Kalendarium

IV - V wiek p.n.e.

Greccy filozofowie Demokryt i Leukippos tworzą pogląd, według którego materia zbudowana jest z niewidzialnych, niepodzielnych cząstek, które nazywają atomami (od greckiego atomos, czyli niepodzielne).

Przez setki lat panuje teoria Arystotelesa, według której istnieją cztery podstawowe elementy: ziemia, ogień, powietrze i woda.

IV wiek p.n.e.

Greccy filozofowie- Platon i Sokrates twierdzą, że materia jest bytem rozciągłym, który można bez końca dzielić na coraz mniejsze kawałki oraz że zbudowana jest ona z czterech podstawowych elementów: ziemi, ognia, powietrza i wody.

Pogląd ten obowiązuje w filozofii i naukach przyrodniczych przez następne stulecia.

1661 r.

Robert Boyle, angielski chemik, fizyk i filozof podaje pierwszą współczesną definicję pierwiastka jako małej cząstki, której nie można podzielić bez utraty jej właściwości chemicznych.

II polowa XVII wieku

J.J.Becher i G.E.Sthal tworzą teorię flogistonu, czyli małej, nieważkiej, niewidzialnej substancji wydzielającej się w procesie utleniania, czyli spalania, rdzewienia itp.

Antoine Lavoisier (1743 - 1794) obalił teorię flogistonu wyjaśniając, że za proces spalania odpowiedzialny jest tlen (odkryty w 1772 roku przez K.W.Sheele), który podczas spalania łączy się z innymi pierwiastkami wydzielając ciepło.

1808 r.

W rozprawie New System of Cemical Philosophy angielski fizyk i chemik John Dalton sformułował współczesną koncepcję związków chemicznych, jako cząstek zbudowanych z atomów, natomiast atomy składają się z pierwiastków, czyli niepodzielnych cząstek o różnych masach i właściwościach chemicznych.

1869 r.

Dymitr Mendelejew rosyjski chemik odkrywa prawo okresowości pierwiastków i zestawia znane mu pierwiastki w układ okresowy według ich masy oraz właściwości chemicznych (wartościowość)

1897 r.

Josepha J. Thomsona fizyk angielski odkrywa istnienie elektronu, co pośrednio wskazuje na to, iż atomy nie są niepodzielnymi cząstkami materii.

1911r.

Ernest Rutherford brytyjski fizyk odkrywa jądro atomowe i przedstawia teorię, według której atom złożony jest z jądra i obiegających je dookoła elektronów.

1919r.

Ernest Ratherford odkrywa proton, czyli cząstkę elementarną obdarzoną dodatnim ładunkiem elementarnym i znajdującą się w jądrze atomowym. Ilość protonów i elektronów w atomie jest równa, co zapewnia mu elektryczna obojętność.

XX wiek

Odkrywanie dalszych cząstek elementarnych np. kwarków, gluonów.

Chemia nieorganiczna i organiczna syntetyzuje wiele nowych materiałów, np. nylon, plastik.

1942r. - budowa pierwszego reaktora atomowego na uniwersytecie w Chicago.

Wykorzystanie w 1945r. rozszczepienia termojądrowego do przeprowadzenia niekontrolowanej reakcji jądrowej i użycie jej do celów wojskowych - bomba atomowa zrzucona na Hiroszimę i Nagasaki.

II polowa XX w.

Dalszy rozwój chemii i fizyki, synteza leków i nowych materiałów.

Stworzenie bomby termojądrowej oraz rozwój energetyki atomowej.

MATERIA

Wszelkie otaczające nas przedmioty zbudowane są z materii np. książka, krzesło, woda, powietrze, czy wszelkie gwiazdy i inne ciała niebieskie. Materia natomiast składa się z mniejszych cząstek zwanych atomami i podzielonych na grupy nazywane pierwiastkami, a charakteryzujące się jednakowymi właściwościami chemicznymi. Atomy złożone są natomiast z mniejszych cząstek nazywanych subatomowymi np. neutronów, elektronów. Które są albo cząstkami niepodzielnymi, jak elektrony, albo też dzielą się jeszcze na drobniejsze cząstki, jak neutrony, czy protony, które podzielić można jeszcze na kwarki.

Powstanie materii

Obecnie najbardziej rozpowszechnionym poglądem na powstanie materii we wszechświecie jest potwierdzona w doświadczeniach koncepcja Wielkiego Wybuchu. Procesowi temu towarzyszyło uwolnienie dużej ilości energii oraz gwałtowne rozszerzanie się przestrzeni zajmowanej przez wszechświat. Po upływie kilku sekund od początku Wielkiego Wybuchu większość energii przemieniła się w materię. Proces tworzenia się znanej nam dzisiaj materii we wszechświecie zakończył się ostatecznie około 300 tys. lat po Wielkim Wybuchu i od tego czasu jedynie w jądrach gwiazd są produkowane pierwiastki cięższe od wodoru i helu.

