Jak zmieniały się poglądy na temat budowy materii

Transkrypt

1 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

2 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 ( r. p.n.e.) a nie w próżni. Świat, jaki obserwujemy, jest z kolei pełen różnorodnego ruchu, strona 2/11

3 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

4 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, niezniszczalnych cząstek. Dzielenie materii polega na rozdzielaniu się zbiorów Robert Boyle ( ) 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 , 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. ( ) 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

5 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 Louis Joseph Proust uważano wciąż za substancje proste, ponieważ ówczesne metody chemiczne 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 ( ) 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. pierwiastki łączą się ze sobą w określony sposób, w stałych stosunkach wagowych, a skład powstałego związku jest możliwie najprostszy. strona 5/11

6 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 przenikać przez różne ciała. Antoine Henri Becquerel ( ) 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 ( ) wynikałoby to z ilości zawartego w nich uranu lub toru. To nasunęło jej strona 6/11

7 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 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 wzbudzonych elektrycznie gazów. Rezultaty te dowodziły, że zarówno elektrony, jak Joseph John Thomson ( ) 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 przeszkód. Oznaczało to, że niektóre z nich napotykają na swojej drodze barierę Ernest Rutherford ( ) 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

8 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 znajdujących 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 Frederic Soddy greckiego wyrażenia 'w tym samym miejscu', co miało wskazywać, że choć ( ) 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

9 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 James Chadwick protony oraz neutrony, a liczba protonów jest taka sama jak liczba elektronów, 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. Nazwę tę zaproponował Murray Gell-Mann, fizyk teoretyk, który od jakiegoś Murray Gell-Mann (ur 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

10 Tabela 1 Cząstka Masa * Ładunek elektryczny elektron 0, Generacja 1 neutrino elektronowe < kwark górny 0, /3 kwark dolny 0,0074 1/3 mion 0,11 1 Generacja 2 neutrino mionowe < 0, kwark powabny 1,6 +2/3 kwark dziwny 0,16 1/3 taon 1,9 1 Generacja 3 neutrino taonowe < 0,033 0 kwark wysoki /3 * Podane wartości mas to krotności masy protonu. kwark niski 5,2 1/3 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 km 2, dlatego umieszczono je (również ze względów strona 10/11

11 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 Brock W.H.; Historia chemii, Prószyński i S-ka, Warszawa Green B.; Piękno wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa strona 11/11