Przełom
wieku XIX i XX to dla fizyki czasy w których nastąpiło
wiele zmian. W powszechnym przekonaniu uważa się, że był to okres w którym
nastąpiły zmiany takie jak przejście z fizyki klasycznej do fizyki
kwantowej.
Należy
jednak pamiętać, że mimo tego, iż w latach 1895-1905 dokonano wielu milowych
kroków w obszarze doświadczalnym oraz teoretycznym, to proces krystalizowania
się nowych koncepcji w naukach fizyczno-chemicznych nie następował bez
przeszkód oraz pomyłek, a także pewnych fałszywych teorii. Ponadto środowisko
fizyków uważało, że pod koniec wieku XIX fizyka stała się już nauką kompletną i
pozostało jedynie niewiele jej obszarów, które wymagałyby rozstrzygnięcia,
uzupełnienia oraz dopracowania.
Oto
zamierzam przedstawić Ci, drogi czytelniku sylwetki osób szczególnie zasłużonych
w kreowaniu poglądów na temat budowy materii, począwszy od samych pionierów
koncepcji atomistycznej natury wszechświata. Owi protoplaści
tego poglądu byli najczęściej filozofami, zaś okres ich działalności przypada
na epokę starożytną. Sylwetki wspomnianych postaci będę omawiał w kolejności
chronologicznej. Będziemy śledzić zmiany poglądów uczonych począwszy od
starożytności, aż do czasów nam współczesnych. Zapraszam serdecznie do
wspólnej nauki jakże fascynującej historii rozwoju pogladów na temat budowy
materii.
1) Empedokles z Akragas (ok. 490r. p.n.e. – ok. 430 r. p.n.e.) – był on starożytnym Grekiem pochodzącym z Sycylii, czyli terenu dzisiejszych Włoch. Wśród poprzedników Empedoklesa panowały dwa główne i sprzeczne poglądy. Heraklit z Efezu mówił, że wszystko się zmienia. Parmenides z Elei utrzymywał natomiast, że byt jest jeden i niezmienny. Empedokles dokonał oryginalnej syntezy tychże poglądów, a tym samym pogodził je ze sobą. Odrzucił on bowiem dotychczas panującą tezę o jedynym bycie, zaś przyjął tą, która mówiła, iż jest on niezmienny. Chodziło mu jednakże tylko i wyłącznie o niezmienność bytów podstawowych. Nie mógł on bowiem zaprzeczyć temu, co było intuicyjnie oczywiste – a mianowicie, że złożony z nich świat, w którym żyjemy zmienia się. W ten oto sposób narodziła się filozofia czterech podstawowych bytów – żywiołów: ognia, wody, powietrza i ziemi. Przypuszczalnie Empedokles obserwował spalanie różnorodnych rzeczy w ogniu. Rozniecają one ogień, słychać syk parującej wody i unosi się dym (powietrze) oraz tworzy się popiół (co utożsamił filozof z ziemią). Empedokles oddzielił siły od materii. Jego żywioły łączą się bowiem w różnych kombinacjach i proporcjach dzięki sile miłości lub odpychają się dzięki sile nienawiści, tworząc wszystkie obserwowane przez nas rzeczy. Jako pierwszy pokazał on jak w różnorodności może istnieć jedność (patrz: słynna jednorodność w różnorodności, z języka łacińskiego: „unitas in diversitate”). Teoria Empedoklesa nie posiadała ujęcia ilościowego. Nie mówił on dokładnie w jaki sposób miłość i nienawiść stwarzają świat i jakie ścisłe prawa tym rządzą, lecz jak na tamte czasy, było to wielkie osiągnięcie i duży krok do przodu.
W
czasach Empedoklesa atomy wyobrażano sobie jako pewne twory przestrzenne,
których kształt był różny i zależał od rodzaju substancji.
Podstawowe żywioły, które wyróżnione zostały przez Empedoklesa 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
tłumaczono niektóre cechy materii, np. uczucie parzenia przez ogień. Według
niektórych atomistów wrażenie parzenia było swego rodzaju kłuciem, powodowanym
przez atomy ognia, które miały bardzo ostre wierzchołki. Spośród wszystkich
regularnych brył najostrzejsze wierzchołki ma czworościan foremny (a zatem on
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,
iż atomy miały być według Demokryta i Leukipposa niewidoczne sprawiał, iż
korpuskularna koncepcja budowy materii wydawała się wielu mało przekonująca.
