Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Człowiek, który odkrył
20 centymetrów
niczego

Ściskanie gazu
Zabawa w nazwy
Pelikan i balon
Z powrotem do atomu
Pasjans z
pierwiastkami

Elektryczne żaby
Tajemnica wiązania
chemicznego: znowu
cząstki

Szok w Kopenhadze
Znowu déjà vu
Świece, silniki,
dynama

Niech pole będzie
z tobą

Z prędkością światła
Hertz na ratunek
Magnes i kulka
Pora do domu?
Pierwsza prawdziwa
cząstka

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Z powrotem do atomu
 
Z powrotem do atomu
 
P
rzedstawiciel następnego pokolenia, skromny angielski nauczyciel John Dalton (1766–1844) zajął się badaniem wniosków płynących z  prac Lavoisiera. W  Daltonie znaleźlibyśmy wreszcie typowy, filmowy typ naukowca. Wydaje się, że wiódł zupełnie monotonny tryb życia. Nie ożenił się, gdyż, jak mówił: „mam głowę nazbyt wypełnioną trójkątami, procesami chemicznymi, eksperymentami z  elektrycznością oraz  tym podobnymi rzeczami, bym mógł myśleć o  małżeństwie”. Wielkie urozmaicenie stanowił dla niego spacer lub udział w  spotkaniu sekty kwakrów.
       Dalton rozpoczął karierę jako nauczyciel w  szkole z  internatem, gdzie wolny czas spędzał na lekturze dzieł Newtona i  Boyle'a. Tkwił na tej posadzie przez ponad dziesięć lat, zanim udało mu się zostać wykładowcą matematyki na wyższej uczelni w  Manchesterze. Gdy już tam przybył, poinformowano go, że ma także uczyć chemii. Narzekał na przeciążenie pracą, mimo że uczył 21 godzin tygodniowo! W  1800 roku zwolnił się stamtąd i  otworzył własną akademię, dzięki czemu miał wreszcie znowu dość czasu, by poświęcać się badaniom chemicznym. Do dnia, w  którym ogłosił atomistyczną teorię materii (co wydarzyło się między 1803 a  1808 rokiem), Dalton uważany był przez społeczność naukową raczej za amatora. O  ile wiemy, to on jako pierwszy formalnie wskrzesił demokrytejski termin „atom”, mający oznaczać maleńkie, niepodzielne cząstki, z  których składa się materia. Wprowadził jednak pewną modyfikację. Przypomnijmy, że Demokryt mówił, iż atomy różnych substancji mają różne kształty. W  ujęciu Daltona ich najistotniejszą własność stanowił ciężar.
       Atomistyczna teoria Daltona była jego największym osiągnięciem naukowym. Niezależnie od tego, czy teoria ta wisiała już w  powietrzu (wisiała) albo czy historia przypisała mu zbyt wielką zasługę (według niektórych historyków – zbyt wielką), nikt nie może kwestionować ogromnego wpływu, jaki atomizm wywarł na rozwój chemii – dziedzinę wiedzy, która wkrótce miała się stać jedną z  najbardziej wpływowych nauk. Bardzo dobrze, że to chemia dostarczyła pierwszego eksperymentalnego dowodu świadczącego o  realności atomów. Przypomnijmy sobie marzenie starożytnych Greków: odkryć niezmienne arche w  świecie, gdzie zmienność towarzyszy nam na każdym kroku. A-tom rozwiązywał ten kryzys. Zmieniając konfiguracje a-tomów można dokonywać wszelkich zmian, ale fundament naszej egzystencji – sam a-tom – pozostaje niezmienny. W  chemii stosunkowo niewielka liczba atomów daje nieograniczoną różnorodność z  powodu mnóstwa możliwych kombinacji: atom węgla może połączyć się z  jednym lub dwoma atomami tlenu, wodór z  tlenem albo z  chlorem, albo z  siarką i  tak dalej. A  jednak atomy wodoru zawsze są atomami wodoru – wszystkie zupełnie identyczne i  niezmienne. No, ale znowu się zagalopowaliśmy i  zapomnieliśmy o  naszym bohaterze, Daltonie.
