Med jämna mellanrum hamnar man i situationer där någon frågar en vad man arbetar med. Svarar man då "Jag är doktorand i fysik" så kan man räkna med att det inte säger folk så mycket. Det är inte konstigt, speciellt inte eftersom fysikdoktorander kan göra många olika saker. Så när jag får den frågan brukar jag tillägga något i stil med: jag arbetar med matematiska modeller av olika material, modeller som beskriver hur atomerna i materialet sitter ihop. Utifrån de modellerna kan man räkna ut vad materialet har för egenskaper. Just nu kollar jag på ett material som heter barium-zirkonium-oxid som man hoppas kunna använda i bränsleceller i framtiden.
Jag tänkte gå in på lite mer detaljer här och jag tänkte börja med "hur atomerna sitter ihop".
En atom består av en atomkärna, som är liten, tung och positivt laddad, och elektroner som är små, lätta och negativt laddade. Elektronerna finns någonstans runt kärnan, i form av vad man kallar ett elektronmoln. Beroende på var de oftast är i förhållande till kärnan, alltså var det är mest sannolikt att hitta dem, är de olika starkt bundna till kärnan. De som har svagast bindning till kärnan, eller sitter "längst ut", kallas valenselektroner.
Valenselektroner är intressantare än andra elektroner för att de avgör hur atomen sitter ihop med sin omgivning. Alla atomer vill nämligen ha åtta valenselektroner, som bildar vad man kallar ett fullt skal eller ädelgasskal (undantaget är väte och helium, de två lättaste grundämnena, som kan nöja sig med två). Natrium till exempel har en valenselektron, och under den ett fullt skal. Den kan lätt ge ifrån sig sin yttersta elektron och bilda en positivt laddad natriumjon. Å andra sidan finns det ämnen som klor, som har sju valenselektroner. Klor tar gärna upp en elektron och bildar en negativt laddad kloridjon. Positivt och negativt laddade joner dras till varandra, och därför sitter natriumjoner och kloridjoner ofta ihop som natriumklorid, alltså vanligt koksalt som man kan hälla i pastavattnet.
Apropå vatten så är det inte alltid elektronerna behöver lämna en atom helt och gå över till en annan för att man ska få ett stabilt tillstånd. Väte har en enda elektron, syre har sex valenselektroner. I vatten, som består av två väte och en syre, delar atomerna på vätenas valenselektroner och två av syrets valenselektroner (elektroner hänger gärna ihop två och två i sådana sammanhang). Resultatet är en väldigt stark så kallad kovalent bindning, där elektronerna som delas mellan atomerna ofta befinner sig mellan atomkärnorna och därför håller ihop dem (de positiva atomkärnorna dras till de negativa elektronerna).
Förutom att skapa joner och kovalenta bindningar kan valenselektroner bidra till något som kallas metallbindning också. Som namnet antyder finns den sorten mest i metaller. Den påminner om kovalent bindning, förutom att alla atomer i metallen delar på alla valenselektroner. Det gör att bindningen blir lika stark i alla riktningar, istället för att vara riktningsberoende som den kovalenta bindningen.
Det finns några bindningar som inte är lika direkt beroende av just valenselektronerna. En är vätebindningen, som uppstår när väte är bundet exempelvis till syre. Valenselektronerna kommer att vilja sitta lite närmre syret än vätet, så syret blir lite negativt laddat och vätet lite positivt. Andra molekyler i närheten kommer då att vilja ha sina negativa delar vända mot vätet och positiva mot syret. Det skapar en bindning mellan molekylerna, men den är svagare än till exempel kovalent bindning. En ännu svagare bindning uppstår mellan molekyler som inte har en positiv och en negativ del, men där elektronerna flyttar lite på sig och skapar tillfälliga positiva och negativa laddningar. De laddningarna kommer då att påverka omgivningen och få molekylerna att hänga ihop.
Så, det var det. Nästa gång ska jag skriva om mina datormodeller och vad man ska ha dem till.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar