Poglądy na temat budowy materii

Budowa materii otaczającej człowieka od wielu wieków była zagadką, którą próbowano rozwiązać na różne sposoby. To jak jest zbudowany Wszechświat było przedmiotem zainteresowań już starożytnych naukowców i filozofów. Zakładano wtedy , że podstawę budowy wszystkiego są cztery żywioły czyli ziemia, powietrze ogień oraz woda. Wielu filozofów zadawało sobie pytanie jaki był faktyczny początek całego istnienia. Nosił on nazwę "arche". I znowu na temat tego początku wielu filozofów miało własne zdanie.

Według Talesa z Miletu chociażby , żyjącego na przełomie siódmego i szóstego wieku przed nasza erą, pierwszeństwo należy przypisać żywiołowi wody. Uważał że to właśnie w wodzie życie wzięło swój początek i prawdopodobnie tam także się skończy.

Natomiast inny z myślicieli, Anaksymenes z Miletu, żyjący w szóstym wieku przed naszą erą sądził , iż początek wszystkiego stanowiło powietrze zwane inaczej tchnieniem. Analogią do tego była dusza człowieka , która stanowiła jego element integrujący.

W tym powietrzu właśnie według filozofa wykształcił się cały otaczający nas świat oraz wszystkie zjawiska z nim związane. Stało się tak na skutek powstawania najpierw zagęszczeń i rozrzedzeń w tym układzie.

Anaksymenes zakładał, że rozrzedzone powietrze odpowiada ogniowi, następnie na skutek wzrostu gęstości ulega przekształceniu kolejno podmuchy wiatru, wodę i wreszcie staje się ziemią.

Inny pogląd na powstanie świata miał Heraklit z Efezu. Według niego to ogień jest przyczyną wszelkiego istnienia.

Natomiast w piątym wieku przed nasza erą Demokryt z Abdery po raz pierwszy przyjął atomistyczną strukturę materii. Zakładał on, taka różnorodność materii w otaczającym człowieka świecie musi być związana z różnorodnością kształtów, liczby i sposobów rozmieszczenia atomów, czyli małych kulek, z których składa się materia.

W kolejnej epoce czyli w średniowieczu bardzo rozwinęła się alchemia. Panował pogląd , że substancje stanowią mieszaninę czterech żywiołów wymienianych przez starożytnych filozofów. Za dwa podstawowe pierwiastki uważano wtedy siarkę i rtęć. Sądzono, że inne znane wówczas pierwiastki takie jak srebro, złoto czy żelazo stanowią odpowiednią ich kombinację.

Ciała nie będące w całości zbudowane z wyżej wymienionych pierwiastków zyskiwały nazwę "ziemia" lub "kryształ" w zależności od stopnia twardości. W czasach średniowiecznych znano również kilka własności wody. Orientowano się, ze jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu ciał stałych i innych cieczy. Natomiast nie były znane mechanizmy tego procesu. Próbowano tłumaczyć to faktem, że woda musi stanowić czysty pierwiastek. W średniowieczu znany był również alkohol, który nazywany był "duchem wina". Na początku dwunastego wieku jednemu z alchemików udało się doprowadzić do otrzymania kwasu solnego. Dokonał tego poprzez ogrzewanie siarczanów w środowisku soli. Kwas solny nazwano "duchem soli".

Nie znano jeszcze wówczas pojęcia - gaz jako odrębnego stanu skupienia wielu substancji. Nazwa ta została wprowadzona do terminologii dopiero w siedemnastym wieku przez Jana Baptistę.

W miarę odkrywania kolejnych pierwiastków została obalona teoria jakoby świat zbudowany był z czterech żywiołów. Zaczęto się orientować , że tych podstawowych substancji do budowy świata jest znacznie więcej.

Nie potrafiono tylko zrozumieć jak to się dzieje, że wiele substancji poddanych działaniu ognia czy wody zmienia swoje właściwości i przekształca się w inna substancję. Próbowano to tłumaczyć na różne sposoby. I tak niektórzy , w tym niemiecki lekarz G. Stahl wysunął tezę, że musi istnieć substancja, która w większym lub mniejszym stopniu zawierają wszystkie ciała , które poddają się ogniowi. Substancję taką nazwał flogistonem.

Był to odpowiednik starożytnego żywiołu ognia.

W wieku osiemnastym doszło do odkrycia tlenu i można było odrzucić teorię flogistonu. W tym samym czasie A. Lavoisier wprowadził metodę, dzięki której można było dokładnie wyznaczać masy produktów spalania.

Dzięki pracom m.in. Huygensa i Boyle'a oraz Newtona został przywrócony nauce pomysł atomu. Ten ostatni w swoich pismach przedstawił tezę, że materia składa się z malutkich i bardzo twardych cząstek. Tak twardych, że nigdy się nie zużywają. Przedstawił również pogląd na temat ich niepodzielności.

Mimo, ze były prowadzone liczne doświadczenia, których wyniki wskazywały na istnienie atomów to świat naukowy nadal podchodził do tego pomysłu sceptycznie. Dopiero Dalton udowodnił, że przyjmując odpowiednio sprecyzowane pojęcie atomu można wytłumaczyć podstawowe prawa chemii. Założenia teorii atomistycznej w ujęciu Daltona są następujące:

* wszystkie pierwiastki składają się z atomów, które są ich najmniejszą i niepodzielną częścią. Jednak zachowują wszystkie własności fizyczne i chemiczne atomów.

* wszystkie atomy danego pierwiastka są jednakowe i mają taką samą masę. Pomiędzy atomami różnych pierwiastków istnieją różnice w masie i właściwościach.

* natomiast gdy dochodzi do łączenia się atomów różnych pierwiastków to powstają wtedy związki chemiczne, przy czym atomy te muszą się łączyć w określonych proporcjach.

Drugie i trzecie założenie prowadzi do prawa stosunków stałych Prousta. Mówi ono, że każdy związek chemiczny ma ściśle określony stały skład ilościowy.

Natomiast prawo stosunków wielokrotnych Daltona mówi, ze jeśli dwa pierwiastko tworzą ze sobą więcej niż jeden związek chemiczny to ilości wagowe jednego z pierwiastków w stosunku do stałej ilości drugiego pierwiastka mają się do siebie jak proste liczby całkowite.

Kolejne prawo to prawo stosunków objętościowych Gay - Lussaca. Mówi ono, że w reakcji zachodzącej miedzy gazowymi substratami objętości substratów i produktów gazowych mierzone w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia maję się do siebie jak proste liczby całkowite.

Na drodze do pełnego zrozumienia pojęcia atomu dużą role odegrały doświadczenia Avogadra. Wysunął on tezę, że w pudełku wypełnionym jakimkolwiek gazem, w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia zawsze będzie tyle samo cząsteczek.

Na początku wydawało się naukowcom, że to nie może być prawda. Nawet Dalton do tego twierdzenia odnosił się dość nieufnie. Ale wkrótce zrozumiano, że Avogadro ma jednak rację. Od tej pory możliwe było obliczenie wielkości atomu.

Można przeprowadzić hipotetyczny eksperyment, który pozwoli na oszacowanie jak duży jest atom. Najpierw należy założyć istnienie pudełka o takich rozmiarach aby w środku mieściło się zawsze tyle gazu ile wynosi jego masa cząsteczkowa. Eksperyment należy przeprowadzać w zerowej temperaturze i pod ciśnieniem jednej atmosfery. I teraz niezależnie od tego jaki gaz się tam znajdzie to zawsze będzie tyle samo cząsteczek. Taką liczbę cząsteczek określa się mianem liczby Avogadra. Rozważania te zbliżyły naukowców do pojęcia jak małe są rozmiary atomów. Jednak na pierwsze poprawne oszacowania wielkości atomów trzeba było czekać do początków dziewiętnastego wieku. Dokonał tego z pomocą przeprowadzanych doświadczeń Thomas Young. Dokonywał on pomiarów napięcia powierzchniowego wody i zakładał, że siła odpowiedzialna za napięcie powierzchniowe musi mieć jakiś związek z zasięgiem oddziaływań między cząsteczkami. Dzięki tym wynikom oszacował, że wielkość cząsteczek wody musi mieścić się w przedziale od 5 - 25 miliardowych centymetra.

Po odkryciu atomu długo uważano, że są one niepodzielną częścią materii, czyli takimi cegiełkami, z których zbudowany jest cały świat i Wszechświat.

Jednak już w roku 1897 okazało się , że jest to błędne twierdzenie. Mianowicie w tym właśnie czasie swoje eksperymenty przeprowadzał J.J. Thomson. Zajmował się on badaniem promieni katodowych. Promienie katodowe były szczegółowo badane 20 lat wcześniej przez Crooksa. Mianowicie uczony ten zajmował się badaniem skutków przepływu prądu przez ślady gazu w lampach wyładowczych. I tak uczony ten zauważył, że powstają dwa strumienie naładowanych cząstek, z których jeden przemieszcza się do anody a drugi do katody. I właśnie to promieniowanie składające się z ujemnie naładowanych cząstek odpychanych przez katodę nosiło nazwę promieniowania katodowego. Uczony zaobserwował, że promienie katodowe przemieszczają się po liniach prostych i są odchylane w polu magnetycznym. Stanowiło to sugestię, że cząstki te są ujemnie naładowane. Nie zdawał sobie jednak sprawy z tego, że nie są to po prostu ujemnie naładowane molekuły czyli odpowiedniki dodatnio naładowanych cząstek.

Thomson odkrył, że w rzeczywistości stanowią one malutkie obdarzone ładunkiem cząstki, które odrywają się od atomów.

Następnie uczony badał prędkość tych cząstek i stwierdził, że stanowi ona zaledwie ułamek prędkości światła. Następnie wykazał, że ich rozmiar musi być znacznie mniejszy od rozmiarów atomów oraz zmierzył stosunek ładunku do masy tych cząstek. Początkowo cząstki te zostały nazwane korpuskułami, ale wkrótce Lorentz zasugerował nazwę "elektron" i tak już zostało.

W ten sposób zostały odkryte elektrony. Wiadomo więc było , że atom musi mieć jakąś wewnętrzną strukturę i, że nie jest niepodzielny.

W oparciu o prace Thomsona w roku 1902 został zaproponowany pierwszy model atomu. Mianowicie swoją propozycję przedstawił Kelvin. Thomson wkrótce go poparł model wszedł do historii nauki jako model Thomsona.

Według tego modelu atom stanowił sferę o jednorodnej budowie i ładunku dodatnim. W sferze tej elektrony rozmieszczone były tak jak "rodzynki w cieście". Wkrótce okazało się, że jest to fałszywy pogląd.

Kolejnego ważnego odkrycia dokonał Rutherford. Uczony ten zajmował się badaniem promieniowania alfa. Podczas przepuszczania wiązki tego promieniowania przez folię ze złota zauważył, że wprawdzie większość cząstek przechodzi przez folię , ale niektóre ulegają rozproszeniu na folii. Burzyło to pogląd o jednorodności budowy atomu.

Na podstawie tych badań powstał nowy model atomu zwany modelem Rutherforda. Model ten zakładał, że w centralnej części atomu znajduje się jądro, które skupia prawie całą masę atomu i cały ładunek dodatni. Wokół jądra natomiast krążą elektrony tak jak planety wokół Słońca. Model Rutherforda nie wyjaśniał jednak jednej rzeczy. Mianowicie elektrony poruszając się wokół jadra po orbitach cały czas emitowałyby promieniowanie elektromagnetyczne aż wreszcie opadałyby na jądro. Model nie wyjaśniał więc dlaczego taka sytuacja nie ma miejsca. Wyjaśnienie tego problemu przyniósł dopiero kolejny model opracowany przez Bohra. Był to pierwszy model atomu , który uwzględniał koncepcję kwantów. Został sformułowany w latach 1912 - 1913.

Bohr również zakładał, że elektrony poruszają się wokół jądra jak planety wokół Słońca. Poczynił jednak jedno ważne założenie. Mianowicie stwierdził, że orbitalny moment pędu elektronów jest wielkością kwantowaną, a elektrony mogą zajmować tylko niektóre orbitale. Każdy z tych orbitali ma ściśle określoną energię, która musi być całkowitą wielokrotnością kwantu podstawowego . Nie występują natomiast orbitale o energiach ułamkowych.

Dzięki temu elektron może pod wpływem absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego przeskoczyć na orbital o wyższej energii, a przechodząc na orbital zlokalizowany bliżej jądra czyli ten o energii mniejszej będzie emitował promieniowanie o energii równej różnicy między dwoma poziomami. Energia zaabsorbowana jest potrzebna do pokonania siły przyciągania jądrowego działającej na elektron. Elektron natomiast nie może poruszać się w kierunku jądra poruszając się po torze spiralnym. Dochodziłoby wtedy do emisji energii w postaci widma ciągłego.

Dzięki modelowi atomu Bohra udało się wyjaśnić, dlaczego światło emitowane przez różne pierwiastki ma różną barwę. Wynika to właśnie z odległości pomiędzy poszczególnymi orbitalami atomowymi.