Atomer er byggestenene i kemien og i vores univers. De udgør grundstofferne, planeterne, stjernerne og dig. At forstå atomer, hvad de er lavet af, og hvordan de interagerer med hinanden, kan forklare næsten alt, hvad der sker i kemiske reaktioner i laboratoriet og i naturen.
Bill Bryson skrev, at hver enkelt af os kunne bestå af milliarder atomer, som engang havde tilhørte William Shakespeare. Wow, tænker du måske: “Det er en masse døde Shakespeare-atomer.” Nå, det er det, og det er det ikke. På den ene side handler en milliard (1.000.000.000) om det antal sekunder, som hver af os vil have levet på vores 33-års fødselsdag. På den anden side er en milliard antallet af salt korn, der ville fylde et almindeligt badekar, og mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af antallet af atomer i hele din krop. Dette forklarer på en eller anden måde, hvor lille et atom er – der er over en milliard gange en milliard gange en milliard bare i dig – og antyder, at du ikke engang har nok døde Shakespeare-atomer til at det svarer til en hjernecelle.
Livet er en fersken
Atomer er så små, at det indtil for nylig var umuligt at se dem. Dette har ændret sig med udviklingen af mikroskoper med superhøj opløsning, hvor australske videnskabsmænd i 2012 var i stand til at tage et foto af skyggen fra et enkelt atom. Men kemikere behøvede ikke altid at se dem for at forstå, at atomer på et grundlæggende niveau kunne forklare det meste af det, der foregår i laboratoriet og i livet. Meget af kemien handler om aktiviteterne af endnu mindre, subatomære partikler kaldet elektroner, som udgør atomets ydre lag.
Hvis du kunne holde et atom i hånden som en fersken, ville stenen i midten være det, der kaldes kernen, indeholdende protonerne og neutronerne, og det saftige kød ville bestå af elektroner. Faktisk, hvis din fersken virkelig var som et atom, ville det meste af det være kød, og dens sten ville være så lille, at du kunne sluge den uden at bemærke det – det er så meget af atomet, der optages af elektroner. Men kerne er det, der stopper atomet fra at gå fra hinanden. Den indeholder protonerne, positivt ladede partikler, der har lige nok tiltrækning til, at de negativt ladede elektroner stopper dem med at flyve i alle retninger.
Hvorfor er et iltatom et iltatom?
Ikke alle atomer er ens. Du har måske allerede indset, at et atom ikke deler så mange ligheder med en fersken, men lad os udvide frugtanalogien yderligere. Atomer findes i mange forskellige varianter eller smagsvarianter. Hvis vores fersken var et iltatom, så kunne en blomme f.eks. være et kulstofatom. Begge små kugler af elektroner, der omgiver en proton kerne, men med helt forskellige egenskaber. Oxygenatomer flyder rundt i par (O2), mens kulstof klæber sammen i massevis for at lave hårde stoffer som diamant og blyantspidser (C). Det, der gør dem til forskellige elementer, er deres respektive antal protoner. Oxygen med otte protoner har to mere end kulstof. Virkelig store, tunge grundstoffer som seaborgium og nobelium har mere end hundrede protoner i hver af deres atomkerner. Når der er så mange positive ladninger proppet ind i kernens forsvindende lille størrelse, som hver frastøder hinanden, bliver ligevægten let forstyrret, og tunge grundstoffer er ustabile som et resultat.
Normalt vil et atom, uanset dets smag, have det samme antal elektroner, som det har protoner i sin kerne. Hvis en elektron forsvinder, eller atomet får en ekstra, balancerer de positive og negative ladninger ikke længere hinanden, og atomet bliver det, kemikere kalder en ‘ion’ – et ladet atom eller molekyle. Ioner er vigtige, fordi deres ladninger hjælper med at holde alle mulige stoffer sammen, såsom natriumklorid bordsalt og calciumkarbonat kalk.
Livets byggeklodser
Udover at udgøre ingredienser til køkkenskabe, danner atomer alt, hvad der kravler eller ånder eller slår rødder, og de bygger forbløffende komplekse molekyler som DNA og de proteiner, der danner vores muskler, knogler og hår. Det gør de ved at binde sig med andre atomer. Det interessante ved alt liv på Jorden er imidlertid, at det på trods af dets enorme mangfoldighed uden undtagelse indeholder et bestemt atom: kulstof.
Fra bakterier, der klamrer sig til livet omkring rygende varme åbninger i de dybeste, mørkeste dele af havet til fugle, der svæver på himlen ovenover, er der ikke en levende ting på planeten, der ikke deler det element, kulstof, til fælles. Men fordi vi endnu ikke har opdaget liv andre steder, kan vi ikke sige, om det var tilfældigt, at livet udviklede sig på denne måde, eller om livet kunne trives ved at bruge andre typer atomer. Science-fiction-fans vil være godt bekendt med alternative biologier – siliciumbaserede væsener har optrådt i Star Trek og Star Wars som fremmede livsformer.
Atom for atom
Fremskridt inden for nanoteknologi, der lover alt fra mere effektive solpaneler til lægemidler, der søger og ødelægger kræftceller, har bragt atomets verden i skarpere fokus. Nanoteknologiens værktøjer fungerer i en skala på en milliardtedel meter – stadig større end et atom, men i denne skala er det muligt at tænke på at manipulere atomer og molekyler individuelt. I 2013 lavede IBM-forskere verdens mindste stop-motion-animation med en dreng, der leger med en bold. Både drengen og bolden var lavet af kobberatomer, alle synlige individuelt i filmen. Endelig begynder videnskaben at arbejde i en skala, der matcher kemikerens syn på vores verden.
