Przeczytaj
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.
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.
Nieco inaczej wygląda sprawa z elektronami związanymi z jądrem atomowym w strukturze zwanej atomem. Prócz cech takich jak ładunek czy masa, elektrony związane mają inne cechy, specyficzne dla stanu związanego. Na lekcjach chemii mogła być mowa o głównej liczbie kwantowej, pobocznej i innych cechach elektronu w atomie. Dzięki tym cechom elektrony związane mogą być rozróżniane - nie są zatem identyczne.
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. NukleonyNukleony, 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.
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 pierwiastkapierwiastka 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 izotopamiizotopami. 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 izotopówizotopów wprowadzono prosty i wygodny system oznaczeń. Najbardziej rozpowszechniony jest system zapisu w postaci
gdzie X oznacza symbol pierwiastka, 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
(ang. isotopes) atomy tego samego pierwiastka, których jądra atomowe mają różną liczbę neutronów.
(ang. nucleons) składniki jąder atomowych, wspólna nazwa dla protonów i neutronów.
(ang. chemical element) zbiór atomów, których jądra atomowe mają taką samą liczbę protonów.