Byli jednak tacy, którzy próbowali wykazać, że nie musi to być niedorzeczne.
Próby takiej dokonał m.in. rzymski poeta i filozof – Lukrecjusz w swoim dziele De
Rerum Natura („O naturze wszechrzeczy”). Stara się on w nim przekonać
czytelnika o tym, że jeśli czegoś nie widać, to nie znaczy, że tego nie ma.
Zwraca m.in. uwagę na promienie słońca wpadające do ciemnego pomieszczenia,
które pozwalają zoabczyć mnóstwo drobnych cząstek kurzu unoszących się w powietrzu.
Cząstek tych normalnie nie widać, a jednak istnieją.
zjawiska dobrze nam
znane. Zmiany w przyrodzie Leucyp tłumaczył łączeniem się i rozłączaniem
atomów, zaś różnorodność substancji – różnorodnością formy i połączeń atomów.
Jedyne znane pismo Leucypa, a w zasadzie jego fragment, jest dowodem na to, że
Leucyp był pierwszym deterministą (Reprezentantem nurtu, który zwiemy dziś determinizmem
przyczynowym, z łac. Determinare – oddzielić, ograniczyć, określić – to
była koncepcja filozoficzna wg której wszystkie zdarzenia w ramach przyjętych
paradygmatów są połączone związkiem przyczynowo-skutkowym, a zatem każde
zdarzenie i stan jest zdeterminowane przez swoje uprzednio istniejące przyczyny
(również zdarzenia i stany): Nic nie dzieje się bowiem bez przyczyny, lecz
wszystko z jakiejś racji i konieczności. Prawdopodobnie jego dziełem były tzw.
„Wielkie Tablice Świata”, później włączane do kanonu pism Demokryta. Myśl
Leucypa kontynuwaoł następnie jego uczeń – Demokryt z Abdery. Poglądy ucznia
oraz mistrza były tak sobie bliskie, że wobec niedostatku źródeł trudno jest
ocenić właściwy wkład Leucypa w rozwój filozofii atomistycznej.
wszechświecie. Twierdził
również, że niemożliwe jest, by istniało nieskończenie wiele rodzajów atomów,
odpowiednio dla każdego rodzaju materii, ponieważ natura byłaby wówczas
nieropoznawalna. 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
twierdził również, że każde zjawisko można wytłumaczyć czterema rodzajami
przyczyn. Jego twierdzenia na długo utrwaliły przekonanie, iż każde zjawisko
posiada swój cel. Inną przyczyną krytyki był fakt, iż teoria atomistyczna w
żaden sposb 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, iż 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 przerz wodę, powietrze, ogień i ziemię. Arystoteles za
pierwiastek uważał tworzywo, które nie ma żadnej formy, a to, co można
obserwować w naturze, czyli wodę, powietrze, ogień oraz 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 zaś suche i wilgotne. Ziema 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 bowiem z pnia wydobywa
się płomień (a zatem pierwiastek ognia), unosi się dym (powietrze) i wyciekają
również soki drzewa (woda), zaś 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 grekich 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 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.
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.
stanowiło wyjątkowość
jego teorii. Należy pamiętać, że 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 Dalton oparł na czterech założeniach:
1.
Wszelka materia skłąda 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.
Teoria Daltona oraz prawa
dotyczące składu chemicznego substancji jakie z niej wynikały, umożliwiały
przeprowadzania 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 święcące 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.
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.
Odkrycie neutronu: W 1919r. 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 sobie sprawy z tego, czym ono jest i że stanowi właśnie strumień
Badania przeprowadzone w
akcelatorze 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 atomó 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.
Kwarki oprócz ładunku
elektrycznego posiadają również inne rodzaju 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 się 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 górnej i dolne, to dlaczego istnieją inne cząstki i jaką role
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
kilometrów kwadratowych, dlatego umieszczono je (również ze względów
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.
BIBLIOGRAFIA:
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.
4.
„Rozwój poglądów na temat
budowy materii” – Opracowanie przygotowane przez
wydawnictwo pedagogiczne „ZamKor”.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz