Selles kursuses õpime lähemalt tundma nähtusi, mis on igapäevakogemusest juba tuttavad. Näiteks on kõik tundnud, et tassi sang läheb tasapisi kuumaks, kui tass täita kuuma teega (sellistest nähtustest räägib soojusõpetus). Tuttav on ka see, et elekter toob tuppa valguse ning paneb käima paljud kodumasinad (kõikvõimalikud elektrinähtused).

Juba 7. klassi loodusõpetuses olete õppinud, et kõik kehad koosnevad aatomitest ja molekulidest. 8. klassi keemias õppisite tundma keemilisi reaktsioone.

Selles füüsikakursuses saate teada, kuidas on kehade siseehitusega seotud nende soojuslikud ja elektrilised omadused. Kuid kõigepealt räägime veel kord aatomistest ja molekulidest, kuna füüsika ja füüsikud tunnevad mikromaailma kõige paremini.

Milline on kaasaegne ettekujutus aatomi ehitusest? Praeguseks on paljud eksperimendid tõestanud, et aatomituum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja laenguta neutronitest, nende ühine nimetus on nukleonid. Prootonil ja neutronil on praktiliselt sama mass, mis vesiniku aatomituumal, ning prootonid ja neutronid moodustavad suurema osa aatomi massist.

Loomulikult on aatomites ja molekulides ka elektronid. Aga seda „olemist“ ei tohiks ette kujutada kui elektronide liikumist mööda mistahes trajektoori, olgu see siis ringjoon või siksak – kaasaegne füüsika ütleb, et elektronil ei saa olla trajektoori. Pigem kujuta seda ette pilvena – elektronpilvena.

Elektronpilv on füüsikaline mudel, mis illustreerib seda, et ei ole võimalik teada täpselt, kus asub elektron, aga teada on, et ta asub kusagil selle pilve sees. Suurem tõenäosus on leida elektron sealt, kus on pilve tihedamad piirkonnad. Elektroni trajektoorist ei saa rääkida, sest kvantmehaanika seaduste järgi ei ole võimalik mõõta üheaegselt elektroni asukohta ja kiirust.

Elektronpilve kujutise tekkimist saab uurida arvutisimulatsioonis. Pilve kujutis tekib, kui mõõta palju kordi elektroni asukohta.

Ainult vesiniku aatomi elektronpilv saab olla kerakujuline. Suurema aatommassiga aatomite, samuti molekulide elektronpilved on suuremad ja teistsuguse kujuga. Siiski, aatomite ja molekulide füüsikaliselt korrektne kujutamine tähendab alati aatomituuma või tuumade asukoha tähistamist ja elektronpilve kujutamist.

L1 Aatomi mudelite areng

Teadlaste ettekujutus aatomitest on läbi käinud pika ja õpetliku arengutee. 

Loodusainetes me räägime harva üksikutest aatomitest. Keemias ja bioloogias on olulised ikkagi mitmest aatomist koosnevad molekulid. Mis saab elektronidest molekulides?

Keemias te olete juba õppinud liitaineid ehk keemilisi ühendeid. Te teate, et kovalentne side on ühiste elektronpaaride abil tekkinud side ja iooniline side on siis, kui vastasmärgilised ioonid tõmbuvad. Loomulikult saab keemiliste sidemete tekkimist ka füüsika keeles selgitada ja just füüsika on teadus, mis tungib sügavamale aine ehituse seaduspärasustesse, andes muuhulgas ka keemiale selle tööriistad. Selles kursuses me puudutame mikromaailma füüsikat vaid riivamisi, jättes seega kõrvale ka kvantarvutid, teleportatsiooni, Universumi tekkimise jms küsimused. Ütleme lihtsalt, et kovalentse sideme moodustab (väliskihi) elektronide elektronpilv, mis haarab mõlemaid sidemes osalevaid aatomeid. Ja rõhutame, et tegelikult ei saa rääkida elektronide liikumisest ümber mõlema aatomi sest elektronidel ei ole trajektoori, neid võib lihtsalt ühest või teisest kohast suurema tõenäosusega leida. Mikromaailma seadused võivad esmatutvusel veidrad tunduda.

Kuidas siis ikkagi joonistada molekuli?

Igasugust pilve, nii ka elektronpilve on keeruline joonistada – kuhu joonistada pilve piir? Sest pilv on erinevates kohtades erineva tihedusega, tihti keskel tihedam, servadelt hõredam. Lahendus on välja valida mingi konkreetne pilve tiheduse väärtus ja joonistada pilve piir mööda seda. Nii tehakse ka elektronpilvedega.

Vaatame seda protsessi ühe keerukama molekuli elektronpilve näitel. Ja võrdleme saadud pilte teada-tuntud molekulide mudelitega.

Bioloogilised molekulid on tihti väga mahukad ja keerukad. Nende struktuuri joonistamisel jäetakse üksikud aatomid tähistamata, koos sellega jäetakse tähistamata ka elektronpilved.

Selles õpikus me keskendume aine füüsikalistele omadustele. Aga tuleks endale aru anda, et ehkki füüsika, keemia ja bioloogia räägivad vahel üsna erinevates keeltes, on nende uurimisobjekti, so loodust kirjeldavad seadused universaalsed, erinevad vaid vaatepunktid. Üritame seda järgnevas ka läbi näidete demonstreerida. 

Peame siin ütlema ka mõne sõna ka valguse kohta. 8. klassis oli valgus meie jaoks valgusallika poolt kiiratav elektromagnetlaine, mille levimist saab kirjeldada kiirteoptika seaduspärasustega ja me ei uurinud, mis toimub näiteks siis, kui valgus neeldub ekraanis või valgusfiltris.