Nad tym, jak zbudowany jest otaczający nas świat, jak wspomniałem w poprzednim odcinku, debatowano od stuleci. Pierwsze ślady koncepcji świata składającego się z maleńkich drobin, których nie da się dzielić w nieskończoność znajdujemy już w staroindyjskich tekstach z ok. VI w. p.n.e. Zwolennicy Dźinizmu opracowali skomplikowane teorie tłumaczące, w jaki sposób owe drobiny mają się łączyć i tworzyć złożone struktury. Nam ta koncepcja jest bliżej znana dzięki Leucypowi z Miletu i jego uczniowi Demokrytowi z Abdery (W Polsce szerzej znany jako „z Abwehry”) – w ich pojęciu świat miał być zbudowany z drobnych, niepodzielnych cząstek, które nazwali właśnie „atomami” (z gr. „nie ciąć”). Atomy miały się od siebie odróżniać np. kształtem i ułożeniem. W jego rozumieniu atomy o ostrych krawędziach miały dawać taki smak potrawom, a te o gładkich smaki łagodne. Demokryt twierdził również iż atomy są w stałym ruchu w próżni co obserwujemy jako różne zmiany w przyrodzie.
Poglądy Demokryta miały wpływ na Platona i wielu innych. Platon, nawiązując do atomistycznej wizji, opisał świat w którym występują żywioły, których cząstki różnią się kształtem i naturą, a mieszając się tworzą różne obiekty. Ogień miał składać się z maleńkich czworościanów, ziemię miały tworzyć sześciany, powietrze – ośmio- a wodę – dwudziestościany. Przestrzeń ponad nieboskłonem miał zaś wypełniać piąty żywioł nazywany „eterem”. Natura przedmiotów miała wynikać z różnych proporcji żywiołów w nich zawartych. I tak te z przewagą ziemi miały spadać a te z ogniem lub powietrzem miały się wznosić. Woda była łagodna z uwagi na kształt owych drobin, a ogień miał parzyć niczym miniaturowe kolce. Różne koncepcje żywiołów, ich kształtów, pochodzenia, właściwości etc. znajdujemy w pismach średniowiecznych alchemików. Na szczególną uwagę zasługuje praca osoby o imieniu Geber, żyjącej w XII wieku, który opisywał przedmioty materialne jako składające się z zewnętrznych i wewnętrznych warstw cząsteczek, które nazwał „korpuskułami”. Oprócz tego autor przekonywał, iż owe „korpuskuły” mogą wnikać w swoje wnętrza nawzajem i zmieniać się w inne. Stąd pochodzi teoria rtęci zmieniającej inne metale w złoto która przetrwała dobre kilkaset lat, a na niektórych forach „przebudzonych” po dziś dzień.
Początki nowoczesnego myślenia w tej kwestii dał Robert Boyle, publikując w 1661 roku pracę pt. „The Sceptical Chymist” w której opisał kilkaset wykonanych przez siebie eksperymentów w których różnymi metodami starał się rozdzielić materię na jak najprostsze elementy. Stwierdził, choć bardzo nieśmiało, że substancji, których nie dało się rozdzielić bardziej, było z pewnością więcej niż cztery, co stawia koncepcję żywiołów pod znakiem zapytania, bo jak widać materia jest złożona z kombinacji wielu różnych „korpuskuł” a tych rodzajów jest z pewnością więcej niż przewiduje koncepcja żywiołów.
fot. domena publiczna
Kolejny krok na drodze ku nowoczesnemu rozumieniu czym jest atom zawdzięczamy odkrywcy tlenu Lavoisierowi. W jego pracach pierwiastek został określony jako substancja, której nie da się rozłożyć na prostsze elementy metodami chemicznymi. Ostatecznie platońską wizję żywiołów pożegnał John Dalton, słusznie kojarzący się z wadą wzroku, nazwaną od jego nazwiska, który opisał materię jako zbiór atomów które w obrębie jednego pierwiastka miały mieć tę samą masę i inne właściwości, a tym co miało je odróżniać od innych atomów, była masa. Zakładał, iż atomy są wieczne i niezniszczalne a podczas reakcji chemicznych miały się zmieniać wyłącznie ułożeniem.
fot. domena publiczna
Powyżej strona z jego pracy zawierająca atomy dwudziestu pierwiastków oraz przykładowe związki, które Dalton również nazywał atomami. Niedługo później nadeszło odkrycie które było eksperymentalnym potwierdzeniem hipotezy materii składającej się z maleńkich cząsteczek zwanych atomami. Mowa tu o zjawisku znanym jako „ruchy Browna”. Ja zauważyłem je już jako dziecko – intrygowało mnie dlaczego oczka tłuszczu na powierzchni kubka mleka ruszają się w różne strony bez ładu i składu. Coś podobnego zaobserwował Robert Brown w XIX wieku gdy obserwował jak „tańczą” pyłki kwiatów zawieszone w wodzie – ich ruch był chaotyczny i nieustanny. Wyjaśnienie nasuwa się samo, jeśli pomyślimy o cieczy jako o zbiorze cząsteczek w nieustannym drganiu w różnych kierunkach. Łatwo wyobrazić sobie taki pyłek „bombardowany” cały czas z różnych stron ogromną ilością drobin. I tak dochodzimy do Mendelejewa i jego układu okresowego na którym można by zakończyć – bo kręcono się w kółko, poza tym że świat składa się z niepodzielnych atomów niewiele więcej wiedziano.
To, że atom nie spełnia definicji „atomu” dowiedziano się dzięki J.J Thomsonowi. W 1897, jak wielu innych fizyków ,eksperymentował z czymś co nazywano „promieniami katodowymi”. Działało to w ten sposób, iż z rozgrzanej katody do anody przelatywał strumień „czegoś”. Thomson postanowił sprawdzić czy owe „promienie” posiadają ładunek elektryczny stawiając na ich drodze kondensator.
Zauważył iż promienie uginają się w kierunku płytki naładowanej dodatnio, a więc same muszą mieć ładunek ujemny, badał on również zachowanie tych promieni w polu magnetycznym o różnym natężeniu. Tu warto sobie przypomnieć „physics gangsta sign” czyli „regułę lewej dłoni” – jeśli ładunek porusza się w kierunku wyznaczanym przez palce a wektor pola magnetycznego jest skierowany do wnętrza dłoni to ładunek będzie odchylany w kierunku kciuka. Wynika z tego, że im większy jest ładunek cząstki, tym bardziej będzie zakrzywiony jej tor, a im cięższa, tym trudniej ją zbić z trajektorii. Thomson testując pola o różnym natężeniu zdołał jedynie wyznaczyć proporcję masy do ładunku tych cząstek bez poznania dokładnych wartości. Wyszło mu dość dużo na korzyść ładunku – nic dziwnego że nazwał tę cząstkę „elektronem”. Na podstawie tego i innych doświadczeń w 1904 opublikował pracę w której stwierdził iż „atomy składają się z ujemnie naładowanych cząstek otoczonych przestrzenią dodatnio naładowaną”, czyli jako pierwszy stwierdził iż atom nie spełnia definicji atomu gdyż jest podzielny. Łatwo zauważyć że w takim modelu ładunek elektronów w atomie jest rozłożony równomiernie wewnątrz sfery atomu.
Na obalenie tej koncepcji nie trzeba było długo czekać – już w 1911 Rutherford opublikował pracę dotyczącą eksperymentu przeprowadzonego w 1909 – mowa o znanym z szkolnych podręczników „doświadczeniu z złotą folią” które odmieniło nasze myślenie. Polegało ono na tym iż arkusz złotej folii był ostrzeliwany cząstkami alfa, które są tożsame z jądrem atomu helu, tj. zawierają dwa protony i dwa neutrony. Jeśli model Thomsona był poprawny, to cząstki powinny przechodzić na drugą stronę bez większych odchyleń toru. Mały, zbity pocisk powinien łatwo przejść przez dużą powłokę.
Tak się jednak nie stało a wynik zaszokował Rutherforda. Cząstki trafiły na drugą stronę, ale część z nich po bardzo zakrzywionym torze a część wręcz odbiła się do źródła promieniowania. Wniosek mógł być tylko jeden. Ładunek w atomie nie znajduje się w całej sferze powłoki a pozostaje skupiony w punkcie centralnym – jądrze. Tylko w ten sposób można wyjaśnić odbicia, niczym kamień od kamienia. To oraz prace Bohra dały model atomu w postaci jądra wraz z krążącymi wokół elektronami.
Czy ten model okazał się być poprawnym? Jak to zwykle bywa w Nauce – nie. Jednak to już część kolejnej historii.
(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.
Naukowy 2022 