Det kan vara svårt att förstå hur vi kan se något så otroligt litet som en atom! Inom fysiken använder vi ofta modeller. Med ”modeller” menar vi att vi har tänkt ut hur något borde fungera. Eftersom verkligheten är komplicerad förenklar vi också oftast saker när vi gör våra modeller. För att se hur bra vår modell är går vi sen ut i verkligheten och testar hur bra den stämmer mot vad som faktiskt händer. Om verkligheten inte uppför sig som modellen förutsett så får vi tänka lite mer, och göra en ny modell som passar bättre med vad som faktiskt hände. Många gånger behöver man vara lite klurig för att komma på hur man ska testa om modellen stämmer eller inte. Atomen är ett bra exempel på hur fysiker arbetar med modeller. Länge tänkte man sig atomen som ett litet, odelbart klot. Modellen för atomen var helt enkelt den minsta del som man kommer fram till om man delar sin kaka om och om igen, tills det inte längre går att dela den.

Runt mitten av 1800-talet började man fundera på atomernas kemiska egenskaper, alltså hur de reagerar med varandra. För att förklara detta föreslogs att atomerna kunde ha en elektrisk laddning. En av teorierna var att det kunde finnas en negativt laddad partikel som var väldigt mycket mindre än atomen, en elektron.

Den brittiske fysikern J. J. Thomson (1896-1940) blev den som till slut kunde visa att elektroner finns, vilket han fick Nobelpriset för 1906. Thomson föreslog en ny modell för atomens inre struktur. I den modellen är de negativt laddade elektronerna jämt fördelade inuti ett positivt laddat klot, ungefär som chokladbitar i en cookie-dough-boll. Redan här kunde man alltså se att atomen inte var den minsta byggstenen i universum, utan själv består av flera delar.

[illustration Thomsons atommodell, tex https://en.wikipedia.org/wiki/Plum_pudding_model]

 Thomsons atommodell kunde förklara en hel del av atomernas kemiska egenskaper. Den förklarade också deras elektriska egenskaper. Men så småningom dök det upp experiment med resultat som Thomsons modell inte kunde förklara.

Ett av de experimenten handlade om ljus. Om man tar en tub fylld med vätgas och låter en elektrisk ström gå genom röret, så kommer gasen att lysa. Om man sen använder ett prisma för att dela upp ljuset kan man se att det består av fyra olika ”linjer” av ljus i det intervall där vi kan se med våra ögon (400-600 nm [Blålänk: 1 nm = 1 namnometer, 10-9 m). Dessa så kallade spektrallinjer har bestämda våglängder på ungefär 656 nm (röd), 486 nm (ljusblå), 434 nm och 410 nm (violett). Hade vi gjort samma experiment med en annan gas, så hade vi sett andra spektrallinjer. För natrium finns det till exempel två mycket tydliga linjer runt 589 nm i det synliga spektrumet. En av de som hittade på formler för att beräkna ämnens spektrallinjer var den svenske fysikern Johannes Rydberg (1854-1919).

[bild, helst foto: Spektrallinjer i det synliga området för väte respektive natrium]

Alla ämnen har olika spektrallinjer, och därför fungerar de som ett slags fingeravtryck. Den egenskapen ligger till grund för ett forskningsområde som heter spektroskopi, där man studerar till exempel vad olika stjärnor består av för ämnen. Det är också en egenskap som inte går att förklara med Thomsons atommodell. [Till högerspalt: Läs mer om spektroskopi och spektrallinjer [länk till var vi nu skriver om det ]]

En annan egenskap som inte kan förklaras med Thomsons atommodell dök upp när Ernest Rutherford (1871-1937) och hans assistenter gjorde ett experiment för att undersöka atomens inre struktur. De sköt alfapartiklar [Blåtext eller högerspalt: Alfapartikeln består av två protoner och två neutroner, och är positivt laddad.] mot en tunn guldfolie, och registrerade var de hamnade med hjälp av en partikeldetektor. Tanken var att se hur guldatomerna skulle påverka de positivt laddade alfapartiklarnas väg.

I Thomsons atommodell ligger de negativa elektronerna ”inbakade” i en positiv sfär. Man tänkte sig då att de relativt små alfapartiklarna skulle passera ganska ostörda genom guldfoliens stora atomer. Men det som faktiskt hände var att även om de flesta av alfapartiklarna passerade mer eller mindre rakt igenom folien, så var det en del som böjde av olika mycket. Några till och med ”studsade” mot guldatomerna. För att förklara det resultatet började man istället tänka sig att det finns en mycket liten kärna inuti atomen där all den positiva laddningen sitter. Den lilla kärnan skulle då påverka alfapartiklar som kommer nära den mycket, medan partiklar som passerar längre ifrån påverkas mindre.

[Film där alfapartiklar skickas mot en kärna och sprids i olika vinklar, beroende på hur nära de kommer kärnan]

Den första atommodell som kunde förklara både Rutherfords spridningsexperiment och grundämnens spektrallinjer kom från den danske fysikern Niels Bohr (1885-1962). Han började med kunskapen att det finns en atomkärna, och lät sen elektroner röra sig i runda banor kring den. Andra forskare hade tidigare föreslagit att elektronerna rör sig som planeter kring en stjärna, men en sån modell av atomen bryter mot lagen om energins bevarande. Exakt hur behöver vi inte gå in på här, utan det viktiga är att Bohr löste det genom att föreslå att varje elektron i en bana har en energi som är specifik för just den banan. Man säger att banornas energinivåer är kvantiserade. Ju längre ut en bana ligger, desto högre är energinivån. Bohrs atommodell går vi igenom i mer detalj i huvudkapitlet [länk till 1 bii) En modell för atomen].

[Illustration: Bohrs atommodell - Cirkulära banor av elektroner kring en kärna. Banorna har olika energinivåer]

Bohrs atommodell fungerar bra för väteatomen som bara har en elektron. Men den är inte tillräcklig för att beskriva mer komplicerade atomer med många elektroner. Ett av problemen är idén om bestämda banor där elektroner snurrar runt kärnan. När elektronerna blir fler blir det snabbt väldigt komplicerat, och Bohrs modell slutar fungera. För att gå vidare behöver man ta hjälp av kvantfysik, något som beskrivs av Schrödingerekvationen. Den är döpt efter fysikern Erwin Schrödinger (1887–1961) som, tillsammans med andra, använde avancerad matematik för att införa en modell av atomen som kan ta vid och förklara observationer som Bohrmodellen inte kan.

Ett annat problem är själva atomkärnan. Vi vet att lika laddningar stöter bort varandra, så hur kan det komma sig att de positiva protonerna i kärnan inte gör det? Svaret på det är att det finns en kraft som kallas för den starka kärnkraften. Den fungerar bara på väldigt små avstånd, som till exempel inuti en atomkärna, men på de avstånden är den starkare än den elektromagnetiska kraften.

Nu är vi inne på det som kallas kvantmekanik eller kvantfysik, och det ligger långt utanför högstadiets fysik. För den fysik vi lär oss här räcker Bohrs atommodell utmärkt.