       Dalton zauważył, że własności gazów najlepiej dają się wytłumaczyć przy założeniu, iż są one zbudowane z  atomów. Wykorzystał tę ideę także przy analizowaniu reakcji chemicznych. Stwierdził, że związek chemiczny zawsze zawiera te same ilości wagowe składających się nań pierwiastków. Na przykład węgiel i  tlen łączą się w  tlenek węgla. Żeby ów związek powstał, zawsze potrzeba 12 g  węgla i  16 g  tlenu (albo 12 funtów węgla i  16 funtów tlenu). Niezależnie od rodzaju stosowanych jednostek, stosunek zawsze pozostaje ten sam: 12:16. Jak to uzasadnić? Jeśli atom węgla waży 12 jednostek, a  atom tlenu 16, to makroskopowy ciężar węgla i  tlenu zużytych na wytworzenie tlenku węgla będzie można wyrazić tym samym stosunkiem. Ten jeden przykład nie byłby jeszcze wystarczającym dowodem na rzecz istnienia atomu. Jeśli jednak w  związkach wodoru i  tlenu albo wodoru i  węgla względne ciężary zużytego wodoru, węgla i  tlenu zawsze pozostają w  stosunku 1:12:16, to po prostu zaczyna już brakować innych wyjaśnień. Gdy tę samą logikę zastosuje się do wielu dziesiątków związków, atomy pozostają jedynym sensownym uzasadnieniem.
       Dalton zrewolucjonizował naukę, oznajmiając, że atom jest podstawową jednostką pierwiastka chemicznego i  że każdy rodzaj atomów ma swą własną charakterystyczną wagę. Tak oto pisał w  roku 1808:
       „Są trzy odmiany ciał albo trzy stany, na których chemicy szczególnie skupiali swą uwagę, a  mianowicie te, które określa się jako ciecze elastyczne, ciecze i  ciała stałe. Bardzo słynnym przypadkiem jest woda – ciało, które w  pewnych okolicznościach może występować we wszystkich trzech stanach. W  parze rozpoznajemy doskonale elastyczną ciecz, a  w  lodzie – ciało stałe. Te obserwacje niezauważenie przywiodły nas do wniosku, dość powszechnie akceptowanego, że wszystkie ciała o  postrzegalnych rozmiarach, czy to ciekłe, czy stałe, składają się z  wielkiej liczby niezmiernie małych cząsteczek albo atomów materii złączonych ze sobą dzięki siłom przyciągania, które są mniej lub bardziej silne zależnie od okoliczności [...].
       Analiza i  synteza chemiczna polegają jedynie na porządkowaniu i  rozdzielaniu cząstek i  ich wzajemnym łączeniu. Żadne chemiczne procesy nie mogą doprowadzić do stworzenia ani do zniszczenia atomów. Równie dobrze moglibyśmy usiłować umieścić nową planetę na orbicie wokół Słońca albo zniszczyć już istniejącą, jak stworzyć lub zniszczyć atom wodoru. Wszystkie zmiany, jakie możemy wprowadzić, polegają na oddzielaniu cząstek, które są złączone albo zmieszane, oraz łączeniu tych, które przedtem były od siebie oddalone”.
       Interesujący jest kontrast między stylami uprawiania nauki przez Lavoisiera i  Daltona. Lavoisier dokonywał bardzo skrupulatnych pomiarów, co przyniosło efekty w  postaci całkowitej przebudowy metodologii chemicznej. Dalton mylił się w  wielu miejscach. Błędnie podał względny ciężar tlenu do wodoru jako 7 zamiast 8. Mylił się co do składu wody i  amoniaku. Niemniej dokonał jednego z  najbardziej znaczących odkryć naukowych swej epoki: po około 2200 latach spekulacji i  mętnych hipotez Dalton potwierdził wreszcie, że atomy rzeczywiście istnieją. Zaproponował nowy pogląd, który „jeśli zostanie wprowadzony, co jak nie wątpię z  czasem się stanie, spowoduje nadzwyczaj ważne zmiany w  sposobie uprawiania chemii i  przekształci ją w  naukę o  wielkiej prostocie”. Nie używał wyrafinowanej aparatury – mikroskopów o  wielkiej zdolności rozdzielczej, akceleratorów cząstek; jego narzędzia to parę probówek, waga laboratoryjna, najświeższa literatura chemiczna i  twórcza inspiracja.
       To, co Dalton nazwał atomem, oczywiście nie było a-tomem zapowiedzianym przez Demokryta. Wiemy dziś, że atom tlenu nie jest niepodzielny, że ma złożoną strukturę. Ale nazwa się przyjęła. I  dziś zwyczajowo atomem nazywamy chemiczny atom Daltona, najmniejszą porcję pierwiastka chemicznego takiego, jak wodór, tlen, węgiel czy uran.
Tytuł na pierwszej stronie gazety „Royal Enquirer” w  1815 roku:
 
