Väteatomen som fysikens Rosettesten

När en proton och en elektron omfamnar varandra bildas en atom av grundämnet väte. Detta är den enklaste av alla atomer, och den bildades redan vid Big Bang. Den har kallats för atomfysikens Rosettesten eftersom den är nyckeln till vår förståelse av alla naturens nittio-två grundämnesatomer. Väte är den dominerande formen av materia både i stjärnorna och i rymden mellan dem, men på jorden förekommer knappast några fria väteatomer. Däremot finns det gott om väte i bunden form i havens och flodernas vatten, i växter och djur.Det är detta grundämnes atomer som är temat i John S Rigdens bok Hydrogen, the essential element. Rigden betraktar väteatomen ur en fysikers perspektiv och lämnar det kemiskt bundna vätet åt andra författare.En tickande bombHan anlägger också ett historiskt perspektiv, och låter historien börja i sent 1800-tal. Vid den tiden fanns en matematik-lärare i Basel, Johann Jakob Balmer (1825—1898) som fascinerades av fyra tal för vilka han sökte en sammanfattande formel. De fyra talen, 6562,10; 4860,74; 4340,1 och 4101,2, var inga tal vilka som helst utan våglängderna för fyra av väte-atomens spektrallinjer, uppmätta av svensken A J Ångström. Till sist (1885) kom Balmer fram till en mycket enkel formel som kunde reproducera Ångströms uppmätta våglängder med förbluffande precision. Han publicerade sin formel och återgick därefter till gymnasieundervisningen i matematik.Men Balmer hade infört en tickande bomb i den fysikaliska litteraturen, ett slags vätebomb som exploderade 1913 när Niels Bohr lade fram sin teori för väteatomen. Med denna teori intog väteatomen sin plats som prövosten för alla följande teorier inom atomfysiken. Dessförinnan (1890) hade svensken Janne Rydberg, fysikprofessor i Lund, funnit en generell formel som inte var begränsad till grundämnet väte och som innehöll en universell konstant som än i dag kallas för Rydbergkonstanten, R. I Bohrs teori kunde denna storhet uttryckas som en kombination av fyra andra naturkonstanter: elektronens laddning och massa, Plancks konstant och ljushastigheten, och ryckte därigenom upp till en högre dignitet bland naturkonstanterna. I denna mer synliga position har R blivit experimentellt bestämd med allt större noggrannhet, och man funderar t o m på att basera en ny definition av tidsenheten, sekunden, på Rydbergkonstanten.Namnet Rydberg återkommer i slutet av boken. Då gäller det den "uppblåsta" variant av väteatom som kallas Rydberg-atom. I en sådan har en elektron på lämpligt sätt, vanligen med hjälp av laserljus, nästan helt befriats från kärnans attraktion och cirkulerar i en bana långt från densamma. Ett skäl till att denna jättelika men bräckliga atom på senare år har blivit ett populärt objekt för fysikerna är att den kan sprida ljus över det dunkla området mellan atomernas kvantumvärld, karaktäriserad av abrupta diskontinuiteter, och vardagsföremålens klassiska värld, karaktäriserad av kontinuitet.När det mot slutet av 1920-talet gällde att pröva hållbarheten hos vad som kom att bli århund-radets teori, kvantmekaniken, riktades intresset återigen mot väteatomen. Det fanns tre utformningar av teorin, Heisenbergs, Schrödingers och Diracs. Alla tre visade sig leda fram till det bohrska uttrycket för vätets spektrum, och denna gång var det en generell och sammanhängande teori som tog sig igenom väteatomens nålsöga. I sin version sammanförde Dirac relativitetsteorin med kvantmekaniken och kunde därigenom förklara den finstruktur i vätets spektrum som orsakas av elektronens spinn (Sommerfeld hade tidigare gjort en liknande ansats i sin planetariska atommodell). Under 1940-talet upptäckte Willis Lamb en obetydlig men ofrånkomlig avvikelse från Diracs teori. Denna upptäckt blev en hörnsten i kvantelektrodynamiken som i dag har utvecklats till fysikens exaktaste teori.Magnetkamera och vätebombFysikerna har också riktat sitt intresse mot väteatomens kärna som består av en proton eller i undantagsfall av en deutron, dvs en proton plus en neutron. Studiet av protonen, dess inre struktur och dess magnetiska egenskaper, har bl a bekräftat hypotesen om materiens kvarkstruktur och utgjort basen för den medicinska tillämpning, magnetkameran, som i år belönats med Nobelpris. En annan tillämpning som ligger i förlängningen av detta studium är vätebomben, men den rollen för väteatomen går Rigden inte närmare in på. Han går inte heller in på t ex lagring av väte i metaller och väte som möjligt avgasrent drivmedel för bilar. Men i vissa fall låter han väte-atomens historia löpa ända fram till nutid, och då uppträder sådana märkvärdigheter som Bose-Einsteinkondensat (Nobelpris 2001) och väteatomer gjorda av antimateria (ännu ej Nobelprisbelönat).Rigdens bok är lättillgänglig, ja rentav spännande, och den kan rekommenderas till inköp med den stundande julen i sikte. Den kostar 28 dollar.