BUDOWA MATERII

Rys historyczny

STAROŻYTNOŚĆ

Starożytni Grecy wierzyli, że cały wszechświat złożony jest z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia oraz wody. Tales z Miletu (620 - 540 p.n.e.), jeden z twórców szkoły jońskiej, zadawał sobie pytanie o "arché", czyli początek, podstawę, osnowę i strukturę świata. Twierdził, że arché to żywioł wody, wszystko z niej pochodzi i do niej powraca - wniosek wyciągnął nie odwołując się do mitów, lecz do obserwacji. Anaksymenes z Miletu (585-525 p.n.e.), kolejny przedstawiciel jońskiej filozofii przyrody uważał, że prazasadę rzeczywistości (arché) stanowi powietrze lub tchnienie (tak jak dusza-oddech jest podstawowym elementem integrującym w przypadku człowieka). Z niego poprzez rozrzedzanie i zagęszczanie powstaje różnorodność rzeczy i zjawisk w świecie - rzadkie powietrze jest ogniem, w miarę gęstnienia przekształca się kolejno w wiatr, chmury, wodę, ziemię, kamienie itd. Wszystkie te zmiany dokonują się dzięki wiecznemu ruchowi. Heraklit z Efezu twierdzi jeszcze inaczej - uważał, że wszystko jest płynne, a świat powstał z ognia. Demokryt z Abdery ogłosił teorię o atomistycznej budowie świata, stąd zwany jest ojcem materializmu. Arystoteles jest autorem klasycznej formuły teorii przyczynowości. Obok formy i materii, traktowanych jako przyczyny wewnętrzne: formalna i materialna, wydzielił 2 przyczyny zewnętrzne: sprawczą i celową, czyli to, dzięki czemu, i to, ze względu na co coś zaistniało.

ŚREDNIOWIECZE

W średniowieczu nastąpił rozwój alchemii. Sądzono, że każda substancja jest kombinacją ognia, powietrza, wody i ziemi. Rozpoznawano wówczas kilka pierwiastków metalicznych: złoto, srebro, miedź, rtęć, żelazo i ołów oraz niemetalicznych, np. siarkę. Jednak ówcześni alchemicy twierdzili, że składają się one ze zmieszanych w odpowiednich proporcjach dwóch pierwiastków podstawowych: rtęci oraz siarki. Inne ciała stałe, określano mianem „ziemi” lub „kryształu”. Tym drugim, z racji ich twardości i czystości, przypisywano pewne właściwości magiczne. Znano zaledwie kilka cieczy. Najpowszechniejszą była bez wątpienia woda. Wiedziano dobrze, że w wodzie rozpuszcza się wiele ciał stałych. Fakt ten przytaczano jako dowód na to, że woda jest czystym pierwiastkiem (bądź też żywiołem). Inną znaną wtedy cieczą był alkohol, jednak z racji niedoskonałości technologii destylacji otrzymywano go roztwór wodny, „ducha” wina. Na przełomie XI i XII wieku arabski alchemik Al-Jabir ogrzewając siarczany w obecności soli otrzymywał kwas solny (HCl), substancję tę uznawano za wodny roztwór „ducha” soli.

PIERWSZE PIERWIASTKI

Pojęcie gazu wówczas jeszcze nie istniało. Produkty przemiany kredy w niegaszone wapno pod wpływem temperatury nazywano „powietrzem”. Dopiero w początkach XVII wieku flamandzki chemik Jan Baptista van Helmont stwierdził, że substancja ta ma właściwości różne od powietrza. Substancje lotne nazwał gazami. Z upływem czasu odkrycia chemiczne doprowadziły do obalenia teorii „Czterech żywiołów”. Powoli odkrywano wiele niezależnych pierwiastków, z których zbudowany był świat. Pojawiła się jednak nowa zagadka. Gdy substancje spalano bądź ogrzewano, zmieniały się one w coś zupełnie innego. Co było przyczyną takich przemian? Niemiecki profesor medycyny Georg Ernest Stahl podejrzewał istnienie flogistonu - substancji odpowiadającej greckiemu żywiołowi ognia (flogiston znaczy „materia ognista”). Jak twierdził, flogiston był składnikiem każdego materiału, który dawał się spalić. Podczas ogrzewania flogiston znika. Np. glejta ołowiana (tlenek ołowiu) była, wg tej teorii, ołowiem pozbawionym zawartego w nim flogistonu. Idąc dalej, gdy tlenek ołowiu żarzono w węglu drzewnym, to by z węgla przechodził do glejty tworząc w efekcie ołów.

Dopiero w końcu XVIII wieku, gdy odkryto tlen i gdy Antoine Lavoisier rozwinął metodę dokładnego pomiaru mas produktów spalania, stwierdzona, że teoria istnienia flogistonu była niepotrzebna, gdyż „pozbawiony flogistonu” znaczyło tyle, co „utleniony”. Prace Lavoisier'a przyczyniły się do powstania teorii atomistycznej (1811). Teoria Daltona o atomowej budowie materii zawierała twierdzenie o różnych masach atomów poszczególnych pierwiastków. XIX-wieczni chemicy przystąpili więc do wyznaczenia tych mas. W owych czasach pomiar masy pojedynczego atomu był niemożliwy, jednak mierząc masy przed i po przeprowadzeniu znanych reakcji chemicznych, można było wyznaczyć stosunki mas atomowych różnych pierwiastków. Jednym z pierwszych, którzy się tym zajmowali był szwedzki uczony Jöns Jakub Berzelius. W 1828 roku opublikował on tablicę względnych mas atomowych pierwiastków, przy tworzeniu której założył, że masa atomowa najlżejszego z pierwiastków, wodoru, wynosi 1, a masa atomu tlenu wynosi 100. To właśnie Berzelius stworzył stosowany do dziś układ symbolicznych oznaczeń pierwiastków i sposób zapisywania ilości atomów danego pierwiastka wchodzących w skład molekuły związku chemicznego za pomocą indeksów dolnych.

WŁAŚCIWOŚCI ATOMÓW

Słowa molekuła i cząsteczka są używane od prawie dwóch stuleci do opisywania podstawowych elementów substancji. Po zaakceptowaniu teorii Daltona odkryto, że każdy związek chemiczny składa się z identycznych molekuł. Masa cząsteczki była sumą mas atomowych jej składników. Już w 1811 roku włoski chemik Amadeo Avogadro di Quarenga wysunął hipotezę, że równe objętości różnych gazów w tych samych warunkach zawierają taką samą ilość cząsteczek. Hipoteza ta nie była wykorzystywana przez blisko 50 lat, aż do roku 1860, gdy Stanislao Cannizzaro opisał nową metodę wyliczania mas atomowych oparta na teorii Avogadry, a polegającą na pomiarze mas jednakowych objętości par różnych pierwiastków. Wprowadził on wyraźne rozróżnienie między masami atomowymi i cząsteczkami gazów. Pokazał także, w jaki sposób masy atomowe pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki mogą zostać obliczone na podstawie mas cząsteczkowych. Jako masę odniesieni przyjmowano wtedy zwykle masę atomu tlenu, a nie wodoru. Tlen był bowiem, z uwagi na swą reaktywność, składnikiem wielu różnych związków chemicznych. W 1850 roku belgijski chemik Jean Servais Stas przyjął, że masa atomowa tlenu wynosi 16. Chemicy dążyli do opracowania metod pomiaru mas atomowych z coraz większą dokładnością. Amerykański chemik Theodore William Richards rozpoczął w 1904 roku pomiary mas atomowych, które długo potem uważano za obowiązujące. Dopiero w świetle odkrycia struktury atomu liczby podane przez Richardsa zmodyfikowano. Mimo istnienia jasnej i oczywistej dla naukowców teorii cząsteczkowej, długo nie można było zaobserwować najmniejszych cząsteczek materii. W 1863 roku zasugerowano, że obserwowane pod mikroskopem ruchy cząsteczek w wodzie (ruchy Browna) mogą być spowodowane uderzeniami w nieporuszające się chaotycznie molekuły wody. Teoria ruchów Browna potwierdzona niemal jednocześnie przez Alberta Einsteina oraz polskiego fizyka Mariana Smoluchowskiego pokazała, że rozmiary cząsteczki wody mogą być wyliczone na podstawie ruchów cząsteczek zawiesin. W 1908 roku francuski fizyk Jean Perrin przeprowadził te obliczenia.

ZOBACZYĆ ATOM

Pojedyncze atomy zaobserwowano dopiero w latach 50-tych XX wieku za pomocą skonstruowanego przez Erwina Mullera mikroskopu jonowego. Umożliwiał on obserwację (a właściwie odwzorowanie) pojedynczych atomów metalu. Od lat 70-tych do obserwacji struktury materii używa się mikroskopów skaningowych, a ostatnio tunelowych. Fizyka XX wieku odkryła wewnętrzną strukturę atomu: protony, neutrony i elektrony. Odkryto też inne cząsteczki elementarne, będące podstawowymi samodzielnymi elementami materii. Stwierdzono również, że cząsteczki elementarne maja swą wew. strukturę, a jej elementami są nieistniejące samodzielnie cząsteczki zwane kwarkami. Jak do tej pory kwark jest uznawany za najmniejszą cząstkę atomu.

BUDOWA ATOMU

Modele budowy atomu:

1. Model Rutherforta - atomy przypominają miniatury układu słonecznego, elektrony poruszają się wokół jądra: A) jądro, B) elektron.

2. Model Bohra - aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie skwantowanych orbit elektronów: A) jądro, B) elektron, C) orbita elektronu.

3. Model Schrodingera - pomysł precyzyjnie określonych orbit elektronów został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony: A - orbital s: elektrony znajdują się w obszarach takich jak ten. Obszar zacieniony pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnej odległości.

---