Uploaded by User4166

budowa materii 031109

advertisement
Jak zmieniały się poglądy na temat budowy materii
Marcin Karelus
Człowiek stanowi obecnie gatunek dominujący na naszej planecie, podporządkowując sobie otaczającą go rzeczywistość i materię, przekształcając środowisko i dostosowując je do swoich potrzeb.
Nie zawsze jednak tak było, a ta dominacja ma swoje skromne początki. Rozwój inteligencji, umiejętności planowania, wyciągania wniosków i wykorzystywania dostępnych przedmiotów zapewniły nam
jednak przewagę nad wszystkimi gatunkami na Ziemi.
Chcąc poprawić jakość życia, człowiek uczył się modyfikować dostępne w naturze materiały i wykorzystywał swój rozwijający się intelekt do konstruowania coraz to nowszych narzędzi, broni, ozdób.
Poznawał sposoby przemiany niektórych materiałów w inne, zaczął wytwarzać metale z rud znalezionych w ziemi, szkło oraz porcelanę. Nauczył się wydobywać wiele substancji z roślin, jak substancje
zapachowe, oleje, barwniki, leki. Dokonania te odbyły się jednak bez wiedzy o prawdziwej naturze
tych materiałów oraz istocie samych przemian. Była to wiedza praktyczna, która nie zapoczątkowałaby rozwoju wiedzy teoretycznej, gdyby ludzkość nie miała wrodzonej cechy, jaką jest ciekawość.
Człowiek od dawna zadawał sobie pytania, dlaczego świat, który obserwuje, jest taki, jaki jest, dlaczego jedna substancja jest różna od innej, dlaczego jakiś materiał ulega przemianie w inny i czym
tak naprawdę jest wszelka materia. Starał się dostrzec jakiś porządek w otaczającym świecie, wyjaśnić wzajemne relacje między różnymi rodzajami materii. Rozważania dotyczące wszelkich dziedzin
życia i samej istoty egzystencji człowieka pojawiały się we wszystkich kulturach antycznych, stając
się podstawą rozwoju filozofii i nauki.
Od VI wieku p.n.e. zaczęła rozwijać się grecka nauka, a próby zrozumienia rzeczywistości zrodziły
różne poglądy dotyczące otaczającego świata. Człowiek starał się przede wszystkim zrozumieć, czym
jest materia, która pod tak różnymi postaciami od zawsze mu towarzyszyła. Filozofia grecka usiłowała
znaleźć odpowiedź, w jaki sposób materia jest zbudowana. Czy jest jakieś uniwersalne tworzywo?
Czy materię tworzą jakieś elementy składowe, czy też jest ona po prostu jednolita? Jeśli przetniemy
np. kawałek metalu na pół, uzyskamy dwa mniejsze kawałki, które nadal składają się z tego metalu.
Każdy z tych kawałków możemy znów podzielić, uzyskując mniejsze części, nadal będące tym metalem. Zastanawiano się, czy taki proces podziału każdej jednej materii można prowadzić bez końca i
otrzymywać wciąż coraz mniejsze cząstki tego materiału, czy też istnieje jakiś kres tej podzielności,
na końcu której uzyskamy najmniejsze, niepodzielne już elementy. W pierwszym wypadku mielibyśmy
do czynienia z materią ciągłą, a w drugim z materią o budowie ziarnistej, tworzonej przez zbiór owych
niepodzielnych elementów. Filozofowie greccy nie byli w stanie rozwiązać tego dylematu. Nic więc
dziwnego, że spekulacje na ów temat doprowadziły do podziału wśród filozofów. Jedni uważali, że kres
podzielności istnieje, inni, że materię można dzielić bez końca.
Pierwszymi, którzy wyrazili przypuszczenie, że istnieje kres podzielności, byli grecki filozof Leukippos oraz jego uczeń Demokryt, który pochodził z Abdery i żył na przełomie V i IV wieku p.n.e. Głosili
strona 1/11
Data utworzenia:
2009-10-31
oni, że cały wszechświat składa się z bardzo małych, niewidocznych gołym
okiem i niepodzielnych cząstek, które tworzą wszelką materię. Cząstki te
nazwano atomami (z greckiego  [átomos] – niepodzielny). Uczeni
uważali, że właściwości wszelkiej materii, jej wygląd i forma zależą od
rodzaju i wzajemnego rozmieszczenia atomów, z których się ona składa.
Przestrzeń pomiędzy atomami wypełniała próżnia. Rozdzielanie się atomów oraz ich łączenie odpowiadało za procesy powstawania i niszczenia
materii, a jej przemiany związane były ze zmianą ich uporządkowania
i położenia. Leukippos i Demokryt zakładali, że wszystkie zagadnienia
dotyczące złożonej w ten sposób materii można wyjaśnić prawami ,jakie
rządzą jej atomami. Według Demokryta każda substancja miała swoje
Demokryt z Abdery
własne atomy. Rodzajów atomów było więc praktycznie nieskończenie
(ok. 460 – ok. 370 r. p.n.e.)
wiele, podobnie jak nieskończenie wiele jest rodzajów substancji.
Atomy wyobrażano sobie jako pewne twory przestrzenne, których kształt był różny i zależał od rodzaju substancji. Starożytni Grecy wyróżniali cztery substancje proste, które, jak sądzili, tworzą wszelką materię. Koncepcja tych czterech pierwiastków, zwanych też żywiołami, została stworzona przez
żyjącego w V wieku p.n.e. filozofa greckiego Empedoklesa. Były to ogień, woda, powietrze i ziemia.
Te podstawowe żywioły uważano za ciała doskonałe, których atomy muszą posiadać „doskonałe”
kształty, tzn. ich ściany miały być wielokątami foremnymi. Dzięki temu bryły te były bardzo symetryczne. Kształtem brył tłumaczono niektóre cechy materii, np. uczucie parzenia przez ogień. Według niektórych atomistów wrażenie parzenia było swego rodzaju kłuciem, powodowanym przez atomy ognia,
mające bardzo ostre wierzchołki. Spośród wszystkich regularnych brył najostrzejsze wierzchołki ma
czworościan foremny (a zatem najbardziej kłuje) i tak właśnie miały wyglądać atomy, z których składał
się ogień. Według atomistów poza ciałami prostymi istniały tzw. ciała złożone, których atomy miały
mniej doskonałe i bardziej zawiłe kształty.
Fakt, że atomy miały być według Demokryta i Leukipposa niewidoczne, sprawiał, iż korpuskularna
koncepcja budowy materii wydawała się wielu mało przekonywająca. Byli jednak tacy, którzy próbowali wykazać że nie musi to być niedorzeczne. Próby takiej dokonał rzymski poeta i filozof Lukrecjusz
w swoim dziele De Rerum Natura (O naturze wszechrzeczy). Stara się w nim przekonać czytelnika, że
jeśli czegoś nie widać, to nie znaczy, że tego nie ma. Zwraca uwagę na promienie słońca wpadające do ciemnego pomieszczenia, które pozwalają zobaczyć mnóstwo drobnych cząstek kurzu unoszących się w powietrzu. Cząstek,
których normalnie nie widać.
To co wiemy o poglądach starożytnych Greków, pochodzi głównie z pism
żyjącego w IV w p.n.e. Arystotelesa, który był najwybitniejszym filozofem antycznym. Zebrał on wszystkie panujące wtedy przekonania i podsumowując je,
przedstawił swój punkt widzenia. Dla Arystotelesa pogląd o atomach, które miały poruszać się w przestrzeni stanowiącej próżnię, był nie do przyjęcia. Arystoteles twierdził, że wszelki ruch może odbywać się tylko w ośrodku materialnym
Arystoteles
(384–382 r. p.n.e.)
a nie w próżni. Świat, jaki obserwujemy, jest z kolei pełen różnorodnego ruchu,
strona 2/11
Data utworzenia:
2009-10-31
zatem nie może się on składać z elementów zawieszonych w próżni. Tym samym Arystoteles uważał, że
próżnia nie istnieje we wszechświecie. Twierdził również, że niemożliwe jest, by istniało nieskończenie
wiele rodzajów atomów, odpowiednio dla każdego rodzaju materii, ponieważ natura byłaby wówczas niepoznawalna. Zarówno Arystoteles, jak i inni filozofowie podzielający jego poglądy zarzucali atomistom, że
ich teoria o atomach nie potrafi wyjaśniać celu, dla którego zachodzą różne zjawiska, jak również nie jest
w stanie przewidywać żadnych nowych zjawisk. Arystoteles głosił, że każde zjawisko można wytłumaczyć
czterema rodzajami przyczyn. Jego twierdzenia na długo utrwaliły przekonanie, iż każde zjawisko ma swój
cel. Inną przyczyną krytyki był fakt, że teoria atomistyczna w żaden sposób nie potrafiła wyjaśnić ludzkich
uczuć. Dziś może to wydawać się dziwaczne, lecz w starożytności i średniowieczu uważano, że wszelkie
poglądy na temat otaczającego świata powinny jednakowo odnosić się do wszystkich zjawisk przyrody,
również tych związanych bezpośrednio z ludźmi i ich przeżyciami.
Arystoteles przyjął za słuszne, zgodnie z twierdzeniem Empedoklesa, że istnieją cztery substancje
pierwotne, takie jak ogień, woda, powietrze i ziemia. Uważał jednak, że oprócz tych czterech ziemskich
elementów istnieje piąty rodzaj materii, który Grecy zwali eterem, zaś Rzymianie – quinta essentia. Z
niej zbudowane jest np. niebo. Wszystko, co się składało z tego rodzaju materii, miało być niezmienne. Należy jednak podkreślić, że owe cztery ziemskie pierwiastki, o jakich mówi Arystoteles, nie były
tym samym, co fizycznie rozumiemy przez wodę, powietrze, ogień i ziemię. Arystoteles za pierwiastek
uważał tworzywo, która nie ma żadnej formy, a to, co można obserwować w naturze, czyli wodę, powietrze, ogień i ziemię, za materię „uformowaną”, w której owe tworzywa stanowią jedynie główny
składnik. Innymi składnikami takiej materii były według Arystotelesa właściwości, które w naturze
stale towarzyszyły każdemu z pierwiastków. Owe właściwości to pary przeciwieństw: suche -wilgotne
oraz gorące -zimne. Każdy z ziemskich pierwiastków był nośnikiem dwóch właściwości, np. ogień był
gorący i suchy, woda wilgotna i zimna, powietrze gorące i wilgotne, a ziemia sucha i zimna. Nie mogły
one być wzajemnie przeciwstawne i jedna z nich dominowała.
Koncepcja pierwiastków, o których pisze Arystoteles pozwalała tłumaczyć obserwowane w przyrodzie zjawiska, różnice we właściwościach materii oraz liczne przemiany jakim ona podlega. Jako
dowód mający potwierdzać te poglądy filozofowie podawali przykład spalania pnia drzewa. W takim
procesie z pnia wydobywa się płomień (a więc pierwiastek ognia), unosi dym (powietrze) i wyciekają
również soki drzewa (woda), a po spaleniu zostaje popiół (ziemia). Miało to pokazywać, że otaczająca
nas materia rzeczywiście składa się z owych żywiołów.
W początkach średniowiecza, w rozwijającej się kulturze chrześcijańskiej nauki filozofów greckich
były prawie zupełnie nieznane. Wiele z ich dzieł, między innymi dzieła Arystotelesa, cieszyło się jednak
popularnością w krajach arabskich i zadecydowało o tamtejszym rozwoju nauki. Tam też, na ich podstawie zaczęła rozwijać się alchemia. W XII wieku n.e. tłumaczenia arabskich przekładów greckich tekstów oraz koncepcje Arystotelesa i Demokryta pojawiły się również wśród filozofów chrześcijańskich.
Koncepcje Demokryta o korpuskularnej budowie materii nie spotkały się jednak z dużym zainteresowaniem, ponieważ filozofia Arystotelesa w zupełności wystarczała do tłumaczenia zjawisk natury. W tym
okresie do Europy zaczęła również przenikać alchemia. Przyczyniła się ona do rozwoju wielu technik
stosowanych do dziś w laboratoriach, takich jak krystalizacja, destylacja, sublimacja, dotyczących rozdzielania i oczyszczania substancji. Doprowadziła też do odkrycia wielu prostych i złożonych substancji
strona 3/11
Data utworzenia:
2009-10-31
chemicznych. Aż do wieku XVII wiedza rozwijana przez alchemików stanowiła głównie wiedzę praktyczną, natomiast wiedza teoretyczna na temat materii nie poczyniła ani kroku naprzód i nadal bazowała
na koncepcjach Arystotelesa.
Wiek XVI i początek XVII to schyłek nauki greckiej i początek rozwoju badań, w których coraz większą rolę odgrywają doświadczenia i pomiary ilości
substancji uczestniczących w procesach. Do tej pory obserwacje i rozważania filozoficzne były główną praktyką. Poglądy Arystotelesa są coraz szerzej
krytykowane. Uczeni przekonują się, że obserwowane zjawiska i wyniki eksperymentów coraz lepiej tłumaczy koncepcja atomistyczna. Zwolennikami
tej koncepcji byli między innymi Robert Boyle i Izaak Newton. Boyle w swoim dziele The Sceptical Chymist dowodzi istnienia korpuskuł poprzez takie
procesy jak tworzenie i niszczenie ciał. Pół wieku później poglądy te bardziej
sprecyzował Newton, twierdząc, że materia składa się z niezmiennych, nieRobert Boyle
zniszczalnych cząstek. Dzielenie materii polega na rozdzielaniu się zbiorów
(1627–1691)
tych cząstek, one same jednak nie mogą się dzielić, gdyż to zmieniałoby
naturę dzielonego przedmiotu. Newton zasugerował również odpowiedź na inne pytanie, które nieodłącznie towarzyszyło koncepcji atomu – co spaja atomy ze sobą? W swoim dziele Optics sugeruje, że odpowiedzialna za to może być pewna siła działająca na małych odległościach, podobnie jak w przypadku np.
grawitacji, która przyciąga do siebie obiekty znajdujące się w dużych odległościach. Zarówno Boyle, jak
i Newton uważali jednak, że istnieje tylko jedno pierwotne tworzywo budujące wszystkie atomy.
Wiek XVII to jednocześnie okres, w którym zaczynają pojawiać się pierwsze towarzystwa naukowe.
Ich tworzenie było koniecznością ze względu na bardzo intensywny rozwój badań i potrzebę wymiany informacji między naukowcami. W Polsce pierwsze towarzystwo naukowe powstało w Gdańsku
w 1743 roku. Później pojawiły się inne, z których największe znaczenie miało założone w 1800 roku
Towarzystwo Przyjaciół Nauk.
Koncepcja korpuskularnej budowy materii rozpowszechniła się bardzo w XVIII wieku. Stany skupienia materii zaczęto tłumaczyć różnicami
w sposobie powiązania jej cząstek. Taką opinię wyraził w swoich pracach
rosyjski uczony Michaił Łomonosow w latach 1738–1739, kiedy jeszcze
był studentem. W tym okresie uważano, że pierwiastek to substancja będąca ostatecznym rezultatem analizy materii, a jej atomy są kresem podzielności. Według definicji podanej przez Antoine'a Laurenta Lavoisiera
pierwiastkiem była substancja, której nie można było rozłożyć na prostsze
Antoine Laurent Lavoisier
metodami chemicznymi.
(1743–1794)
Pomimo tego, że wyróżniano wtedy niektóre substancje proste (pierwiastki), niepoddające się próbom ich dalszego rozdziału, oraz substancje złożone, to jednak mniej więcej do
końca XVIII wieku nie zdawano sobie sprawy z różnicy między związkiem chemicznym a mieszaniną jednorodną. Termin substancja złożona odnosił się zarówno do jednego, jak i drugiego. Z końcem XVIII wieku niektórzy naukowcy, w tym Lavoisier, zaczynali jednak stopniowo je rozróżniać, choć nie do końca pojmowali istotę różnicy. Ważną obserwacją, która doprowadziła w końcu do jednoznacznego rozróżnienia
strona 4/11
Data utworzenia:
2009-10-31
związków od mieszanin, był fakt, że niektóre z substancji złożonych zawierały
pierwiastki w ściśle określonych ilościach, niezależnie od tego, skąd pochodzą lub jak zostały otrzymane. Różniły się zatem od np. roztworów, w których
ilości pierwiastków mogły zmieniać się w sposób dowolny. Doprowadziło to
w 1799 roku do sformułowania prawa stałości składu przez Louisa Josepha
Prousta. Był on pierwszym chemikiem, który wprowadził jasne rozgraniczenie
między tym, co jest związkiem chemicznym, a co mieszaniną czy roztworem.
Należy jednak pamiętać, że w tamtych czasach niektóre związki chemiczne
uważano wciąż za substancje proste, ponieważ ówczesne metody chemiczLouis Joseph Proust
(1754–1826)
ne nie pozwalały rozłożyć ich na prostsze.
Sama koncepcja istnienia atomów nie miała jednak dla chemii praktycznego znaczenia, w żaden
sposób nie dało się jej połączyć z obserwowanymi zjawiskami i doświadczeniami. Dla wielu wystarczające było operowanie pojęciem atomu chemicznego, czyli najmniejszej porcji pierwiastka. Natomiast
to, czy te chemiczne atomy są fizycznie pojedynczymi cząstkami, czy też składają się z kilku cząstek,
było nieistotne i leżało poza możliwościami poznawczymi ówczesnej nauki.
Przełomowym momentem dla rozwoju poglądów na temat budowy materii była nowa koncepcja zaprezentowana w 1803 roku przez angielskiego fizyka i chemika Johna Daltona. Twierdził on, że pierwiastek jest zbudowany
z takich samych atomów, a atomy różnych pierwiastków różnią się masą.
Zaprzeczył dotychczasowemu poglądowi o istnieniu jednego podstawowego tworzywa materii. Znalazł sposób wyznaczania względnych mas atomów,
który opierał się na obserwacjach i metodach doświadczalnych. Do tej pory
nie było sposobu, by korzystać z teorii atomistycznej do obliczeń np. ilości
substancji uczestniczących w reakcji. Dalton natomiast stworzył połączenie między teorią niewidocznych atomów a mierzalną rzeczywistością. Właśnie to połączenie stanowiło wyjątkowość jego teorii. Należy pamiętać, że
John Dalton
(1766–1844)
Dalton nie wprowadził pojęcia „niepodzielnego atomu”, bo takie istniało
już od ponad dwóch tysięcy lat. Ponadto przez atom rozumiał najmniejszą
porcję substancji, która zachowuje jej właściwości. Zatem termin ten obejmował zarówno to, co dziś
zwiemy atomami, jak i to, co zwiemy cząsteczkami chemicznymi. Rozróżniał tzw. atomy proste (lub
pierwiastkowe) oraz złożone, które w jego czasach dawało się rozłożyć na prostsze składniki. Nie
twierdził jednak, że to, co uznawano w jego czasach za atomy proste, czyli cząstki niepodzielne, stanowi rzeczywiście ostateczne i niepodzielne cząstki materii.
Swoje metody obliczania mas atomów oparł na czterech założeniach:
1. wszelka materia składa się z niepodzielnych atomów,
2. atomy są niezniszczalne i zachowują swoją identyczność we wszystkich reakcjach chemicznych,
3. istnieje tyle rodzajów atomów, ile jest pierwiastków,
4. p
ierwiastki łączą się ze sobą w określony sposób, w stałych stosunkach wagowych, a skład powstałego związku jest możliwie najprostszy.
strona 5/11
Data utworzenia:
2009-10-31
Teoria Daltona oraz prawa dotyczące składu chemicznego substancji jakie z niej wynikały, umożliwiały przeprowadzanie obliczeń, takich jak np. ile substancji należy użyć, aby reakcja przebiegała
w określony sposób. Miało to istotne znaczenie dla rozwoju analizy i syntezy chemicznej, dla opracowania ekonomicznych metod produkcji wielu materiałów na większą skalę.
W 1860 roku na Międzynarodowym Kongresie Chemików w Karlsruhe sprecyzowano pojęcia atomu i molekuły, a naukowcy zaczęli podejmować próby klasyfikacji znanych pierwiastków. Robiono to
na wiele sposobów, biorąc pod uwagę ich właściwości fizyczne, chemiczne oraz ciężary atomowe.
W 1869 roku pojawił się układ okresowy stworzony przez Mendelejewa. Z końcem XIX wieku zaczęto
również zastanawiać się nad kwestią przestrzennego rozmieszczenia atomów w molekułach. Mimo to
wielu naukowców nadal nie wierzyło w istnienie atomów. Traktowali je jedynie jako hipotetyczne cząstki, które ułatwiają opisywanie zjawisk chemicznych.
Pod koniec XIX wieku uzyskano też pierwsze doświadczalne dowody, że atom nie jest najmniejszą
cząstką materii. Pierwsze obserwacje poczynił Johann Wilhelm Hittorf. Odkrył tzw. promienie katodowe. Stwierdził mianowicie, że po przyłożeniu wysokiego napięcia do dwóch elektrod umieszczonych
w szklanej rurze pozbawionej powietrza, elektroda ujemna emituje świecące promienie. W 1876 roku
William Crookes stwierdził, że cząstki, z których składają się te promienie, mają ładunek elektryczny.
Inny rodzaj promieni, jakie pojawiały się w tej rurze, został odkryty w 1886
roku przez Eugena Goldsteina. Były to tzw. promienie kanalikowe, mające
ładunek elektryczny przeciwny niż promienie katodowe. W 1895 roku Jean
Perrin wykazał, że cząstki tworzące promienie katodowe mają ładunek
ujemny i zaczął utożsamiać je z nośnikami elementarnego ładunku ujemnego – elektronami. Nazwa elektron pojawiła się już cztery lata wcześniej,
w 1891 roku. Wprowadził ją John Stoney. Z badań tych wynikało jednoznacznie, że promienie kanalikowe muszą mieć ładunek dodatni. W 1895
roku Conrad Röntgen odkrył też inny rodzaj promieni emitowanych przez
szkło, na które padały promienie katodowe. Promienie te okazały się przeAntoine Henri Becquerel
nikać przez różne ciała.
(1852–1908)
Rok później, francuski fizyk Antoine Henri Becquerel, badając związki
uranu, odkrył przypadkowo, że potrafią one naświetlać klisze fotograficzne,
zatem emitują niewidzialne promieniowanie. Jego badania były kontynuowane przez polskiego fizyka i chemika Marię Skłodowską-Curie, którą
uważa się za współtwórczynię nauki o promieniotwórczości. Zajmowała
się ona badaniami minerałów uranu i toru. Udało jej się stwierdzić, że
powietrze wokół próbek tych minerałów zostaje naładowane elektrycznie
w wyniku działania ich promieniowania. Skłodowska wykazała, że promieniotwórczość związków uranu zależała wyłącznie od ilości tego pierwiastka
w związku i że emitowane promieniowanie nie jest wynikiem jakiś wzajemnych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami, lecz pochodzi z samego atomu. Mierząc promieniowanie minerałów, ustaliła, że jest ono większe, niż
Maria Skłodowska-Curie
(1867–1934)
wynikałoby to z ilości zawartego w nich uranu lub toru. To nasunęło jej
strona 6/11
Data utworzenia:
2009-10-31
przypuszczenie, że muszą one zawierać inne, o wiele bardziej promieniotwórcze pierwiastki. Prace,
które prowadziła razem z mężem, doprowadziły do odkrycia polonu i radu. Wykazała, że pierwiastki te
emitują trzy rodzaje promieniowania, które nazwano alfa, beta i gamma. Przeprowadzone badania pozwoliły jej wysunąć pogląd o atomistycznej naturze promieniotwórczości, a wyniki zostały opublikowane
w 1896 roku w dziele pod tytułem O promieniowaniu wysyłanym przez związki uranu i toru. Odmienną
naturę promieniowania alfa i beta udowodnił w 1899 roku angielski fizyk Ernest Rutherford. Wkrótce
wykazano też, że cząstki alfa to zjonizowane atomy helu, promienie beta są strumieniem elektronów,
a gamma promieniowaniem elektromagnetycznym, mającym taką samą naturę jak promienie odkryte
przez Röntgena.
Równocześnie z badaniami z zakresu promieniotwórczości do dalszego wyjaśniania struktury atomów przyczyniły się prace prowadzone przez Josepha
Johna Thomsona, angielskiego fizyka zajmującego się elektrycznością i zagadnieniem budowy materii. Jest on uznawany za odkrywcę elektronu, czego
dokonał w roku 1896. Jego badania promieni katodowych, jak również badania promieni kanalikowych przez Wilhelma Wiena, pozwoliły wykazać, że
dodatnie cząstki tworzące promienie kanalikowe są około 1840 razy cięższe
od ujemnych elektronów, a stosunek ładunku elektrycznego cząstki do jej
masy jest taki sam jak w przypadku jednododatnich jonów. Później stwierdzono też, że elektrony to te same cząstki, które wywołują świecenie wzbudzoJoseph John Thomson
nych elektrycznie gazów. Rezultaty te dowodziły, że zarówno elektrony, jak
(1856–1940)
i cząstki dodatnie muszą stanowić składniki atomów. Thomson stwierdził, że
liczba elektronów w atomach lekkich pierwiastków jest równa połowie ich liczby masowej. W 1904 roku
wysunął również hipotezę, że elektrony nie są rozmieszczone chaotycznie w atomie, lecz znajdują się
w równych odległościach od środka kuli wypełnionej równomiernie dodatnimi cząstkami i tworzą swego
rodzaju pierścienie lub spłaszczone obłoki. Był to model atomu, który potocznie określano mianem „ciasta z rodzynkami”. Dalsze badania zaprzeczały jednak takiej koncepcji.
W 1909 roku angielski fizyk Ernest Rutherford przeprowadził eksperyment mający na celu odpowiedzieć na pytanie, jak ładunek dodatni rozmieszczony jest w atomie. Razem ze swoimi współpracownikami na uniwersytecie w Manchesterze badał, w jaki sposób strumień cząstek alfa,
skierowany na cienką folię złota, ulega rozproszeniu. Gdyby model atomu
zaproponowany przez Thomsona był słuszny, a ładunek dodatni stanowił
„chmurę” wypełniającą równomiernie cały atom, wówczas tor, po jakim poruszają się cząstki alfa, ulegałby w każdym przypadku jedynie niewielkim,
niemal jednakowym zakłóceniom. Jak się okazało, część cząstek alfa ulegała niemal całkowitemu odbiciu, a inne przechodziły bez większych przeErnest Rutherford
szkód. Oznaczało to, że niektóre z nich napotykają na swojej drodze barierę
(1871–1937)
nie do pokonania. Analizując rezultaty eksperymentu, Rutherford doszedł
do wniosku, że wyjaśnić je można tylko w jeden sposób, przyjmując, że dodatni ładunek atomu skupiony jest w bardzo niewielkiej (w porównaniu do całego atomu) przestrzeni. Obszar ten nazwano później
strona 7/11
Data utworzenia:
2009-10-31
jądrem atomowym. Cząstki trafiające na ten obszar atomu, mający tak jak
one dodatni ładunek, odbijały się. Pozostałe przechodziły niemal bez problemu, poruszając się pomiędzy jądrami atomów. Na podstawie swoich badań
Rutherford zaproponował własny model atomu, w którym ładunek dodatni
skupiony był w centralnej jego części, w bardzo małej objętości, a elektrony
poruszały się wokół niego po orbitach. Był to tzw. planetarny model atomu.
Jego badania zostały opublikowane w 1911 roku. Model atomu Rutherforda
stał się później punktem wyjścia dla nowszej koncepcji stworzonej przez
Nielsa Bohra w 1913 roku. Według nowej teorii Bohra elektrony poruszały
się wokół jądra nie w sposób dowolny, ale po pewnych ściśle określonych
Niels Bohr
orbitach, a właściwości pierwiastka zależały od ilości elektronów znajdują(1885–1962)
cych się na orbitach najbardziej zewnętrznych. Jego teoria głosiła również,
że elektron może przejść z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, czemu towarzyszy emisja
fotonu, czyli porcji (kwantu) promieniowania elektromagnetycznego. Jego koncepcje stały się następnie podstawą dla rozwoju teorii kwantowej. Niels Bohr razem z Jamesem Chadwickiem odkrył również
cząstki tworzące jądra atomowe, będące nośnikiem ładunku dodatniego – protony.
Prace Rutherforda oraz innego angielskiego chemika Frederica Soddy'ego dowiodły również, że promieniowanie emitowane przez pierwiastki,
takie jak np. uran i rad wiąże się z ich przemianą, atomy tych pierwiastków
przekształcały się w inne atomy. Zauważyli, że atom emitujący cząstkę alfa
zmienia się w atom, którego liczba atomowa jest mniejsza o dwa, natomiast emitując cząstkę beta, „przesuwa się” o jedno miejsce dalej w układzie Mendelejewa, czyli jego liczba atomowa zwiększa się o jeden. Soddy
pokazał jednocześnie, że atomy promieniotwórczych pierwiastków mogą
różnić się masą atomową, chociaż ich właściwości chemiczne pozostają takie same. Dla takich atomów wprowadził nazwę izotopy, wywodzącą się od
greckiego wyrażenia 'w tym samym miejscu', co miało wskazywać, że choć
Frederic Soddy
(1877–1956)
atomy pierwiastka mają różną liczbę masową, pozostaje on w tym samym
miejscu układu okresowego, czyli jest tym samym pierwiastkiem. Później wykazano, że izotopy tworzą
również pierwiastki niepromieniotwórcze.
Koncepcje budowy atomu nadal nie były jednak poprawne, potwierdzały to niektóre badania i obliczenia teoretyczne. W ciągu następnych kilkunastu lat liczne badania i obserwacje doprowadziły do
przełomu, który pozwolił stworzyć teorię budowy atomu taką, jaką znamy dziś. Badania te wiążą się
z odkryciem kolejnego składnika atomu.
W 1919 roku Ernest Rutherford na podstawie badań przemian pierwiastków pod wpływem promieniowania alfa wysunął hipotezę o istnieniu pewnych cząstek, które nie posiadają ładunku elektrycznego i mogą z tego powodu łatwo zderzać się z jądrami atomowymi, wywołując ich przemiany. Emisję takich cząstek z jąder atomowych zauważyli po raz pierwszy w 1930 roku niemieccy fizycy Hans Albrecht
Bethe oraz Walter Bothe. Stwierdzili oni, że pierwiastek beryl pod wpływem cząstek alfa emituje
niezwykle przenikliwe promieniowanie, które nazwali promieniowaniem berylowym. Nie zdawali jednak
strona 8/11
Data utworzenia:
2009-10-31
sobie sprawy z tego, czym ono jest i że stanowi właśnie strumień przewidywanych przez Rutherforda
cząstek. Podobne obserwacje poczynili dwa lata później francuscy fizycy – Irène i Frédéric Joliot-Curie,
jednak i oni nie potrafili wyjaśnić tego zjawiska.
W 1932 roku angielski fizyk James Chadwick, który wiedział o hipotezie
Rutherforda, udowodnił, że owo promieniowanie emitowane przez beryl to
właśnie strumienie przewidzianych przez Rutherforda obojętnych elektrycznie cząstek. Nazwał je neutronami. Masa neutronu okazała się być różna,
ale bardzo zbliżona do masy protonu. W tym samym roku, w którym Chadwick odkrył neutron, pojawiła się współczesna koncepcja budowy atomu,
którą do dziś uznajemy za poprawną. Koncepcję tę stworzyli rosyjscy uczeni Igor Tamm i Dymitr Iwanienko oraz niezależnie od nich niemiecki fizyk
Werner Heisenberg. Zgodnie z tą teorią w skład jądra atomowego wchodzą
protony oraz neutrony, a liczba protonów jest taka sama jak liczba elektroJames Chadwick
(1891–1974)
nów, które znajdują się poza jądrem atomowym.
Odkryte składniki atomów, protony, neutrony i elektrony były przez jakiś
czas uważane za faktycznie elementarne składniki materii. Wydawało się,
że naukowcy ostatecznie poznali jej budowę i dotarli do rzeczywiście niepodzielnych cząstek. Prawda jednak miała się wkrótce okazać o wiele bardziej
skomplikowana. W 1986 roku badania przeprowadzone w Centrum Akceleratora Liniowego w Stanford ujawniły, że protony i neutrony wcale nie są
cząstkami elementarnymi, lecz składają się z jeszcze mniejszych. Cząstki
te nazwano kwarkami, dla których nazwa została zaczerpnięta z poematu
Jamesa Joyce‘a pt. Finnegan‘s Wake i określała w nim małe skrzaty. NaMurray Gell-Mann
zwę tę zaproponował Murray Gell-Mann, fizyk teoretyk, który od jakiegoś
(ur. 1929 r.)
czasu domyślał się ich istnienia.
Badania przeprowadzone w akceleratorze w Stanford wykazały, że zarówno proton, jak i neutron
składają się z trzech kwarków. Ustalono też, że istnieją dwa kwarki, nazwane dolny i górny i oznaczono je jako d i u (od angielskich słów down i up). Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego
dolnego (co zapisywane bywa jako uud), a neutron z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego (ddu).
Najprawdopodobniej wszelka materia, z jaką mamy kontakt, jaką spotykamy na co dzień, zbudowana
jest z trzech, jak się obecnie uważa rzeczywiście elementarnych cząstek: elektronów, kwarków dolnych i kwarków górnych. W kolejnych latach naukowcy zaczęli odkrywać jednak inne cząstki niebędące
składnikami atomów oraz znaleźli również cztery inne kwarki, nazwane: powabny, dziwny, niski, wysoki (oznaczane od angielskich słów odpowiednio c, s, b, t). Kwarki niski i wysoki bywają też czasem
nazywane: spodni i szczytowy. Kwarki nie występują w stanie swobodnym, lecz są zawsze składnikami
innych cząstek, protonów, neutronów, a także wielu innych, jakie obecnie znamy. Cząstki, które są
zbudowane z kwarków, nazywamy hadronami.
Wszystkie cząstki, jakie obecnie uznajemy za elementarne, zestawione są w tabeli 1. Cząstki te dzieli
się na tzw. generacje. Generacja 1 zawiera cząstki elementarne budujące znany nam świat.
strona 9/11
Data utworzenia:
2009-10-31
Tabela 1
Cząstka
Masa*
Ładunek elektryczny
0,0054
–1
< 10
0
kwark górny
0,0047
+2/3
kwark dolny
0,0074
–1/3
0,11
–1
< 0,0003
0
1,6
+2/3
0,16
–1/3
1,9
–1
< 0,033
0
kwark wysoki
189
+2/3
kwark niski
5,2
–1/3
elektron
Generacja 1
neutrino elektronowe
mion
Generacja 2
neutrino mionowe
kwark powabny
kwark dziwny
taon
Generacja 3
neutrino taonowe
-8
Podane wartości mas to krotności masy protonu.
*
Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają również inne rodzaje ładunku, np. tzw. ładunek kolorowy zwany potocznie kolorem, przyjmujący trzy wartości reprezentowane przez określenia: czerwony, niebieski i zielony. „Kolor” kwarku nie ma jednak nic wspólnego z tym, co na co dzień rozumiemy
przez kolor. Ładunek kolorowy, zwany też ładunkiem oddziaływania silnego, jest tym, co spaja kwarki
wewnątrz innych cząstek. Tam wymieniają między sobą cząstki zwane gluonami, będące nośnikiem
tego oddziaływania, jednocześnie nieustannie zmieniając swój „kolor”.
Dzisiaj wiemy również, że każdej cząstce, także kwarkom, odpowiada tzw. antycząstka. Antycząstki mają taką samą masę jak zwykłe cząstki, ale różnią się np. znakiem ładunku elektrycznego
lub innymi parametrami. Pierwszą odkrytą antycząstką był antyelektron, nazwany pozytonem, mający ładunek elektryczny równy +1. Odkrycia tego dokonali w 1933 roku Patrick Blackett i Giuseppo
Occhialini. W wyniku zetknięcia się pozytonu z elektronem, cząstki te ulegają unicestwieniu (anihilacji) i następuje wydzielenie energii. To samo dotyczy wszystkich par cząstka-antycząstka. Materię,
którą tworzą antycząstki, nazywamy antymaterią. Należy jednak pamiętać, że określenia cząstka
i antycząstka są względne. Zarówno pozyton, jak i elektron są wzajemnie dla siebie antycząstkami,
a przypisywanie im konkretnego terminu: cząstka lub antycząstka jest umowne. To samo dotyczy
określeń materia i antymateria.
Obecnie trudno jest odpowiedzieć na pytanie, dlaczego istnieje taka różnorodność cząstek. Dlaczego
są trzy generacje cząstek elementarnych? Skoro materię, jaką spotykamy na co dzień, tworzą jedynie
elektrony, kwarki górne i dolne, to dlaczego istnieją inne cząstki i jaką rolę pełnią? Naukowcy starają
się znaleźć odpowiedzi na te pytania i wciąż poszukują teorii, która mogłaby opisać cały obserwowany
wszechświat. Jednym z przedsięwzięć człowieka na tej drodze jest konstrukcja największego jak do
tej pory urządzenia badawczego w historii ludzkości. Prace nad jego budową trwały około 20 lat. Urządzenie jest tak wielkie, że zajmuje obszar około 60 km2, dlatego umieszczono je (również ze względów
strona 10/11
Data utworzenia:
2009-10-31
bezpieczeństwa) 100 metrów pod powierzchnią ziemi. Znajduje się ono na granicy Szwajcarii i Francji,
koło Genewy. Należy do Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych zwanego w skrócie CERN. Urządzenie to nazywa się Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider – LHC) i zostało ostatecznie
uruchomione (po pewnych komplikacjach) w 2009 roku. W urządzeniu tym, którego zasadniczą część
stanowi tunel biegnący po okręgu o obwodzie 27 kilometrów, naukowcy będą badać procesy zderzenia
cząstek zwanych hadronami (np. protonów), czyli tych, które składają się z kwarków. Badając produkty
tych zderzeń, „odłamki materii”, jakie będą powstawać, spodziewają się uzyskać odpowiedzi zbliżające nas do ostatecznej teorii opisującej budowę otaczającego nas wszechświata.
Literatura
1. Mierzecki R.; Historyczny rozwój pojęć chemicznych, PWN, Warszawa 1985.
2. Brock W.H.; Historia chemii, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
3. Green B.; Piękno wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
strona 11/11
Data utworzenia:
2009-10-31
Download