Nowoczesny atomizm

Nowoczesny atomizm

od

od

Daltona

Daltona

do

do

Bohra

Bohra

dr hab. Andrzej M. Łukasik

dr hab. Andrzej M. Łukasik

Instytut Filozofii UMCS

Instytut Filozofii UMCS

http://

http://

bacon.umcs.lublin.pl

bacon.umcs.lublin.pl

/~

/~

lukasik

lukasik

[e-mail]

[e-mail]

Rozwój chemii w XVIII wieku

Rozwój chemii w XVIII wieku

[…] wynikiem badań chemików pokolenia Lavoisiera

było

wprowadzenie sześciu istotnych zmian do chemii, jaka

ukształtowała się w XVII wieku:

„

uznano powietrze za substancję reaktywną chemicznie;

„

przestano traktować powietrze jako pierwiastek i wprowadzono

pojęcie stanu gazowego;

„

zastosowano wagę do wyznaczania masy gazów;

„

wykazano doświadczalnie przyrost ciężaru substancji spalanych

w powietrzu;

„

sformułowano praktyczną, roboczą definicję pierwiastka;

przyjęto skorygowaną teorię składu chemicznego oraz bardziej

jednoznaczną i mniej zawiłą terminologię i nomenklaturę

związków chemicznych (William H. Brock,

Historia chemii

)

Prawo zachowania masy

Prawo zachowania masy

„

masa substratów przed reakcją równa jest masie

substancji po reakcji

Antoine

L. Lavoisier

-

1777

Michaił

W. Łomonosow -

1756

Prawo stosunków stałych

Prawo stosunków stałych

„

Joseph Louis Proust (1754–1826) składniki wszystkich

związków chemicznych występują zawsze w ściśle określonych

stosunkach ilościowych, niezależnie od warunków, w jakich te

związki zostały wytworzone

„

pierwiastków nie można łączyć w związki chemiczne w

dowolnych proporcjach

Podstawy nowoczesnej atomistyki

Podstawy nowoczesnej atomistyki

„

„

John

John

Dalton

Dalton

–

–

twórca nowoczesnej atomistyki

twórca nowoczesnej atomistyki

„

„

Pojęcie atomu staje się kategorią chemiczną i uzyskuje treść

Pojęcie atomu staje się kategorią chemiczną i uzyskuje treść

związaną z badaniami eksperymentalnymi

związaną z badaniami eksperymentalnymi

–

–

empiryczne określenie

empiryczne określenie

względnych ciężarów atomowych

względnych ciężarów atomowych

„

„

Prawo stosunków wielokrotnych (1805)

Prawo stosunków wielokrotnych (1805)

„

„

New System

New System

of

of

Chemical

Chemical

Philosophy

Philosophy

(1808)

(1808)

Prawo stosunków wielokrotnych

Prawo stosunków wielokrotnych

„

jeżeli dwa pierwiastki tworzą ze sobą różne związki chemiczne, to

pierwiastki te łączą się w różnych stosunkach wagowych, a stosunki te

wyrażają się niewielkimi liczbami całkowitymi

„

przykład - tlenek i dwutlenek węgla

„

Skład chemiczny wyrażony w stosunkach wagowych:
CO —

42,9 części wagowych C i 57,1 części wagowych O,

CO

2

—

42,9 części wagowych C i 114,2 części wagowych O

w dwutlenku węgla na tę samą ilość węgla przypada dwa razy więcej

tlenu niż w tlenku węgla. Stosunki wagowe pomiędzy łączącymi się

pierwiastkami wyrażają się liczbami całkowitymi i okazują się również

czynnikiem decydującym o własnościach związków chemicznych

New System of Chemical Philosophy

(1808)

„

Wszystkie ciała składają się z atomów powiązanych ze sobą

siłami przyciągania.

„

Wszystkie atomy ciał homogenicznych mają dokładnie taki sam

ciężar, wielkość i pozostałe własności.

„

Różne pierwiastki składają się z różnych atomów, w

szczególności atomy poszczególnych pierwiastków różnią się od

siebie ciężarem. Pierwiastki, podobnie jak atomy, z których są

zbudowane, są niezmienne i nie mogą się wzajemnie w siebie

przemieniać.

