Í greinaflokknum stikla ég á stóru í sögu fræða öreindanna. Mér gefst ekki rúm til að gera grein fyrir öllu eða öllum, því læt ég mér nægja að taka fram þá hluta sögunnar sem mér þykja mestu skipta eða varpa bestu ljósi á fræðin.

Hugmyndin um óskiptanlega grunneiningu efnis hefur verið til frá örófi alda. Glöggir eftirlifendur grunnskólamenntunar muna kannski eftir Demókrítos, gríska heimspekingnum, sem þremur öldum f. Kr. hélt því fram að efni væri úr því sem hann kallaði atom, sett saman úr gríska forskeytinu a- (ó) og sögninni tom er merkir klippa.

Brownísk hreyfing veldur titringi
Í þá daga var kenningin vitanlega allsendis óstaðfestanleg og heyrði því öldum saman undir heimspeki. Við tökum því stórt stökk fram í tíma, undir smásjá grasafræðingsins Roberts Brown árið 1827. Hann tók eftir því að þegar hann setti plöntufrjó í vatn virtust þau tifa óreglulega þótt vatnið væri stöðugt. Þetta fyrirbrigði olli töluverðu kollklóri hjá vísindamönnum, enda var hreyfingin fullkomlega óskipuleg.
Það var ekki fyrr en árið 1905 að Albert nokkur Einstein, sem það sama ár hafði afhjúpað eðli ljóss og myndi nokkrum mánuðum síðar sýna fram á sértæku afstæðiskenninguna og að E=mc^2, lagði fram þá kenningu að tif smásærra frumeinda sem vatnið væri gert úr ylli hreyfingu kornanna. Ekki leið á löngu áður en kenningin um frumeindina var viðtekin.

Vandræðagangur Thomsons
Staðfesting tilvistar frumeindarinnar var gleðiefni fyrir eðlisfræðinga. Nokkrir hnökrar voru þó á kenningunni. Frumefnin voru þekkt og fræði þess dags gerðu ráð fyrir því að þau væru grunnbyggingareiningar efnis. Það kom þó ekki heim og saman við tilraunir Bretans J. J. Thomson, sem hafði sýnt fram á tilvist rafeindarinnar árið 1897.

Thomson notaði lofttæmdan glerhólk, á öðrum endanum var rafskaut og á hinum var glerið húðað að innan með málningu sem lýsti þegar rafeindir skullu á því. Tilraunir hans sýndu straum rafeinda skjótast í gegnum hólkinn. Hann gat beitt rafsviði á rafeindastrauminn og þannig sveigt braut hans. Hann áætlaði út frá tilraununum að rafeindirnar hlytu að spretta úr skautinu (sem vissulega var gert úr heilum frumeindum).

Tilraunir Thomsons spilltu fyrir einfalda frumeindamódelinu. Frumeindirnar hlutu að vera eins konar jákvæður sjór og neikvætt hlöðnu rafeindirnar hlutu að synda í honum.

Skapmikill Nýsjálendingur gerir málin einfaldlega flókin
Áður en ég get sagt ykkur hvernig Nýsjálendingurinn Ernest Rutherford steig næsta skref þarf ég að svindla og kíkja á síðustu síður sögunnar og kynna ykkur fyrir geislavirkni.

Geislavirkni var mikið áhugamál vísindamanna um aldamótin 1900. Þrjár tegundir geislunar höfðu verið uppgötvaðar en vegna þekkingarleysis síns skýrðu eðlisfræðingar þær eftir fyrstu grísku bókstöfunum í styrktarröð frá veikustu til sterkustu; alfa-, beta- og gammageislar. Síðar, eftir að vísindamenn komust að því að frumeindin var gerð úr jákvætt hlöðnum róteindum og óhlöðnum nifteindum í kjarna og neikvætt hlöðnum rafeindum sem svifu umhverfis hann, komust þeir að því að alfageislar voru í raun tvær róteindir og tvær nifteindir sem “brotnuðu” af kjarna frumeindarinnar. Það sem Ernest Rutherford vissi var að alfaeindir voru jákvætt hlaðnar og þungar (í heimi frumeindanna).

Rutherford setti upp tilraun þar sem örþunn gullfilma varð fyrir skothríð alfageislunar. Umhverfis filmuna var sett himna efnis sem lýsti þegar það varð fyrir alfaeindum. Miðað við að frumeindirnar í gullfilmunni voru álitnar grautur jákvæðrar hleðslu með neikvætt hlöðnum rafeindum dreifðum hist og her er eðlilegt að Rutherford og nemendur hans hafi búist við að hinar jákvætt hlöðnu alfaeindir myndu skjótast í gegn án þess að sveigja mikið af leið. Því skal engan undra að þeim skylda hafa brugðið í brún þegar þeir sáu sumar alfaeindanna endurvarpast af himnunni. Einn nemandanna sem sá um tilraunina líkti því við að skjóta fallbyssukúlu á klósettpappír en fá hana í sig aftur. Rutherford taldi skýringuna liggja í því að jákvæð hleðsla frumeindanna væri þjöppuð í kjarna þeirra og rafeindirnar væru því á sveimi í kringum þann kjarna. Út frá hlutfalli alfaeinda sem fóru í gegnum himnuna og þeirra sem skullu aftur áætlaði Rutherford að kjarninn væri með þvermál um þrjúþúsundfalt smærra en þvermál frumeindarinnar.

Dani gerir málin engu betri
Segja má að skammtafræðin hafi blómstrað undir forsjá Danans Niels Bohr, eins og ég mun gera grein fyrir síðar. Hann þeysti á sjónarsvið eðlisfræðinnar með kenningu sem gerði tilraun til að skýra misbresti í módeli Rutherfords fyrir frumeindina. Rutherford hafði sem fyrr segir áætlað að neikvætt hlaðnar rafeindir þeystust umhverfis jákvætt hlaðinn kjarna frumeindarinnar. Samkvæmt því ætti frumeindin þó ekki að vera langlíf. Rafeindirnar myndu dragast að kjarnanum eins og að segli og frumeindin myndi því falla saman á örskotsstundu. Bohr stakk upp á því að frumeindin væri með hvolf fyrir rafeindirnar og rafeindirnar gætu einungis verið á þeim hvolfum - ekki þeirra á milli. Þær gætu þó stokkið á milli hvolfa, sem krefðist orkuupptöku eða orkufrágjöf rafeindarinnar. Áður en ég get sagt ykkur frá því ferli þarf ég að líta fram um einn þátt og veita ykkur smáræðis upplýsingar um eðli ljóseinda.

Ljós, eins og þið hafið líklega lært, hegðar sér öllu jöfnu eins og bylgja. Það er engu að síður búið til og því eytt í eindum (eða skömmtum - skammtafræði). Ljóseindir hafa engan massa, sem gerir þeim kleyft að ferðast á ljóshraða. Þær hafa þó skriðþunga, sem birtist í tíðni ljóssins. Blátt ljós er t.d. með næstum tvöfalt hærri tíðni en rautt ljós, og því með tvöfalt meiri orku.

Þegar rafeindin verður fyrir ljóseind af nægilegri orku skýst hún upp um hvolf. Ef það hvolf er upptekið þarf enn meiri orku til að þeyta henni upp um tvö hvolf. Þegar rafeindin fellur niður aftur skilar hún frá sér samsvarandi orku með því að búa til nýja ljóseind. Rafeindir (rétt eins og allir hlutir) leitast eftir að vera í því sem kallað er lægsta orkustig, rétt eins og bolti sem leitast eftir að lækka stöðuorku sína með því að falla til jarðar. Þannig falla rafeindir innan afar skamms tíma niður á lægsta mögulega hvolf.
Hver frumeind getur gefið frá sér ljós af mjög ákveðnum bylgjulengdum, sem fer þá eftir hvolfum og rafeindaskipan þeirra. Það er með þeirri vitneskju sem við getum greint úr hvaða efnum fjarlægar stjörnur og plánetur eru gerðar - út frá litum ljóssins sem þær gefa frá sér.

Ef satt skal segja átti Bohr ekki heiðurinn að öðru en upphafinu á þessari kenningu, þar sem hann beitti henni aðeins við útskýringu á vetnisfrumeindinni. Við vitum þó nú að grundvallaratriðin eiga við um allar frumeindir.

Ómerkilegasta eindin
Nifteindin er ein minnst spennandi eind eðlisfræðinnar - bókstaflega. Hún hefur enga hleðslu og því var hún ekki uppgötvuð fyrr en árið 1932 - 14 árum eftir uppgötvun róteindarinnar og heilum 35 árum eftir uppgötvun rafeindarinnar. Í millitíðinni var tilvist frumeindarinnar staðfest og formi hennar lýst og skammtafræðin var komin vel áleiðis. Í raun þarf engan að undra að hún skyldi ekki hafa fundist - hvernig átti maður að henda reiður á henni? Segulsvið gögnuðust lítið og hún þaut í gegnum allar frumeindir því sem næst viðnámslaust, ósnert af hleðslu rafeindanna og róteindanna. Án þess að fara djúpt í tækniatriði uppgötvunar hennar (sem eru jafn óspennandi og eindin sjálf) skal ég gera grein fyrir hlutverki hennar.

Nifteindir ásamt róteindum mynda kjarna frumeinda. Þar sem eins hleðslur hrinda hver annarri frá sér er ljóst að því fleiri róteindir sem eru saman í kjarna, því óstöðugri verður hann. Nifteindirnar verka gegn þeim óstöðugleika að vissu marki. Ef þær verða of margar fer óstöðugleika að gæta aftur og hætt verður við að fyrrnefndar alfaeindir fari að brotna af kjarnanum. Hjá sumum frumefnum gerist þetta jafnvel sjálfkrafa - þau efni eru óstöðug, þ.e. geislavirk, frumefni. Nánar verður farið í geislavirkni í þriðja þætti.

Þetta er þó rétt aðeins forsmekkur að undrum öreindanna. Uppgötvanir sem fylgdu frumeindamódeli Bohrs áttu eftir að skilja fullkomlega við heilbrigða skynsemi og valda klofningi innan vísindanna. Í næstu grein mun ég fjalla um bylgjueðli einda og hvernig ekkert eins og það sýnist.