Skaberværkets byggesten

INGEN kan undgå at blive overvældet af et bjerglandskabs ophøjede skønhed, at glæde sig over planter og træer med deres betagende farver og former og at beundre fugle, insekter og andre dyr, der hver har sine instinkter og vaner. Ja, det at skaberværket er så varieret og kompliceret er i sig selv forbløffende.

Tænker De nogen sinde over hvad hele denne mangfoldighed af smukke og ærefrygtindgydende ting i skaberværket består af? Hvad er skaberværkets byggesten? Hvordan er disse byggesten sammenføjet så de danner de talløse håndgribelige ting vi er omgivet af? Når vi betragter alt det skabte ser vi en verden der tilsyneladende består af massive bestanddele. Men det vil måske forbavse Dem at få at vide at alt dette er opbygget af byggesten der „består af“ 99,9 procent ingenting.

I tusinder af år har mennesker prøvet at løse gåden om hvad stof eller materie egentlig består af. En ordbog definerer stof som ’materiale hvoraf noget formes eller bygges’. Men hvad er det så selve stoffet er bygget af? Det er først i dette århundrede, ja i de sidste tredive-fyrre år, at videnskaben rigtig er begyndt at forstå stoffets grundlæggende struktur. Forskere har fundet frem til at alt hvad der er stofligt, hvad enten det er sten, planter, dyr, floder eller hvad som helst vi ellers kan opfatte med vore fem sanser, er opbygget af bestemte byggesten, der i sig selv består af tre forskellige grundpartikler.

Det antal der er af hver af disse tre grundpartikler i byggestenen — eller „atomet“, som det egentlig hedder — afgør hvilket atom det er og hvilke egenskaber det har.a

Men lad os begynde med definitionerne. Ved „atom.“ forstår vi „den mindste del hvori et grundstof kan deles, når grundstoffets egenskaber stadig skal bibeholdes“, og et „grundstof“ er blevet defineret som „[et] stof der ikke kan sønderdeles ved kemiske hjælpemidler“. Hvis vi for eksempel kunne tage en klump af det grundstof vi kalder guld og blive ved med at skære den ud i mindre og mindre stykker, ville vi til sidst nå dertil hvor vi umuligt kunne opdele den yderligere uden at guldet mistede sin oprindelige kemiske identitet. Den mindste enhed er atomet. Derudover kan man kun opdele atomet i de førnævnte grundpartikler, som kaldes protoner, neutroner og elektroner.

Protonerne og neutronerne vejer omtrent lige meget, og forskellen mellem dem er at protonen er positivt elektrisk ladet, hvorimod neutronen ikke er elektrisk ladet og derfor er neutral. I forhold til elektronerne er protonerne og neutronerne kæmpestore; deres masse er omkring 2000 gange større end elektronernes. De små elektroner har en negativ elektrisk ladning, og eftersom de altid i antal svarer til protonerne, er hele atomet elektrisk neutralt.

Disse tre grundpartikler danner de forskellige grundstoffers atomer, som er skaberværkets byggesten, og hvert grundstofs atomer har sit bestemte antal grundpartikler. Hvor mange grundstoffer er der? I lang tid troede man at der kun var fire grundstoffer — eller elementer, som man kaldte dem — nemlig luft, ild, jord og vand; men efterhånden som man fik større viden fandt man også frem til flere og flere grundstoffer. Nu er der opført over hundrede på listerne over grundstoffer, hvoraf nogle dog er kunstige og ustabile.

Men hvordan forholder det sig med de 99,9 procent „ingenting“? Hvis vi kunne se et enkelt atom af en af de ting der omgiver os, hvordan ville det så se ud? Hvilken struktur har det?

Atomernes struktur

Alle atomer har en kerne i midten der består af en kombination af protoner og neutroner, med elektroner der kredser i baner rundt om kernen. Den eneste undtagelse er det simpleste grundstofatom, nemlig brintatomet, der kun har en enkelt proton som kerne og en enkelt elektron der kredser rundt om den.

Vi kan nu for vort indre øje se en slags solsystem i miniatureudgave, hvor elektronerne i forholdsvis store baner kredser rundt om den lille, kompakte kerne, næsten ligesom planeterne der kredser rundt om solen. Dette mikrosolsystem er forskelligt for hvert grundstof, og det går igen i hvert atom af det samme grundstof. Tænk hvilken kraft og præcision der skulle til da alt dette blev frembragt! Tag for eksempel et kulstofatom, som vist på denne skematiske tegning:

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Et kulstofatom har en kerne med 6 protoner og 6 neutroner. Det har 6 elektroner, to i den inderste skal og fire i den yderste

Vi kan naturligvis ikke se et enkelt atom, da det jo er så uendelig lille. Hvert af disse små „solsystemer“ måler ikke meget mere end en fyrremilliontedel af en centimeter i diameter! Og atomkernen eller „solen“ måler ikke mere end en hundredtusindedel af hele atomets størrelse i diameter!

Når man tænker på at antallet af elektroner i atomerne kan variere fra én til over hundrede, afhængigt af hvilket grundstof der er tale om, er det da ikke imponerende at tænke på hvor vidunderligt hele denne indviklede opbygning virker, alt sammen inden for den utrolig lille plads hvert atom optager?

Det er en interessant tanke at alle håndgribelige og tilsyneladende massive ting, lige fra det grønne græs og køernes viftende hale til de vældige bjerge, er opbygget af millioner og atter millioner af disse bitte små atomer, som hver især for størstedelen „består af“ tomrum mellem kernen og de omkredsende elektroner. Ja, langt størstedelen af et atom er tomrum. Bogen „Stof og materie“ af Ralph E. Lapp siger: „Hvis hvert atom blev trykket sammen, så det ikke var større end sin kerne, ville hele Washington monumentet [169 meter højt] fylde mindre end en blyantspids.“

Elektronerne i hvert atom kredser i baner der kaldes „elektronskaller“, idet hver „skal“ betegner en bestemt afstand fra kernen. I de mere komplicerede atomer er der altså flere elektroner i kredsløb i disse „skaller“.

På tegningen til venstre er kulstofatomet for eksempel afbildet med to elektroner i den inderste skal og fire i den næste skal. Et aluminiumatom har to elektroner i den første skal, otte i den næste og tre i den yderste. Elektronerne bevæger sig altså ikke rundt på en forvirret og planløs måde; der er orden og system i det hele.

Eftersom vi gerne vil have at vide hvordan disse ’byggesten er sammensat så de danner alle de smukke ting vi glæder os over i naturen, er vi især interesseret i elektronerne, disse ufattelig små partikler. Hvorfor det? Fordi det er disse elektroner der, ved den måde hvorpå de er ordnet i kredsløb, afgør hvilke evner atomet har til at danne forbindelse med andre atomer. Denne evne til at danne forbindelse kaldes „valens“.

Atomerne danner forbindelse ved at låne

Efterhånden som forskningen af atomerne skred fremad, fandt man at ethvert grundstof der havde det fulde antal elektroner (som regel otte) i valensringen (den skal hvorfra elektroner „indlånes“ og „udlånes“) var meget stabilt; det vil sige at dette stof ikke så let ville indgå forbindelse med andre atomer. Disse stabile eller inaktive grundstoffer kaldes også „ædle“ luftarter — helium, neon, argon, krypton, xenon og radon.

Efterhånden begyndte man at kunne danne sig et billede af elektronskallerne i alle grundstofferne. Man fandt at atomerne havde tendens til at prøve at gøre den yderste elektronskal stabil. Valensteorien forklarer dette ved at vise hvordan atomerne skaffer sig en stabil yderskal enten ved at låne eller udlåne elektroner, eller ved at deles om elektroner med andre atomer. Et grundstof der har syv elektroner i den yderste skal, som for eksempel klor, kan låne en elektron fra et grundstof der har én elektron i den yderste skal, som for eksempel natrium. Betragt følgende diagram der viser hvordan dette foregår:

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Natrium- og kloratom indgår forbindelse

Natrium Klor + ÷

Atomer (kun yderste elektronskal vist)

Ioner — danner natriumklorid

Natrium — et blødt, sølvhvidt metal som blev opdaget i 1807 — er et yderst aktivt grundstof som reagerer voldsomt når det kommer i forbindelse med vand. Det har i alt elleve elektroner, idet skallerne har henholdsvis to, otte og én. Klor, der blev opdaget i 1774, er en grøngul luftart. Den har været benyttet som blegemiddel, som desinfektionsmiddel og også som giftgas. Kloratomet har sytten elektroner, fordelt med henholdsvis to, otte og syv i tre skaller. Diagrammet, der kun viser den yderste elektronskal, fortæller hvordan disse byggesten indgår forbindelse, og hvad resultatet af denne forbindelse bliver.

Kloratomet låner en elektron af natriumatomet, og derved bliver kloratomet negativt ladet fordi det modtager en ekstra elektron, mens natriumatomet bliver positivt ladet. Disse elektrisk ladede atomer, som kaldes „ioner“, tiltrækker hinanden på grund af deres modsatte ladning, og de slår sig sammen og danner den forbindelse der kaldes natriumklorid — almindeligt køkkensalt.

Af to forskellige byggesten, der hver har sine egenskaber og overhovedet ikke minder om salt, får vi altså det almindelige salt der er så livsvigtigt for os. Overflytningen af en enkelt elektron danner et helt nyt stof! En kombination (binding) af denne art kaldes en elektrovalent binding eller ionbinding.

Forbindelse ved hjælp af fælles elektroner

En anden type binding er den såkaldte kovalente binding. Ved denne type binding deles de forskellige atomer om de elektroner der skal til for at de yderste elektronskaller kan blive stabile. Et eksempel på dette har vi i det der sker når to kulstofatomer, seks brintatomer og et iltatom tilsammen danner et molekyle af ætylalkohol, som er den berusende bestanddel der findes i visse drikkevarer. De kovalente bindinger i hvert par af „fælles“ elektroner vises ved hjælp af en streg i følgende skematiske tegning:

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Ætylalkohol-molekyle

C: Kulstofatom

H: Brintatom

O: Iltatom

Ved således at deles om elektronpar får kulstofatomerne og iltatomet en stabil yderskal på otte elektroner, og brintatomerne får en yderskal med to elektroner.

Mere komplicerede samspil

Samspillet og tiltrækningen mellem de forskellige atomer bliver naturligvis endnu mere kompliceret når det drejer sig om dannelsen af de mere indviklede molekyler der danner organiske forbindelser, det vil sige molekyler der indeholder kulstof. Et eksempel på disse organiske stoffer vil belyse dette. Her følger en skematisk tegning af opbygningen af et molekyle af det forbløffende stof der kaldes klorofyl:

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Molekyle af klorofyl „a“.

H: Brintatom (72)

C: Kulstofatom (55)

O: Iltatom (5)

N: Kvælstofatom (4)

Mg: Magniumatom (1)

Tænk engang: Her er 72 brintatomer, 55 kulstofatomer, 5 iltatomer, 4 kvælstofatomer og 1 magniumatom — hvoraf nogle i forvejen er sammensat i „præfabrikerede“ enheder — bygget sammen til at danne ét molekyle af klorofyl, et af planternes vigtigste pigmenter. Det er klorofylet der gør planterne grønne og giver dem deres vidunderlige evne til at omdanne solens stråleenergi til kemisk energi som de kan udnytte.

Kan De forestille Dem det utrolig komplicerede samspil der kræves mellem elektronerne mens de hvirvler rundt om atomkernerne og knytter de forskellige atomer sammen, så de udgør bare ét eneste klorofylmolekyle? Når man tænker på at der skulle millioner af sådanne molekyler til for bare at dække det punktum der afslutter denne sætning, så kan ens beundring af Ham der udtænkte alt dette kun blive større og dybere.

Videnskaben er kun lige begyndt at forstå hvordan og hvorfor de forskellige byggesten knyttes sammen, men man ved at der er visse faste og ordensprægede love der styrer samspillet. Videnskabsmænd kan ikke undgå at beundre den ufattelig komplicerede måde hvorpå de indviklede levende celler samler disse stoffer, der i forvejen er komplicerede, og deraf danner den rigdom af plante- og dyreliv vi ser på jorden.

Det fremgår af følgende diagram hvordan hele det pragtfulde skaberværk er bygget op af atomerne, der er så små at de simpelt hen ikke kan ses:

[Diagram]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

Tre grundpartikler

protoner

neutroner

elektroner

Atomer

over 100 grundstoffer

Forbindelser

uorganiske og organiske

Alt stof

levende og ikke-levende

Se Dem om, og tænk over hvilken visdom og intelligens der skulle til for at frembringe alle de materielle ting vi kender, lige fra det allermindste sædekorn til det uendelige univers — og det hele er bygget op af byggesten der „består af“ 99,9 procent ingenting.

● Hvis man fyldte en tekop med tætpakkede atomkerner ville massen af indholdet være 10 milliarder tons eller det samme som massen af 100.000 velvoksne atlanterhavsdampere. — Atomet og universet, Asger Lundbak.

[Fodnote]