CHEMIK ZNAJDUJE CZĄSTKĘ ELEMENTARNĄ,
PORZUCA BOA DUSICIELE I  MOCZ.
 
       Od czasu do czasu zdarza się, że jakiś uczony dokona spostrzeżenia tak prostego i  eleganckiego, iż po prostu musi ono być prawdziwe. Spostrzeżenie to wydaje się za jednym zamachem rozwiązywać problem, który dręczył uczonych od wielu lat. Zupełnie wyjątkowo zdarza się, że uczony taki rzeczywiście ma rację.
       O  Williamie Proucie można tylko powiedzieć, że był bardzo blisko. Około roku 1815 sformułował jedną ze wspanialszych „prawie słusznych” interpretacji swego stulecia. Zrządzeniem kapryśnego losu odrzucono ją z  niewłaściwych powodów. Ten angielski chemik myślał, że znalazł elementarną cząstkę, z  której zbudowana jest cała materia. Chodziło mu o  atom wodoru.
       Trzeba przyznać, że była to piękna, elegancka idea, jeśli nawet „nieco” błędna. Prout dążył do tego, do czego dąży każdy dobry naukowiec – zgodnie z  pochodzącą od Greków tradycją, poszukiwał prostoty. Poszukiwał wspólnego czynnika łączącego dwadzieścia pięć znanych wówczas pierwiastków. Szczerze mówiąc, zajęcie to nie było zupełnie zgodne z  linią jego dotychczasowych zainteresowań. Do momentu zajęcia się poszukiwaniami a-tomu jego głównym osiągnięciem było napisanie monografii poświęconej moczowi. Prowadził także rozległe badania nad odchodami boa dusicieli. Nawet nie chcę się domyślać, jak stąd doszedł do atomizmu.
       Prout wiedział, że wodór z  liczbą atomową równą jeden jest najlżejszym ze wszystkich pierwiastków. Być może, mówił, wodór jest pierwotną formą materii, a  wszystkie inne pierwiastki stanowią po prostu zlepki wodorów. W  duchu starożytnych przodków nazwał tę kwintesencję „protylem”. Koncepcja wydawała się sensowna, bo liczby atomowe większości pierwiastków były bliskie liczbom całkowitym, wielokrotnościom ciężaru wodoru. A to głównie dlatego, że względne ciężary były wtedy zazwyczaj niedokładnie znane z  powodu znacznych błędów pomiaru. Gdy poprawiono precyzję pomiarów ciężarów atomowych, hipoteza Prouta została zmiażdżona (z  zupełnie niewłaściwych powodów). Stwierdzono, że względny ciężar atomu chloru wynosi 35,5, i  to zdyskwalifikowało koncepcję Prouta, bo przecież nie można mieć połowy atomu wodoru. Wiemy dziś, że występujący naturalnie chlor jest mieszaniną dwóch odmian, czyli izotopów. Jeden z  nich ma 35 „wodorów”, a  drugi 37. Te „wodory” to protony i  neutrony mające prawie jednakową masę.
       Tak naprawdę Prout mówił o  nukleonie (tak nazywamy każdą z  cząstek, proton i  neutron, które składają się na jądro). Rzeczywiście był już całkiem blisko. Dążenie do stworzenia systemu prostszego niż zestaw około 25 znanych wtedy pierwiastków miało w  końcu zostać uwieńczone sukcesem. Jednak jeszcze nie w  XIX wieku.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach