O obrotach sfer elektronowych

Błękitnie niebo nad nami… Przypomnijmy sobie nasze lata, kiedy z zachwytem patrzyliśmy na niebo jako małe dzieci, kiedy zastanawialiśmy się czym ono jest? Przypomnijmy sobie czasy, gdy zastanawialiśmy się, dlaczego gwiazdy są  na nocnym niebie i nie spadają z niego. Dlaczego one są przyklejone do niego? Bo niebo było takim parasolem rozpiętym nad światem, i chciało się tam wznieść i go dotknąć. A czy ktoś kiedyś nie zastanawiał się, czy da się rzucić kamieniem tak wysoko, żeby trafił w niebo? Przypomnijmy sobie te piękne czasy z naszego życia. Oczywiście potem szybko nasze myślenie o niebie zostało sprowadzone na ziemię, bo okazało się, że nie ma nad światem parasolki, do której przyklejone są gwiazdy. A Ziemia, choć okrągła, to nie jest jak żółtko w jajku: otoczona skorupą, do której od środkowej strony są przyklejone gwiazdy. Ponadto gwiazdy wcale nie są w jednej odległości od Ziemi, jak się wydaje gołym okiem, tylko są w różnych odległościach od Ziemi. Dorośli zrujnowali nasze dzieciństwo…

Jednakże nocne niebo fascynowało nie tylko nas jako dzieci, ale ludzkość od zarania dziejów. I tak już od wczesnej starożytności ludzie obserwowali nocne, ale i dzienne niebo i budowali obserwatoria astronomiczne. Rysowali mapy nieba, rysowali tory ruchu ciał niebieskich. Bo widzieli, że gwiazdy nie zajmują cały czas tego samego miejsca. Widzieli, że wszystkie gwiazdy, poza siedmioma obiektami o których za moment, zataczają w ciągu jednej doby krąg. Ponieważ przyjęli, że Ziemia jest nieruchomym centrum Wszechświata, to znaczy, że niebo nad nimi się obraca. Nawet znaleźli gwiazdę, która zachowuje swoją stałą pozycję na niebie, czyli oś obrotu nieba przechodzi przez tę gwiazdę, a gwiazda leży na biegunie. Do dziś zwiemy ją gwiazdą polarną (greckie polos i łacińskie polus oznacza oś obrotu, czyli biegun). Słowo biegun dawniej oznaczało także po prostu zawias - przecież to zawias jest osią obrotu, wokół której obracają się drzwi. Biegun to taki typ zawiasu, jaki do dzisiaj mają lodówki, a dawniej drzwi do drewnianych domów.
 

