Rozwój poglądów na temat budowy materii.

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.

Rysunek 1 - Empedokles z Akragas

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”.