Ilustracja po lewej przedstawia układ swobodnie umieszczonych obiektów. Na jasnozielonym tle widać dwie niebieskie kulki, dwie czerwone oraz dwie małe zielone kulki. Elementy umieszczone są chaotycznie. Ilustracja po prawej przedstawia rysunek, na którym widoczny jest schemat budowy jądra helu. Na jasnozielonym tle w centralnej części widać jądro atomu helu. Jądro atomu helu zbudowane jest z czterech elementów: dwóch neutronów i dwóch protonów. Nukleony w jądrze widoczne są w postaci dwóch niebieskich i dwóch czerwonych kulek złączonych ze sobą. Wokół jądra atomowego krążą dwa elektrony widoczne w postaci małych zielonych kulek. Elektrony krążą wokół jądra po orbitach eliptycznych narysowanych czarnymi liniami ciągłymi.

Pierwiastek chemiczny

Dwa atomy o takiej samej liczbie protonów i neutronów w jądrze, posiadające zapełnione powłoki elektronowe mają takie same cechy fizyczne, są zatem nierozróżnialne. Czy w związku z tym wszystkie atomy tego samego pierwiastkaPierwiastek chemicznypierwiastka są takie same? Dany pierwiastek chemiczny oznacza zbiór wszystkich atomów o identycznej liczbie protonów w jądrze. Definicja pierwiastka chemicznego nie mówi natomiast nic na temat liczby neutronów. W rezultacie atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różne liczby neutronów w jądrach. Prowadzi to do istnienia różnych odmian tego samego pierwiastka zwanych izotopamiIzotopyizotopami. Dwa atomy o zapełnionych powłokach elektronowych mające taką samą liczbę protonów w jądrach, ale różniące się liczbą neutronów nie są już identyczne i można je rozróżnić. Aby ułatwić rozróżnianie pierwiastków i ich izotopówIzotopyizotopów wprowadzono prosty i wygodny system oznaczeń. Najbardziej rozpowszechniony jest system zapisu w postaci

gdzie X oznacza symbol pierwiastka, a $A$ to liczba masowa, czyli sumaryczna liczba protonów i neutronów w jądrze atomowym danego izotopu.

W obojętnym elektrycznie (niezjonizowanym) atomie liczba elektronów znajdujących się na powłokach elektronowych jest zawsze równa liczbie protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Ponieważ o właściwościach chemicznych decyduje konfiguracja elektronów, izotopy tego samego pierwiastka mają praktycznie takie same właściwości chemiczne. Zmiana składu jądra atomowego ma jednak wpływ na masę atomu, co z kolei wpływa na właściwości fizyczne izotopów (np. ich gęstość czy stabilność). Różnice te wykorzystuje się do wyodrębniania poszczególnych izotopów z ich naturalnej mieszaniny występującej w przyrodzie. Występowanie różnic we własnościach fizycznych i chemicznych różnych izotopów tego samego pierwiastka chemicznego oraz związków chemicznych, mających dokładnie tę samą strukturę, ale zawierających różne izotopy tego samego pierwiastka nazywamy efektem izotopowym. Więcej na temat izotopów możesz dowiedzieć się w e‑materiałach „Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu?” oraz „Skład izotopowy pierwiastków”.

Słowniczek