„

Atomy są niepodzielne chemicznie, a reakcje chemiczne mogą

jedynie doprowadzić do zmiany połączeń atomów.

„

Tworzenie się związków chemicznych z pierwiastków zachodzi

dzięki tworzeniu się “złożonych atomów” (

compound atoms

),

zawierających określoną liczbę atomów każdego pierwiastka.

„[chemicy] zawdzięczają Daltonowi

nie nowe prawa

eksperymentalne, lecz nowy sposób uprawiania chemii (on

sam nazwał go “nowym systemem filozofii chemicznej”).

Przyniósł on tak szybkie i oczywiste wyniki, że zaledwie paru

starszych chemików we Francji i Anglii ośmieliło się mu

oponować. W rezultacie chemicy przenieśli się do nowego

świata, w którym reakcje przebiegały zupełnie inaczej niż

poprzednio” (

Thomas

Thomas

Kuhn

Kuhn

,

,

Struktura rewolucji naukowych)

Struktura rewolucji naukowych)

„

„

1868–1871 Julius

Lothar

Meyer, Dmitryj

Iwanowicz

Mendelejew

Atomizm w fizyce

Atomizm w fizyce

Kinetyczno

Kinetyczno

-

-

molekularna teoria materii, II połowa XIX wieku

molekularna teoria materii, II połowa XIX wieku

James

James

Clerk

Clerk

Maxwell Ludwig

Maxwell Ludwig

Boltzmann

Boltzmann

Redukcja termodynamiki fenomenologicznej do

Redukcja termodynamiki fenomenologicznej do

fizyki statystycznej

fizyki statystycznej

„

James Clerk Maxwell (1831–1879), Rudolf Julius Emmanuel

Clausius (1822–1888), Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906)

„

Ciepło jest procesem, który polega na przekazywaniu energii

kinetycznej od jednego ciała do drugiego w rezultacie

wzajemnych zderzeń między cząsteczkami.

„

Zastosowanie praw mechaniki Newtona do bardzo dużej liczby

atomów lub cząsteczek i wytłumaczenie zachowania gazu

statystycznie, poprzez uśrednienie zachowania pojedynczych

cząsteczek

„

Matematyczny opis procesów gazowych - mechanika

statystyczna (rachunek prawdopodobieństwa)

Boltzmann

Boltzmann

–

–

mikroskopowa interpretacja II

mikroskopowa interpretacja II

zasady

zasady

termodymaniki

termodymaniki

„

„

II zasada termodynamiki:

II zasada termodynamiki:

dS

dS

/dt>0

/dt>0

„

„

S =

S =

k

k

b

b

lnP

lnP

„

„

Wzrost entropii w układach izolowanych oznacza ewolucję od

Wzrost entropii w układach izolowanych oznacza ewolucję od

stanów bardziej uporządkowanych do mniej uporządkowanych

stanów bardziej uporządkowanych do mniej uporządkowanych

(od stanów mniej prawdopodobnych do bardziej

(od stanów mniej prawdopodobnych do bardziej

prawdopodobnych)

prawdopodobnych)

„

„

Proces, w którym entropia rożnie jest bardziej prawdopodobny

Proces, w którym entropia rożnie jest bardziej prawdopodobny

niż proces, w którym entropia maleje

niż proces, w którym entropia maleje

Ruchy

Ruchy

Browna

Browna

Robert

Robert

Brown

Brown

(1827)

(1827)

–

–

chaotyczne drgania cząsteczek pyłków

chaotyczne drgania cząsteczek pyłków

roślin zawieszonych w cieczy, które można obserwować przez

roślin zawieszonych w cieczy, które można obserwować przez

mikroskop

mikroskop

„

Teorię ruchów Browna na podstawie

hipotezy atomistycznej podali niezależnie

od siebie Einstein w 1905 roku i Marian

Smoluchowski (1872–1917) w roku 1906.

„

Wyniki teoretyczne uzyskały

potwierdzenie eksperymentalne w

pracach Jeana Baptiste’a Perrina (1870–

1942) w latach 1908–1911.

„

Sformułowanie teorii ruchów Browna

miało przełomowe znaczenie w sporze o

realność atomów

„

„

1666

1666

–

–

Isaac

Isaac

Newton:

Newton:

rozszczepienie światła

rozszczepienie światła

(przepuszczając światło

(przepuszczając światło

słoneczne przez mały otwór

słoneczne przez mały otwór

w zasłonie okiennej, a

w zasłonie okiennej, a

następnie przez pryzmat,

następnie przez pryzmat,

zaobserwował barwne

zaobserwował barwne

widmo słoneczne)

widmo słoneczne)

Dyskretne linie widmowe

Dyskretne linie widmowe

„

„

1802

1802

-

-

William Hyde

William Hyde

Wollaston

Wollaston

(1766

(1766

–

–

1828): obserwacje

1828): obserwacje

ciemnych linii w widmie słonecznym

ciemnych linii w widmie słonecznym

„

„

1814

1814

-

-

Joseph

Joseph

von

von

Fraunhofer

Fraunhofer

(1787

(1787

–

–

1826): spektrometr, w

1826): spektrometr, w

widmie słonecznym kilkaset ciemnych prążków występujących

widmie słonecznym kilkaset ciemnych prążków występujących

w obszarach różnych barw

w obszarach różnych barw

„

„

1834

1834

-

-

William Henry

William Henry

Fox

Fox

Talbot

Talbot

(1800

(1800

–

–

1877)

1877)

-

-

rozróżnianie

rozróżnianie

substancji chemicznych na podstawie ich widm

substancji chemicznych na podstawie ich widm

„

„

1859

1859

-

-

Gustav

Gustav

Robert

Robert

Kirchhoff

Kirchhoff

(1824

(1824

–

–

1887) i Robert Bunsen

1887) i Robert Bunsen

(1811

(1811

–

–

1899): wyjaśnienie pochodzenia ciemnych linii w

1899): wyjaśnienie pochodzenia ciemnych linii w

widmie słonecznym jako rezultat absorpcji światła o

widmie słonecznym jako rezultat absorpcji światła o

określonej barwie przez różne pierwiastki.

określonej barwie przez różne pierwiastki.

Prawa spektroskopii

Prawa spektroskopii

Kirchhoffa

Kirchhoffa

1. Każdemu pierwiastkowi odpowiada charakterystyczne widmo.

1. Każdemu pierwiastkowi odpowiada charakterystyczne widmo.

2. Każdy pierwiastek zdolny jest absorbować promieniowanie,

2. Każdy pierwiastek zdolny jest absorbować promieniowanie,

które może emitować.

które może emitować.

„

„

Początek nowej nauki

Początek nowej nauki

—

—

astrofizyki

astrofizyki

„

„

Badanie widma światła (promieniowania

Badanie widma światła (promieniowania

elektromagnetycznego) stanowi współcześnie jedną z

elektromagnetycznego) stanowi współcześnie jedną z

podstawowych metod astronomii obserwacyjnej

podstawowych metod astronomii obserwacyjnej

Wilhelm Konrad

Wilhelm Konrad Röntgen

(1845

(1845

-

-

1923)

1923)

1895

1895

-

-

odkrycie promieni X

odkrycie promieni X

Odkrycie promieniotwórczości

Odkrycie promieniotwórczości

„

„

Antoine

Antoine

Henri

Henri

Becquelel

Becquelel

–

–

1896

1896

promieniotwórczość uranu

promieniotwórczość uranu

„

„

Pierre

Pierre

Curie i Maria Skłodowska

Curie i Maria Skłodowska

-

-

Curie radioaktywność toru orz

Curie radioaktywność toru orz

odkrycie nowych pierwiastków:

odkrycie nowych pierwiastków:

polon i rad (1898)

polon i rad (1898)

„

„

Ernest

Ernest

Rutherford

Rutherford

(1899)

(1899)

–

–

składowe „alfa” i „beta” w

składowe „alfa” i „beta” w

promieniowaniu radu

promieniowaniu radu

„

„

Poul

Poul

Willard

Willard

–

–

promienie

promienie

„gamma”

„gamma”

Odkrycie elektronu

Odkrycie elektronu

Joseph

Joseph

John

John

Thomson

Thomson

, 1897

, 1897

„

„

Badania nad promieniami

Badania nad promieniami

katodowymi

katodowymi

„

„

Pomiar stosunku masy

Pomiar stosunku masy

elektronu do ładunku

elektronu do ładunku

m/e = 1,759 x 10

m/e = 1,759 x 10

11

11

C/kg

C/kg

„

„

1909 Robert

1909 Robert

Andrew

Andrew

Millikan

Millikan

:

:

e = 1,6 x 10

e = 1,6 x 10

-

-

19

19

C

C

m = 9,1 x 10

m = 9,1 x 10

-

-

31

31

kg

kg

„

Model atomu Thomsona (1902) — “ciasto z rodzynkami”. W

dodatnio naładowanej kulistej kropli materii o rozmiarach

rzędu 10

–10

m tkwią ujemnie naładowane elektrony. Atom

jako całość jest elektrycznie obojętny

„

„

To z pewnością najbardziej niewiarygodna rzecz, która

To z pewnością najbardziej niewiarygodna rzecz, która

wydarzyła mi się w życiu

wydarzyła mi się w życiu

—

—

napisał

napisał

Rutherford

Rutherford

. Było to tak

. Było to tak

samo niewiarygodne, jakby 15

samo niewiarygodne, jakby 15

-

-

calowy pocisk, który

calowy pocisk, który

wystrzeliliście

wystrzeliliście

w

w

kierunku

kierunku

kawałka bibułki, wrócił i trafił w was

kawałka bibułki, wrócił i trafił w was

(

(

Rutherford

Rutherford

)

)

Planetarny model atomu

Planetarny model atomu

Rutherforda

Rutherforda

(1911)

(1911)

„

„

Rozmiary atomu

Rozmiary atomu

–

–

10

10

–

–

10

10

m

m

„

„

Rozmiary jądra atomowego: 10

Rozmiary jądra atomowego: 10

-

-

15

15

m

m

Max

Max

Planck

Planck

(1858

(1858

-

-

1947)

1947)

prawo promieniowania

prawo promieniowania

ciała doskonale czarnego (

ciała doskonale czarnego (

bbr

bbr

)

)

14 grudnia 1900

14 grudnia 1900

–

–

narodziny teorii kwantów

narodziny teorii kwantów

h

h

–

–

elementarny kwant działania

elementarny kwant działania

λ

λ

π

λ

λ

λ

d

e

hc

d

T

u

kT

hc

1

1

8

)

,

(

5

−

=

ν

h

E =

h

h

„

energia jest emitowana i absorbowana nie w sposób ciągły, ale w

sposób dyskretny, czyli kwantami, proporcjonalnie do stałej

Plancka

h

i częstości

ν

Albert Einstein (1879

Albert Einstein (1879

-

-

1955)

1955)

teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905)

teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905)

„

światło jest strumieniem cząstek (fotonów), których energia

jest proporcjonalna do częstości fali świetlnej:

E = h

ν,

„

pęd fotonów

p

związany jest z długością fali świetlnej

λ

wzorem:

p = h/ λ = h

ν

/c

„

c

= 3 x 10

8

m/s – prędkość światła w próżni

Niels

Niels

Bohr

Bohr

(1855

(1855

-

-

1962)

1962)

model atomu wodoru (1913)

model atomu wodoru (1913)

Postulaty kwantowe

Postulaty kwantowe

Bohra

Bohra

1.

Ze wszystkich możliwych klasycznych orbit kołowych tylko takie są

dozwolone, na których wartość momentu pędu elektronu (

mvr

) jest

całkowitą wielokrotnością stałej Plancka

h

podzielonej przez 2

π

:

mvr = nh/

2

π

.

orbity są skwantowane

-

ich promienie mogą przybierać jedynie

ściśle określone, dyskretne wartości.

2.

Elektron na dozwolonej, czyli stacjonarnej orbicie nie promieniuje

energii.

3.

Elektron emituje lub absorbuje energię tylko podczas przejścia z

jednej orbity stacjonarnej na drugą; energia wypromieniowanego

lub pochłoniętego kwantu promieniowania elektromagnetycznego

równa jest wartości bezwzględnej różnicy energii stanu końcowego

E

n

i początkowego

E

m

Louis

Victor

de Broglie

(1892–1987)

hipoteza f

al materii

al materii

(1924)

Recherches sur la théorie des Quanta

p

h

λ

=