En bedre modell som forklarer naturen?

(Ikke ferdig)

Forståelse er målet for en forklaringsmodell

For at man skal forstå naturen trenger man en modell av naturens byggesteiner; atomene. Ifølge tradisjonelle lærebøker består atomene av en positiv kjerne og elektroner som går i bane rundt omtrent slik som figuren til høyre antyder. (Den er hentet fra en nettside). Bakgrunnen for at elektronene beveger seg rundt kjernen var at man trengte en mekanisme som hindret de negative elektronene å bli trukket helt inn i kjernen. I dag er vel alle enige om at denne atommodellen er dårlig, men begrunnelsen for å bruke den er da at man ikke har noe bedre. I tillegg til at denne atommodellen viser ting som vi positivt vet må være feil, så gir den heller ikke svar på endel spørsmål som naturlig dukker opp. Hva slags krefter er det f.eks. som virker i kjernen, mellom atomene i kjemiske bindinger og i ulike aggregattilstander (fast stoff/væske og gass)  ol. Mangel på slik svar har igjen ført til at man bruker ulike modeller som ofte er vanskelige å kombinere når man forklare ulike sider ved den samme naturen. Et eksempel er kinetisk gassteori som har som mål å forklare ulike egenskaper ved gasser, men som har problemer med å forklare tilsvarende fenomen i væsker og fast stoff.

Til høyre vises et øyeblikksbilde av en av de mange animasjonenene vi kan finne på internett som illustrerer sammenhengen mellom temperatur og den antatte bevegelsen til luftmolekylene. De 50 røde prikkene, som er luftmolekyler, vil i animasjonen beveger seg hele tiden på en tilfeldig måte og støter elastisk mot veggene i beholderen. Jo høyere man stiller temperaturen jo raskere beveger partiklene seg.

Generelt kan man si at denne modellene kan forklare noe, men et kjennetegn på dem er da at de også reiser mange nye spørsmål som de ikke gir noe svar på. Problemstillingen her er da om det er lurt å bruke disse modellene i skoleverket. Her vil vi kort presentere EM-modellen som da representerer en alternativ forklaringsmodell som kan brukes i disse og andre sammenhengen. Fordelen med denne modellen er at samme modell kan brukes til å forklare vidt forskjellige naturfenomen.

EM-modellens forklaring av det kinetisk gassteori kan forklare

En annen presentasjon av EM-modellen her.

Ved normale temperatur og trykkforhold synes de fleste gasser å følge tilstandslikningen (PV=konstant·T) og kinetisk gassteori kan da forklare denne sammenhengen om man tenker seg at gassmolekyelene er ellastiske partikler som beveger seg med svært høye hastigheter. Her vil vi kort vise hvordan EM-modellen forklarer tilstandslikningen.

For oversiktens skyld vil vi først nevne at gasser ved normalt trykk har en tetthet som er ca 1/1000 del av tettheten til de samme stoffene når de er i fast eller flytende form. Figuren til høyre viser da at avstanden mellom partiklene (atomene/molekylene) vil bli 10-doblet når væske går over til gass. Dette er da en relativt stor avstand. Om vi f.eks. stenger litt luft inn i en engangsprøyte og trykker på stempelet vil vi oppleve at luften "fjærer", og det mest nærliggende er da å tenke seg at luften fungere som ei fjær som da er et elastisk stoff. Dette forutsetter imidlertid at det er frastøtingskrefter mellom partiklene, og i utgangspunktet kan det være litt problematisk å tenke seg hva slags krefter det i tilfelle er snakk om, siden de tilsynelatende virker mye lenger enn de andre kreftene som virker internt i faste stoff og væsker.

 Ifølge EM-modellen er det elektriske frastøtingskrefter mellom negative elektroner som summerer seg opp til den faskyvingskraften vi f.eks. kjenner når vi presser sammen luft. Generelt er luftpartiklene elektrisk nøytrale og grunnen til at vi likevel får elektriske fraskyvingskrefter har med geometri å gjøre. Her vil vi da gi en kort innføring i hva som skiller partilkene i gasser fra pratiklene i væsker og faste stoff.

Karbon er vanligvis et fast stoff (Solid)
Figur 1) til høyre viser et karbonatom med ladninger og felt slik man kan tenke seg det ifølge EM-modellen. I sentrum av den aktuelle "klumpen" vil det da være en overvekt av positive ladninger, mens negative ladninger dominerer i ytterkanten av atomet. Disse ytre elektronene vil da være litt magnetiske og det er da tilhørende magnetiske krefter som hindrer at elektronene blir trukket lenger innover mot den positive kjernen. Elektronene balanserer da mellom en elektrisk tiltrekning og en magnetisk fraskyving i radiell retning, men langs "overflaten" av atomet er det relativt små krefter som virke. I utgangspunktet skulle man kanskje tro at de 4 ytre elektronen i et karbonatom ville plassere seg i 4 hjørner fordi de har samme ladning. Ifølge EM-modellen er det da ikke tilfelle og grunnen er at hvert av eletronene er små magneter. Også erfaring med vanlige magneter viser at magneter har en tendens til å klumpe seg samme to og to, og det vil da gjøre at de magnetiske kreftene nøytraliseres utad.

I figur 2) viser man da en alternativ måte å tegne karbonatomer hvor den positivt dominerte kjernen er tegnet som en rød kule, mens de 4 ytre elektronene er tegnet på vanlig måte. For å gjøre modellene enklere har vi her valgt å sløyfe de elektriske og magnetiske feltene, men det er da viktig å tenke at de fortsatt eksisterer selv om vi ikke kan se dem. Figurene viser da at elektronene har klumpet seg sammen to og to. Karbon er et fast stoff under normale forhold og grunnen er da følgende:

Kjennetegn på en ikke-gass: I en gass vil det som nevnt ovenfor være elektrisk fraskyving mellom partiklene, men det gjelder da ikke væske og fast stoff. Merk først at de magnetiske kreftene (~1/d³) fra de ulike partiklene virker mye kortere enn de elektriske kreftene (~1/d²), og når det er snakk om å finne ut hvilke stoff som vil klumpe seg samme (som væske/fast stoff) eller sprees (som gass), så kan vi se bort fra de magnetiske kreftene her. Om vi tenker oss at vi er plassert nær et  karbonatom så vil vi utfra figurene ovenfor relativt lett se at det er to mulige plasseringer som gir ulike elektriske krefter. Om vi plasserer oss under det første atomet (2a) så vil det oppleves positivt. En positiv ladning plassert under dette atomet vil altså gi fraskyving. I det andre tilfellet (2b) vil vi få motsatt virkning. Dette har da sammenheng med at det elektriske feltet rundt ulike ladninger vil variere som 1/d² og et betyr at de ladningene som befinner seg nærmest vil dominere over dem som befinner seg lenger borte. Selv om vi i dette tilfellet kan tenke oss at karbonatomer vil fraskyve hverandre i visse tilfeller, så vil det i praksis skje en vridning slik at det vil være de elektriske tiltrekningskreftene som vil dominere mellom karbonatomer. I eksemplet ovenfor vil f.eks. de to karbonatomene tiltekkes og vi får da et fast stoff. Nå forekommer karbon i ulike bindinger (i diamant og grafitt), men poenget her er da bare at løse karbonatom ikke vil oppføre seg som en gass hvor enkeltpartiklene fraskyver hverandre. .

 Nitrogen er vanligvis en gass (gas) 
Nitrogen følger etter karbon i det periodiske systemet, og årsaken til at nitrogen er en gass under normale forhold har sammenheng med et ekstra elektron omkring kjernen (til sammen 5 elektron ytterst). Figur 1) til venstre viser da hvordan vi kan tenke oss at nitrogen-atomet ser ut. Hadde nitrogen-atomene eksistert som enkle nitrogen-atom i naturen, så ville sannsynligvis også nitrogen vært et fast stoff. Problemet med det aktuelle atomet er da at enslige elektronet (unpaired elektron) vil virke som en magnet i forhold til andre stoff. Det som da naturlig vil skje er at et annet nitrogenatom kobler seg sammen med det første. Figure 2) viser da en tredimensjonell figur av hvordan man kan tenke seg de aktuelle ladningene vil plassere seg i forhold til hverandre. Et elektronpar vil inngå som bindingselektron og de er da tegnet mellom de to atomkjernene. De resterende 4 elektronparene vil da plassere seg omkring som hjørnene i et tetraeder.

 Kjennetegn på en gass: I en gass vil det være elektrisk fraskyving mellom partiklene uansett hvilke veg man vrir dem i forhold til hverandre. Dette vil da være tilfelle i alle tilfellene til venstre bortsett fra karbon. Poenget er da at de aktuelle elektronparene vil fordele seg omkring atom- eller molekyl-kjernene på en slik måte at de vil oppleves som negativt ladet fra alle vinkler. I dette tilfelle vil man da få det man opplever i praksis at en gass fyller alt rom den får tilgang på. I prinsippet kan vi tenke oss at gassmolekylene ligger tilnærmet i ro med tilnærmet lik avstand mellom hverandre, men i praksis vet vi at det foregår en forholdsvis omfattende tilfeldig omplassering av molekyl i en gass, men dette vi ikke gå videre inn på her.

 I stedet vil vi kort vise figurer av et par andre stoff som opptrer som gass under relativt vanlige betingelser. I praksis vil hydrogen alltid opptre som gass, og en måte å forklare hvorfor er å tenke seg at 6 hydrogen-atom kobler seg sammen slik som figur 2) viser. Da vil man oppleve at denne sammenstillingen vil fremstå som negativt ladet i alle vinker.

Vann er på den andre siden et stoff som opptrer som gass når temperaturen overstiger 100°C (ved normalt trykk). I figur 1) har man et tetraeder hvor hvert hjørne er negativt selv om de to protonene fra hydrogenatomene vil redusere ladningene på to av hjørnene. Uten at vi vil gå inn på det her, så er det mulig å tenke seg at en reduksjon av temperaturen vil skape en liten omplassering av de viste elektronene og protonene som da gjør at de to hjørnene hvor protonene er plassert ikke lenger vil fremstå som tilstrekkelig negative, og det vil da gjøre at vannmolekylene opplever elektriske tiltrekning og klapper sammen til vann.

Sammenhengen mellom trykk og volum
Det som er nevnt ovenfor gir da en mulig mekanisme som kan forklare hvorfor trykket øker når volumet minker og omvendt. Det er altså snakk om elektriske krefter mellom gassmolekylene som øker når gassmolekylene blir tettere. Nå er det i dette tilfelle ikke snakk om en nøyaktig 1/d²-sammenheng, slik som man får omkring elementærladninger, og forklaringen er da at en sammenpressing av gass også vil føre til intern sammenpressing av gassmolekylene. Dette vil så igjen endre de elektriske egenskapene til gassmolekylene og her vil vi bare oppsummere med å si at summen av alle de elektriske kreftene gir verdier som er tilnærmet i samsvar med tilstandslikningen.

Sammenheng mellom temperatur og volum
Generelt vil vi her si at temperatur er et uttrykk for vibrasjon i ladninger og her vil vi da konsentrere oss om elektron-vibrasjoner.  Protoner og kjerner er mye tyngre enn elektroner og følgelig vil de ikke bli så lett påvirket av elektromagnetiske bølger i omgivelsene.