5399619723

Podstawy fizyki atomowej i jądrowej

Zygmunt Szefliński

1. Atomowa struktura budowy materii

1.1. Chemiczne podstawy atomowej struktury materii - masy cząsteczkowe, masy atomowe.

Już spekulacje starożytnych Greków wprowadzały pojęcia atomu. Demokryt twierdził, że nie tylko materia ale i dusza składa się z atomów. Twierdzenia Demokryta nie poparte obserwacjami i analizą, opartą na dzisiejszych metodach badań naukowych dowodzi jedynie głębokiej wyobraźni naszych przodków i potrzeby poznawania praw przyrody. Aż do połowy osiemnastego wieku, kiedy zaczęła się rozwijać chemia ilościowa nie można było rozstrzygać o prawdziwości tez Demokryta i szkoły epikurejskiej opartych na atomizmie.

Dopiero Antoine Lavoisier w doświadczeniach nad spalaniem substancji zauważył, że ilość materii w reakcjach chemicznych nie ulega zmianie. Pod koniec osiemnastego wieku francuz J.L. Proust odkrywa prawo stosunków stałych, a dwaj Irlandczycy Brian Higgins i Wiliam Higgins sugerują, że reakcje chemiczne zachodzą pomiędzy elementarnymi cząstkami (dziś powiedzielibyśmy atomami) reagujących substancji. Dopiero John Dalton w pracach nad składem takich gazów jak metan, etylen, tlenek węgla i ditlenek węgla sformułował prawo stosunków wielokrotnych, które należałoby przytoczyć, ze względu na wagę jaką odgrywa na drodze do sformułowania współczesnej atomistycznej teorii budowy materii. „Jeżeli substancja A reaguje z substancjif li na dwa lub więcej sposobów, tworząc substancje C i D, wtedy przy stałej masie substancji A, masy substancji II w różnych produktach reakcji chemicznych pozostają do siebie w stosunkach będących ilorazami niewielkich liczb całkowitych”. Przykładowo w różnych związkach azotu, 10 g azotu wiąże się z 5,7; 11,4; 17,1; 22,8 lub 28,5 g tlenu, a masy tlenu mają się do siebie jak: 1:2:3:4:5, są więc prostymi wielokrotnościami mas tlenu. Z obserwacji Daltona można wyciągnąć wniosek, że w reakcjach chemicznych biorą udział hipotetyczne porcje substancji chemicznych i tylko całkowita liczba owych porcji może wziąć udział w reakcji. Te porcje substancji, których nie daje się podzielić mogłyby przypominać atomy Demokryta.

Wkrótce po odkryciu Daltona Louis Gay-Lussac odkrył prawo dotyczące objętości gazów wchodzących w reakcje chemiczne, które to stwierdza: „jeżeli gaz A reaguje z gazem B tworząc gaz C, to przy stałej temperaturze i ciśnieniu stosunki objętości gazów A, B i C wyrażają się prostymi liczbami całkowitymi”. Przykład ilustrujący prawo Gay-Lussaca to tworzenie pary wodnej po połączeniu wodoru z tlenem - dwie objętości wodoru i jedna objętość tlenu tworzą dwie objętości pary wodnej. Prawo Gay Lussaca potwierdza wnioski Daltona ale stawia poważne znaki zapytania. Czy atom tlenu wchodzący w reakcje z atomami wodoru ulega podziałowi, takiemu aby jedna objętość tlenu mogła się podzielić na dwie objętości pary wodnej? Oznaczałoby to podzielność atomów. Chcąc zachować pojęcie niepodzielnego atomu należało wprowadzić pojęcie cząsteczek (molekuł elementarnych), jako najmniejszych obiektów mogących istnieć w stanie swobodnym. Uzgadniając wyniki prac Daltona i Gay-Lussaca, Amadeo Avogadro wprowadził pojęcie molekuł formułując prawo znane dziś jako prawo Avogadro: „przy stałych temperaturze i ciśnieniu, równe objętości wszystkich gazów zawierają jednakową liczbę molekuł (cząsteczek)”. Wracając do przykładu z syntezą wody z wodoru i tlenu, Avogadro pokazał, że implikacją tej reakcji jest dwuatomowość cząsteczek wodoru i tlenu. Teraz widzimy, że tworzenie pary wodnej wygląda następująco 2 cząsteczki wodoru i jedna cząsteczka tlenu tworzą dwie cząsteczki wody, co zapisujemy jako: