Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 9

Skąd właściwie wiemy, że materia jest zbudowana z atomów? Pierwsze takie teorie pojawiły się już w starożytnej Grecji około 2500 lat temu. Filozof Leucyp i jego uczeń Demokryt przypuszczali wówczas, że materia może składać się z niepodzielnych cząsteczek – dlatego nasze współczesne pojęcie atomu pochodzi od greckiego słowa átomos („niepodzielny”). Również przeciwstawna koncepcja, według której materia miała być dowolnie podzielnym kontinuum, zyskała sobie zwolenników i nie była jeszcze w pełni obalona nawet pod koniec XIX wieku. Jakie naukowo-przyrodnicze fakty przemawiają zatem za atomami?

Pierwsza ilościowa elektroliza wody przeprowadzona ok. 1800 roku przez Wilhelma Rittera. Zgodnie z równaniem

2H₂O → 2H₂ + O₂

reakcji w jej trakcie powstaje dwa razy więcej cząsteczek wodoru niż tlenu, przez co zajmują one dwa razy więcej miejsca. Potwierdzi to Avogadro

Pierwszym impulsem w tej dziedzinie były badania nad gazami w XVIII i XIX wieku. Interpretując temperaturę jako średnią energię kinetyczną cząsteczek gazu, można było dobrze wyjaśnić właściwości fizyczne gazów. Amedeo Avogadro odkrył w 1811 roku, że przy stałych wartościach ciśnienia i temperatury każdy gaz musi wykazywać tę samą liczbę cząstek (atomów lub cząsteczek) dla danej objętości, niezależnie od tego, jaki jest to gaz. W warunkach normalnych (0°C i w warunkach ciśnienia atmosferycznego) w 22,4 litrach gazu znajduje się około 6,022 ⋅ 10²³ cząsteczek¹.

Również ciała stałe wykazują strukturę atomową. Jeśli wyobrazić sobie, że znajdujące się w nich atomy są poustawiane w rzędach jak twarde kuleczki, wówczas można łatwo zrozumieć, dlaczego kryształy mają kanciaste wykończenia pod konkretnymi kątami.

Dodatkowa przesłanka wywodzi się z samej chemii. Azot i tlen mogą przykładowo łączyć się na wiele sposobów. Stosunek masy azotu do tlenu może wynosić 14 : 16 lub 14 : 32 albo 28 : 16. Możliwe są i inne konfiguracje, przy czym jest to zawsze wielokrotność liczby 14 do wielokrotności liczby 16.

Kryształ kalcytu (CaCO₃)

John Dalton wyjaśniał w 1803 roku taki stosunek ilościowy faktem, że jeden lub wiele atomów azotu łączy się z jednym lub wieloma atomami tlenu w cząsteczkę. Przy tym trzeba przyporządkować atomowi azotu masę 14, a atomowi tlenu masę 16 w odpowiednich jednostkach. Dalton przedstawił tym samym przekonujący argument na istnienie atomów, jednak wielu chemików i fizyków podchodziło do tego wyjaśnienia ze sceptycyzmem.

Modele 3D cząsteczek niektórych tlenków azotu (atomy zostały przedstawione zgodnie z ich promieniami van der Waalsa) i stosunki masowe pierwiastków

Około roku 1880 Ludwigowi Boltzmannowi udało się nawet zdefiniować dotychczas niejasne pojęcie entropii na podstawie liczby mikroskopowych wzorów dystrybucji atomów w makroskopowym ciele. Czy to nie powinno było być ostatecznym zwycięstwem hipotezy o atomach? Istniał jednak pewien szkopuł: nikomu nie udało się bezpośrednio dowieść istnienia atomów. Kiedy pytano fizyka Ernsta Macha o atomy, odpowiadał on wówczas sceptycznie pytaniem: „A widzieli Państwo jakieś?”.

Ernst Mach (1838–1916) wątpił w istnienie atomów

Punkt zwrotny nastał najpóźniej w 1905 roku, kiedy Albert Einstein opisał i wyjaśnił mikroskopowe ruchy drgające maleńkich cząstek pyłu (ruchy Browna) powodowane przypadkowymi zderzeniami molekuł i stąd wyprowadził ilościowe prognozy. Dzięki temu można było bezpośrednio zaobserwować skutki zderzeń cząstek i porównać je z obliczeniami Einsteina.

Przypadkowy ruch Browna mikroskopijnie małego ziarenka kurzu (symulacja)

Obecnie możemy obserwować atomy bezpośrednio za pomocą skaningowych mikroskopów tunelowych. Gdyby Ernst Mach zobaczył takie zdjęcia, pewnie by zmienił swoje zdanie na temat atomów.

Zdjęcie nanorurki węglowej () wykonane za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, który uwidacznia poszczególne atomy węgla