Ale wróćmy do nieba: im jakaś gwiazda jest dalej od gwiazdy polarnej, tym większe koło zatacza podczas obrotu wokół osi, podobnie jak rysowanie okręgów cyrklem. A zatem niebo nad nami wiruje, wraz z gwiazdami przyklejonymi do niego. Ale siedem obiektów zachowywało się inaczej: poruszały się niezależnie od gwiazd i zataczały inne tory: Słońce, Księżyc, Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn. Tych siedem obiektów widocznych gołym okiem starożytni nazwali planetes asteres - gwiazdami błądzącymi lub krócej planetai - wędrowcami. Zwróćmy uwagę, że i Księżyc był wtedy uznawany za błądzącą gwiazdę. Jeśli Ziemia jest kulista, a niebo jest powłoką rozciągniętą jest nad całą Ziemią, to i niebo musi mieć kształt kuli. Niebo musi być SFERĄ, którą do dziś zwiemy sferą niebieską. A co z ruchem planet? Kopernik zauważył, że jeśli za centrum wszechświata przyjąć nieruchome Słońce, to planety Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn, ale także Ziemia zataczają kręgi wokół Słońca, a ich ruch jest w pełni przewidywalny. Można więc przyjąć, że te obiekty leżą na innych sferach niebieskich - o różnym promieniu. Merkury leży na sferze najmniejszej, dalej Wenus na kolejnej itd. Każda z tych sfer obracała się ze jakąś szybkością, dlatego planety "przyklejone do nich" zataczają koła co jakiś okres. Starożytni sądzili, że to Ziemia jest centrum wszechświata i tak, panie i panowie, coś przez kilka tysięcy lat uważano. Aż do Kopernika... Koncepcja położenia planet na innych sferach niebieskich niż gwiazdy była znana znacznie przed Kopernikiem, ale Kopernik stwierdził, że wszystko pasuje w logiczną całość, jeśli to Słońce umieścić w centrum, a nie Ziemię, jak przyjęto kilka tysięcy lat wcześniej.   I tak gwiazdy, które wg starożytnych błądziły - stały się ciałami, których ruch daje się obliczyć i jest przewidywalny. Planeta się porusza, bo porusza się cała sfera, na której leży. I do tej koncepcji nawiązuje tytuł dzieła Kopernika: rękopis zatytułowany "De revolutionibus" ("O obrotach"), a wydane drukiem pod szerszym tytułem "De revoliotonibus orbium coelestium" ("O obrotach sfer niebieskich"). Jednakże świadomość Kopernika była większa, niż wskazuje tytuł, o czym na końcu.
A teraz przenieśmy się od obiektów w skali giga do obiektów w skali mniejszej nawet od mikro. Przenieśmy się do atomów. Mówimy, że materia ma elektryczną budowę. Elektrony krążą wokół jądra, w różnych odległościach. Bardzo często mówimy, że atom ma budowę powłokową - elektrony znajdują się na powłokach elektronowych. A te możemy jeszcze podzielić na podpowłoki. Z tego powodu często można spotkać się porównaniem atomu do cebuli przekrojonej w poprzek - bo możemy tam wskazać powłoki. A teraz zadajmy sobie pytanie: jakie rozmiary mają atomy? Bardzo małe. Zatem czy atom można nazwać cebulką, tylko taką tyci, tyci? I dodatkowe pytania:  od czego zależy rozmiar atomu? Ile powłok elektronowych ma atom?
W szkolnych podręcznikach znajdziemy np. takie oto rysunki:

Zanim odpowiemy na pytanie pierwsze, to zastanówmy się, czy elektrony muszą obsadzać powłoki akurat tak, jak wynika z reguł obsadzania? Nie, ponieważ reguły obsadzania dotyczą stanu podstawowego - czyli stanu o najniższej możliwej energii. Gdy elektrony są rozmieszczone inaczej, niż wynika to z tych reguł, to mamy do czynienia ze stanem wzbudzonym. W szkole pojęcia wzbudzenia używa się często po to, żeby wyjaśnić, dlaczego atom węgla tworzy 4 wiązania, jak np. w cząsteczce CH₄. W stanie podstawowym atom węgla ma dwa niesparowane elektrony. Jeśli dostarczyć odpowiedniej energii, to można przenieść jeden z elektronów walencyjnych i otrzymamy 4 niesparowane elektrony.
 

Dalej idąc w kierunku konfiguracji elektronowych, to uczniowie muszą wiedzieć, że konfiguracje atomu chromu czy miedzi nie są takie, jak wynikałoby wprost z reguł obsadzania. W tych konkretnych przypadkach mamy do czynienia z odstępstwem, zwanym promocją elektronową. Po prostu w stanie podstawowym konfiguracja jest inna, niż wynika z reguł obsadzania, ale właśnie tak jest w stanie podstawowym atomów tych pierwiastków.

I tutaj dochodzimy do pewnej niebezpiecznej sytuacji: wśród uczniów i studentów, oraz części nauczycieli rozpowszechniona jest "reguła", że wzbudzenie zachodzi w obrębie tej samej powłoki, a promocja elektronowa - pomiędzy dwoma powłokami. ALE! Uczniowie dowiadują się zwykle o wzbudzeniu przy omawianiu budowy związków takich pierwiastków jak: Be, B, C. Z kolei o atomach azotu czy tlenu uczniowie zwykle mają wpojone, że  nie można ich wzbudzić.

Tymczasem przyjrzyjmy się okładce najnowszego wydania czasopisma dla nauczycieli "Chemia w szkole":

Cały artykuł można przeczytać na stronie zaprzyjaźnionego z nami Weirdscience. Również na naszym portalu można znaleźć opisy prostych doświadczeń, w których powstaje wzbudzony tlen tutaj i tutaj. A jak to jest np. z tym azotem? Przyjrzyjmy się konfiguracji walencyjnej atomu azotu.

Nawet jeśli przeniesiemy jeden elektron z orbitalu 2s na 2p, to i tak otrzymamy 3 niesparowane elektrony i jedną wolną parę elektronową. Takie wzbudzenie nic by nam nie dało, gdybyśmy mieli wyjaśnić tworzenie związków przez atom azotu, bo zarówno w stanie podstawowym, jak w rozpatrywanym stanie wzbudzonym nadal mamy 3 niesparowane elektrony walencyjne i jedną wolną parę elektronową. Ale czy to, że ono by nam wiele nie dało, oznacza przy okazji "nie da się"? Nie oznacza...

Zastanówmy się: Układ Słoneczny zawiera 8 planet, ale czy jego rozmiar jest ograniczony? Gdyby dostarczyć odpowiedniej energii Ziemi, to mogłaby zająć orbitę Marsa i wraz z nim w jednakowej odległości okrążać Słońce. No, przynajmniej przez jakiś czas, bo w końcu planety by się zderzyły - ze względu na różną masę obu planet Ziemia na orbicie Marsa miałaby mniejszą prędkość niż Mars i w końcu doszłoby do zderzenia planet. Dlaczego Ziemia mogłaby krążyć po innej orbicie? Bo jej orbita nie istnieje fizycznie. Nie jest sznurkiem, na który jest nawleczona Ziemia i który jej nie pozwala oddalić się od Słońca. Tak samo nie istnieją sfery niebieskie, które obracają się wraz z przyklejonymi do nich planetami. I gwiazdami. Ziemia nie jest więc ani nawleczona na sznurek zwany orbitą, ani przyklejona do trzeciej sfery sfery niebieskiej licząc od Słońca. Układ słoneczny nie jest ograniczony sferą, do której przyklejony jest Neptun. Ani sferą, na której miałby znajdować się Pluton, który stracił rangę planety w 2006 roku. Tak więc Ziemia odpowiednio "kopnięta" mogłaby zająć orbitę za orbitą Neptuna powiększając średnicę układu Słonecznego. W 1911 roku Rutherford zaproponował taki właśnie model budowy atomu, który nazwano planetarnym. Ale już w 1913 Bohr wprowadził do niego poprawki - uwzględnił to, o czym Rutherford jeszcze nie wiedział, lub nie potrafił wyjaśnić.

Odpowiedź na dwa ostatnie pytania wydaje się oczywista: rozmiar atomu zależy od liczby protonów w jądrze oraz liczby powłok elektronowych i liczby elektronów obsadzających te powłoki. Ile powłok elektronowych ma atom? Odpowiemy, że wystarczy sprawdzić, w którym okresie leży dany pierwiastek w układzie okresowym, np. atom wodoru ma jedną powłokę elektronową, atom tlenu dwie, a atom siarki trzy. Tak dowiedzieliśmy się w szkole...

Ale wróćmy do Układu Słonecznego. Nie istnieją przecież wirujące sfery niebieskie, na których znajdują się planety i gwiazdy, są tylko planety w różnej odległości od Słońca. Nie ma żadnej powłoki rozciągniętej dookoła Słońca. Żadnego wirującego elementu, który fizycznie utrzymywał by planetę. Układ Słoneczny nie jest cebulą, tylko taką wielką, że aż strach (gigacebulą).

Podobnie cebulą nie jest atom. Nie istnieją sferyczne powłoki elektronowe, które jeszcze możemy podzielić na podpowłoki. Istnieją za to elektrony poruszające się w jakiejś odległości od jądra. Tym dalej od jądra, im wyższą energię ma dany elektron. Krótko i zwięźle: atom nie jest kulką, którą można nawiercić i zajrzeć do środka. A elektrony mogą opuścić atom. Ale nie muszą się w tym celu z niego wygryzać przez powłoki, jak robak z jabłka (albo bardziej w naszych klimatach: jak larwy śmietki cebulanki z cebuli...). Bo nie ma żadnej zewnętrznej powłoki istniejącej fizycznie, która by ograniczała jego rozmiar. Mowa o powłokach elektronowych sprowadza nasze myślenie o atomach do koncepcji sfer niebieskich i planet czy gwiazd na nich umieszczonych. Setki lat wstecz! Różnica tylko taka, że starożytni założyli, że to sferyczne powłoki wirują z przyklejonymi do nich obiektami, a w przypadku atomów, że elektrony krążą na powłokach - ale równie dobrze można by założyć, że elektrony są przyklejone do powłok i są nieruchome, za to wirują całe powłoki. Zwróćmy uwagę na to, że przecież powłoka elektronowa lub warstwa elektronowa to sfera - podobnie jak sfera niebieska. I z tego powodu można ją nazwać po prostu sferą elektronową. Ta nazwa ta była dawniej rozpowszechniona w polskiej nomenklaturze. Poniżej widzimy fragment podręcznika S. Prebendowskiego z 1961 roku. Naszej ery.

Niels Bohr skorygował model Rutherforda: wprowadził elementy kwantowe do niego. Uwzględnił, że elektrony nie mają byle jakiej energii, tylko przyjmują jej konkretne wartości. Tak jakby Ziemia mogła zająć tylko orbitę (powłokę) innej planety (np. Marsa lub Jowisza), ale nie mogła przyjąć żadnej orbity pośredniej - np. pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. A skoro atom nie ma  żadnej wewnętrznej, ani zewnętrznej powłoki ograniczającej jego rozmiar, tylko są elektrony obsadzające różne dozwolone poziomy energetyczne (i w różnej odległości od jądra), to jak jest z tym wzbudzeniem? Czy atom wodoru można wzbudzić? Można, bo tzw. pierwsza powłoka, którą "ma" to nie fizyczny obiekt ograniczający, tylko poziom energetyczny wiążący się z pewną odległością elektronu od jądra. Jeśli dostarczyć odpowiedniej energii, to ten elektron obsadzi wyższy poziom energetyczny - zacznie krążyć dalej od jądra. Czyli zmieni się średnica atomu i przybędzie mu "powłoka elektronowa" - bo będzie obsadzał drugą "powłokę" - a pierwsza będzie pusta (czytaj: elektron mógłby krążyć bliżej jądra, gdyby miał niższą energię). Tak więc można wzbudzić nawet atomy wodoru czy helu, które "mają tylko jedną powłokę". Powiem więcej: można tak wzbudzić atomy, że główna liczba kwantowa co najmniej jednego elektronu osiągnie wartości setek, a co za tym idzie, średnice atomów osiągają rozmiary rzędu 0,001 milimetra, czyli byłyby widoczne pod mikroskopem optycznym! Gdyby tylko atom był obiektem, który powiększony da się zobaczyć...

Atomy o takich rozmiarach zwiemy atomami Rydberga. Niestety, jako że większy rozmiar atomu nie oznacza spuchniętej cebuli, to atomu nadal nie zobaczymy, mimo że tej wielkości obiekty możemy obserwować pod mikroskopem optycznym. A to dlatego właśnie, że tak powiększony atom to nadal nie kulka, która ma jakąś powierzchnię. Nawet gdyby tak wzbudzić atom, że osiągnąłby średnicę piłeczki pingpongowej, to i tak go nie zobaczymy - bo nie zobaczymy ani jądra atomowego, ani jego elektronów, które jak były, tak są małe, tyle że krążą bardzo daleko od jądra. Podobnie gdyby Układ Słoneczny pomniejszyć do średnicy piłeczki pingpongowej, to nie zobaczymy żadnej kulki, tylko może przez lupę maleńkie Słońce. Pod mikroskopem optycznym widzimy obiekty zbudowane z wielu atomów, ale w swoich "normalnych" rozmiarach. I choć atomów nawet tak wzbudzonych jak atomy Rydberga nie zobaczymy, to jednak mogą "żyć" na tyle długo, że można zdążyć je badać i poobserwować ich zachowanie innymi technikami. W roku 2009 udało się wykonać doświadczenie, w którym wykazano, że dwa atomy Rydberga, a konkretnie atomy rubidu, mogą utworzyć cząsteczkę typu Rydberg-Rydberg. W tej cząsteczce elektrony walencyjne obsadzają poziomy 35s - 37s, co oznacza podpoziom s "powłok" o numerach 35 - 37! Czyli główna liczba atomowa rubidu osiągnęła wartości 35 - 37! I jak to się ma do pięciu powłok, które odczytujemy na podstawie tego, że rubid jest położony w piątym okresie układu okresowego pierwiastków? A w maju 2022 w Nature opublikowano pracę, z której wynika, że kationy Rb⁺ mogą utworzyć wiązanie z obojętnymi atomami Rydberga (rubidu). Co prawda wymaga to temperatur zbliżonych do zera absolutnego, by można było to zaobserwować, ale jednak! A w ogóle to sporo cudzysłowów już w tym artykule wyszło.

Atomy wzbudzone mają to do siebie, że mają wolne niższe poziomy energetyczne. Stąd też tendencja elektronów z wyższych stanów energetycznych do oddania części energii i wypełnienia luki. Elektron emituje wtedy foton, a foton może oznaczać światło o konkretnym kolorze. Kolor światła zależy od energii fotonu, a ta zależy od długości fali elektromagnetycznej: im krótsza fala, tym wyższa energia fali. Najwyższą energię (najkrótsze fale) z zakresu widzialnego ma światło fioletowe, najniższą (ale najdłuższe fale) - czerwone. Dlatego fale o energii wyższej zwiemy nadfioletem (ultrafioletem, <400 nm), a o energii niższej - podczerwienią (>780 nm). Już w XIX wieku badano tzw. widma emisyjne gorących atomów, nawet wodoru. Przyjrzyjmy się widmu liniowemu atomu wodoru:

Widmo powyżej przedstawia tzw. serię Balmera atomów wodoru. Odpowiada ona emisji światła podczas przejścia elektronów z poziomów wyższych na poziom L, czyli z wyższych na drugą powłokę. Tak, atom wodoru i druga "powłoka"! Przejście z poziomów wyższych na poziom K, czyli pierwszą "powłokę", jest w zakresie ultrafioletu, czyli niewidoczne dla ludzkiego oka (seria Lymana na rysunku poniżej). Przedstawia to poniższy rysunek, gdzie linie przejścia oznaczono odpowiednim kolorem z widma liniowego.

To dzięki badaniu widma światła słonecznego odkryto nowy pierwiastek: hel. Odkryto go na Słońcu, a nie na Ziemi! A przecież nikt na Słońce nie poleciał by zabrać próbkę i zbadać jej skład - wystarczyło się tu na Ziemi przyjrzeć światłu docierającemu od niego do nas. Tak, ten hel, co do którego tyle ludzi wyciąga błędny wniosek, że nie można go wzbudzić, bo "ma tylko jedną powłokę elektronową". A nawet: bo ma tylko jedną podpowłokę, a jak często powtarzają uczniowie i wielu nauczycieli: wzbudzenie zachodzi w obrębie powłoki... Na szczęście nie ma ani jednej powłoki, ani podpowłoki, więc można go wzbudzić i dzięki temu go odkryto - najpierw na Słońcu. A dopiero kilka lat potem znaleziono go na Ziemi w rudach uranu (nieprzypadkiem akurat w nich!). Odkrycie helu na podstawie analizy światła słonecznego było to możliwe, bo każdy atom można wzbudzić, a nazwa pierwiastka nawiązuje do tego, że odkryto go na Słońcu. Po prostu badacze odkryli w widmie liniowym światła słonecznego sygnał nie należący do żadnego znanego wtedy pierwiastka. A to dlatego, że położenie linii na widmie emisyjnym zależy nie tylko od rodzaju przejścia, ale także od rodzaju atomu - przejście elektronu pomiędzy poziomem K i L dla atomu wodoru wymaga przyjęcia innej porcji energii, niż dla atomu helu, innej dla atomu litu itd. Tak samo jest z emisją energii podczas przejścia elektronów na niższe stany energetyczne. Dlatego możliwe jest wykrycie pierwiastków nawet w kosmosie na podstawie analizy widma emisyjnego - światła docierającego do nas. I stąd właśnie wiemy, które pierwiastki są obecne w Kosmosie.

A teraz wróćmy do rozpowszechnionej reguły, że wzbudzenie zachodzi w obrębie jednej powłoki, a promocja elektronowa pomiędzy powłokami. Na podstawie czego sformułowana jest ta "reguła"? I kolejny cudzysłów - zresztą słusznie. Ale na podstawie czego? Na podstawie zaledwie kilku szczególnych przypadków, które uczniowie muszą znać by rozwiązywać zadania maturalne (dodatkowy wpis dedykowany głównie maturzystom i nauczycielom znajduje się tutaj). Czy tych kilka przypadków na ogół poruszanych w szkole: Be, B, C, Cr i Cu upoważnia nas do takiego wniosku? Dodajmy, że jest to zupełnie błędne rozumowanie oparte na nieznajomości istoty pojęcia, jakim jest wzbudzenie elektronowe. Trzeba tutaj najpierw wiedzieć, że używamy pojęcia wzbudzenia atomu w konkretnym celu: dlaczego atom węgla tak chętnie tworzy 4 wiązania, a nie dwa, jak wynika z jego "normalnej" konfiguracji? A dlaczego atom boru tworzy 3 wiązania, zamiast jednego? To właśnie wyjaśniamy poprzez wzbudzenie. Bo tutaj chemikom chodzi tylko o szczególny przypadek wzbudzenia, który ma wyjaśniać wartościowość/wiązalność atomu danego pierwiastka.I nic więcej w tym konkretnym przypadku, bo rozpatrujemy właściwości chemiczne. Chemików interesuje jak dany atom reaguje, ile wiązań tworzy, więc interesują ich konkretne wzbudzenia. Ale to nie są jedyne możliwości! Więc nie można na tej podstawie wysnuć tak daleko idącego wniosku, bo jak widać, jest błędny. Ale chemików interesują czasem inne aspekty niż tworzenie wiązań, to rozpatrują też inne wzbudzenia. Każde przeniesienie elektronu na wyższy stan energetyczny nazywamy wzbudzeniem, ale nie każde wzbudzenie musi zachodzić w obrębie "powłoki" - takie nas interesują gdy rozpatrujemy chemię danego pierwiastka. W niektórych przypadkach jest to zresztą niemożliwe, by wzbudzić atom w obrębie "powłoki", a atomy i tak ulegają wzbudzeniu (jak ten wodór czy hel). Dzięki wzbudzeniu neonu (którego atomy mają całkowicie zapełnione 2 poziomy energetyczne, czyli dwie powłoki) świecą lampy neonowe. A jak to zrobić w obrębie powłoki?

A co z liczbami "powłok" i promieniami atomowymi, które możemy odczytać z układów okresowych pierwiastków? To prawda jest, ale gdy rozpatrujemy atomy w stanie podstawowym. Słowo powłoka jest po prostu abstrakcją - równie dobrze można mówić o poziomach energetycznych i ukróciło by to mylenie atomów z cebulą. Ma to charakter umowny, a nie rzeczywisty i odnosi się do planetarnego modelu budowy atomu, czyli podobieństwa do Układu Słonecznego, gdzie także powłoki niebieskie są tylko abstrakcją. I w takim sensie wprowadzono pojęcie powłoki do modelu atomu. Reszty dokonali ludzie... Całe niebo jest abstrakcją, bo nie istnieje. Nie istnieje powłoka niebieska. Spójrzmy na przekrój cebuli i model budowy atomu z podręczników szkolnych. Cebula zresztą jest często używana do tłumaczenia budowy atomu. Ale porównywanie budowy atomu do budowy cebuli jest poronionym pomysłem.

Nawet jakby tak wzbudzić atom, że najdalszy elektron byłby tak daleko od jądra, że atom miałby średnicę piłeczki pingpongowej, to i tak nie zobaczymy atomu. Bo nadal będzie to maleńkie jądro otoczone maleńkimi elektronami, których nie zobaczymy. Napisałem, że atomu nie można zobaczyć - to dlaczego widać je pod mikroskopem elektronowym? Nie widać. Pod mikroskopem elektronowym "nie widzimy". Tzw. obraz powstaje wskutek tworzenia mapy terenu. Próbkę bombarduje się strumieniem elektronów - elektrony te zbliżając się do powierzchni próbki są zwalniane i odpychane przez elektrony próbki - wychwytując odepchnięte elektrony tworzymy mapę - tutaj coś jest, bo od czegoś elektrony zostały odepchnięte. Przy bardzo dużych powiększeniach nie zobaczymy żadnych kulek, tylko plamki lub trójwymiarowe rozmyte twory - obszary, od których odbiły się elektrony. A my interpretujemy te plamki: to są atomy. Tak działa skaningowy mikroskop elektronowy. Z tego też powodu nawet "fotografie" otrzymane poprzez mikroskop elektronowy nie są bezpośrednim dowodem istnienia atomów, bo nie można ich zobaczyć. Sama zasada działania mikroskopu elektronowego polega na odgórnym założeniu, że nie pomyliliśmy się, i że te elektrony i atomy istnieją. A choć nikt tego nie widział (elektronów i atomów), a pomimo to jesteśmy pewni, że one istnieją i wiemy jakie mają właściwości - to możliwe było zbudowanie mikroskopu elektronowego wykorzystując tę wiedzę. Ale na odgórnym założeniu, że coś istnieje. Więc nawet "obrazy" otrzymane z SEM nie są naukowym dowodem bezpośrednim istnienia atomów.

Wiara (tak, bo to jest wiara) w powłoki elektronowe sprowadzi nas na manowce i do dość niedorzecznych pytań. Wiara, bo ktoś nam albo źle wyjaśnił, albo sami źle zrozumieliśmy i wierzymy w nie, w te powłoki. W układzie okresowym wyróżniamy grupy i okresy. Numer okresu oznacza też liczbę powłok elektronowych atomu  - tak się uczymy. I póki rozpatrujemy okresy I, II, III i IV, to nic nas nie zaskakuje. Ot, w czwartym okresie mamy np. miedź, której atom ze względu na promocję jednego z elektronów w stanie podstawowym ma konfigurację [Ar]3d¹⁰4s¹ lub zgodnie z kolejnością obsadzania: [Ar]4s¹3d¹⁰. Z zapisu tego wynika, że atom miedzi (w stanie podstawowym) ma 4 poziomy energetyczne, czyli 4 „powłoki” albo „warstwy” elektronowe. Ostatnią „powłokę” zajmuje zaledwie 1 elektron, a konfigurację powłokową zapiszemy tak: K²L⁸M¹⁸N¹. Gdy rozpatrzymy następny okres, to pod miedzią znajduje się srebro, którego atomy, podobnie jak atomy miedzi, w stanie podstawowym mają promocję jednego elektronu, a zatem: [Kr]4d¹⁰5s¹ lub zgodnie z kolejnością obsadzania: [Kr]5s¹4d¹⁰. Czyli atomy srebra mają 5 tzw. powłok, ostatnią zajmuje tylko jeden elektron: K²L⁸M¹⁸N³²O¹. Póki co żadnych dziwnych rzeczy. Ale spójrzmy na sąsiedni pallad, którego atom w stanie podstawowym ma podwójną promocję elektronową. Zatem jego konfiguracja elektronowa nie jest taka jak wynika z reguł obsadzania: [Kr]5s²4d⁸ (lub [Kr]4d⁸5s²), bo 2 elektrony zamiast obsadzać podpoziom 5s obsadzają jeden z orbitali podpoziomu 4d i otrzymujemy: 4d¹⁰. A więc: czy konfiguracja atomu Pd w stanie podstawowym to [Kr]5s⁰4d¹⁰? Lub [Kr] 4d¹⁰5s⁰? No bo ile powłok elektronowych ma atom palladu? Piąty okres w końcu… To ma 4, czy 5 powłok, tylko ta ostatnia jest pusta? K²L⁸M¹⁸N³²O⁰ czy K²L⁸M¹⁸N³²?

No właśnie. A teraz przypomnijmy sobie, że atom nie ma żadnych powłok, żadna planeta ani gwiazda nie jest też przyklejona do jakiejś powłoki niebieskiej. Atom palladu ma więc obsadzone 4 poziomy energetyczne. Czyli K²L⁸M¹⁸N³². Nie ma pustej powłoki, bo nie ma powłok. Ale czy to oznacza, że konfiguracji palladu nie możemy zapisać tak: K²L⁸M¹⁸N³²O⁰? Możemy w ten sposób podkreślić, że jego konfiguracja odbiega od reguł obsadzania, co wnioskujemy po tym, że poziom O nie jest obsadzony przez elektrony. Ale z drugiej strony, to ponieważ to nie jest warstwa/powłoka, tylko że pusta, a po prostu nie ma elektronów od odpowiednio wysokiej energii, by krążyć w odpowiedniej odległości od jądra, to nie powinnyśmy tak pisać…. A zatem powinniśmy pozostać przy K²L⁸M¹⁸N³². Gdyby atom miał faktycznie jakieś powłoki, to jego rozmiar nie powinien zależeć od tego, czy rozpatrujemy promocję elektronową, czy też nie, np., w przypadku takiego Pd. Albo promień atomu żelaza powinien być ten sam jak kationów żelaza. Bo w końcu powłok tyle samo, tylko jedna pusta. Tak, jakbyśmy rozpatrywali, na ostatniej powłoce cebuli  nie żerują larwy śmietki cebulanki, ale sama ostatnia powłoka jest, tyle że wolna od larw. No chyba że powłoki elektronowe byłyby mniej lub bardziej napuchnięte z powodu odpychania się elektronów, czyli ich grubość zależałaby od liczby obsadzających je elektronów. Podobne rozterki napotkamy w przypadku atomu żelaza i jonów Fe²⁺ czy Fe³⁺ - no bo atom żelaza „ma” 4 "powłoki”: [Ar]4s²3d⁶ (lub [Ar]3d⁶4s²). A co z kationem np. Fe³⁺? No bo [Ar]4s⁰3d⁶ (lub [Ar]3d⁶4s⁰) czy po prostu [Ar]3d⁶? Poprawnie to po prostu [Ar]3d⁶, a powód już sobie wyjaśniliśmy – nie istnieje pusta powłoka. Kation żelaza Fe²⁺ to nie jest atom żelaza, z którego ostatniej powłoki wygryzły się 2 elektrony, jak gąsienice śmietki cebulanki z cebuli. Pojęcia powłoki elektronowej jako poziomu energetycznego oznaczającego jakaś odległość elektronu od jądra możemy używać jak pojęcia powłok niebieskich – jeśli jest ona obsadzona przez np. planetę, to możemy powiedzieć, że jest jakaś powłoka niebieska, która jest przez tę planetę obsadzona. Co oczywiście w obu przypadkach jest abstrakcją. Gdyby taki Neptun zechciał opuścić Układ Słoneczny, to ostatnią planetą byłby uran. A rozmiar Układu Słonecznego byłby mniejszy… Przecież Neptun po zostawi po sobie pustej sfery niebieskiej.

Na zakończenie - pod rozwagę: zadanie z jednego z popularnych wśród maturzystów zbiorów zadań. Po rozwagę :)

Ciekaw jestem, ile osób rozwiązujących to zadanie zaczęło się zastanawiać: ale jak to? Atom wodoru i więcej niż jedna powłoka elektronowa? Atom wodoru i wzbudzenie? A tak, właśnie. A czy podobne zadanie może się pojawić na prawdziwej maturze? Może :)

PS Jak można znaleźć w części źródeł Kopernik zdał sobie sprawę z tego, że sfery niebieskie nie istnieją, a Ziemia jest tylko jedną z planet (w teorii geocentrycznej nie była uznawana za planetę) i że Ziemię może czekać naturalna katastrofa z kosmosu (kroniki od starożytności zawierają opisy upadków meteorytów na Ziemię), a nie tylko biblijny Armageddon, co uznano za herezję. Uczeń Kopernika (Jerzy Joahim Retyk) zaczął się ukrywać i kilkukrotnie zmieniał miejsce zamieszkania, co miało związek zarówno z obawami o oskarżenie o herezję, ale przede wszystkim z oskarżeniem o homoksualizm - a za oba groziła mu kara śmierci. A miał jakby powody - ojca 14-letniego Retyka oskarżono o czary i ścięto. Ale zamiast humanitarnego ścięcia - Retykowi groziło spalenie na stosie. Ostatecznie osiadł w Krakowie i zbudował w Balicach obserwatorium astronomiczne, z obeliskiem  o wysokości niespełna 15 m w jego centrum. Obelisk ten został zniszczony w roku 1574 przez studentów Akademii Krakowskiej protestujących przeciw heretyzmowi, do czego zaliczano teorię Kopernika.

PS2 Jeden ze znajomych nauczycieli po przeczytaniu tego artykułu powiedział, że omawiał z uczniami eksperyment Rutherforda i zapytał uczniów, czemu atomy się nie przenikają, skoro są puste. To usłyszał odpowiedź, że to przez powłoki elektronowe.