Istnieje wiele sposobów podziału materii. Jednym z nich jest dzieli materii na ożywioną i nieożywioną.

Materia nieożywiona jest to główny składnik materii we wszechświecie. Materią nieożywioną nazywamy taki rodzaj materii, który nie posiada możliwości wzrostu, reprodukcji i poruszania się np. skały na Ziemi.

Materia ożywiona jest przeciwieństwem materii nieożywionej, czyli posiada zdolność wzrostu, reprodukcji i poruszania się, chociaż tak jak materia nieożywiona składa się z atomów, łączących się w różne związki chemiczne.

STANY MATERII

Wszyscy mieliśmy kiedyś do czynienia z wodą, lodem czy parą i chociaż składają się z tych samych cząsteczek, to jednak różnią się one właściwościami fizycznymi. Fizycy wprowadzili pojęcie stanu skupienia, aby odróżnić ciała o tym samym składzie chemicznym, ale różnych właściwościach fizycznych. Obecnie wyróżniamy cztery podstawowe stany skupienia: stały, ciekły, gazowy oraz plazmę.

Ciałem stałym nazywamy ciało, którego cząstki są na tyle silnie związane, aby zachować stała strukturę, czyli stały kształt i objętość.

Pojęcie cieczy odnosi się do ciał, których cząstki są związane słabiej niż w ciałach stałych, co powoduje, że nie zachowują one własnego kształtu, ale przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują i zmieniają go, gdy przelejemy ciecz do innego naczynia. Jednak cząstki w cieczy są na tyle silnie związane, że ciecz nie podlega zmianie objętości podczas ściskania.

Gazem nazywamy stan skupienia, w którym cząstki są na tyle słabo związane, że nie zachowują ani własnego kształtu, ani objętości. Gaz przybiera kształt zbiornika, w którym się znajduje oraz zajmuje całą objętość tego zbiornika.

Plazma jest ostatnim i najrzadziej spotykanym stanem skupienia. Występuje on głównie w wysokich temperaturach np. wewnątrz Słońca, czy innych gwiazd. Charakteryzuje się tym, że tworzące go cząsteczki to swobodne elektrony i zjonizowane atomy. Na Ziemi plazmę można otrzymać w gazie pod niskim ciśnieniem, który silnie podgrzejemy, albo do którego przyłożymy wysokie napięcie np. w świetlówkach.

WŁAŚCIWOŚCI MATERII

Do właściwości materii zliczymy między innymi masę, gęstość, przewodnictwo cieplne i elektryczne oraz wiele innych wielkości fizycznych. Mówią one fizykom i inżynierom, do czego można wykorzystać daną substancję najlepiej np. stal dobrze przewodzi ciepło i dlatego nadaje się na garnki: szybko będzie przekazywać ciepło gotującej się potrawie. Natomiast plastik ma niską temperaturę topnienia i wykonane z niego garnki szybko zniszczyłyby się nad ogniem.

Z tych powodów badanie właściwości otaczającej nas materii jest zadaniem bardzo ważnym i pożytecznym i wielu naukowców poświęciło mu wiele lat swojego życia.

Zmysłowa percepcja materii

Najprostszym sposobem badania materii jest używanie zmysłów. Wykorzystujemy je codziennie do sprawdzenia czy coś jest słodkie czy gorzkie i w wielu innych sytuacjach. Ponieważ jednak nie jest to metoda naukowa (smak jest odczuciem indywidualnym) naukowcy stworzyli klasę pojęć, którymi dokładnie można opisać własności materii.

Masa

Masa nazywamy ilość materii. Ponieważ takie określenie jest nieprecyzyjne, fizycy wyróżniali dwa rodzaje masy: grawitacyjną i bezwładną, które obecnie uważa się za ten sam rodzaj masy. Pojęcie masy jest użyteczne, ponieważ obowiązuje je ścisłe prawo zachowania, to znaczy masy nie można się pozbyć ani stworzyć, może ona jedynie zmieniać swoje formy. Podstawową jednostką masy jest 1 kg.

Ciężar

Ciężarem nazywamy siłę, z jaką Ziemia przyciąga ciało obdarzone pewną masą.

Objętość

Pod pojęciem objętości rozumiemy przestrzeń zajmowana przez dane ciało. Podstawową jednostką objętości jest metr sześcienny.

Gęstość

Ponieważ ciała o tej samej objętości mogą posiadać inną masę, wprowadzono pojęcie gęstości. Przez gęstość rozumiemy stosunek masy danego ciała do jego objętości. Gęstość wyraża się w jednostkach kilograma na metr sześcienny lub grama na centymetr sześcienny.

Wytrzymałość

Pod pojęciem wytrzymałości rozumiemy zdolność ciał na przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych np. rozciąganie liny, na której utrzymuje się stalowy most bez jej zerwania.

Plastyczność

Plastyczność rozumiemy jako zdolność zmieniania kształtów pod wpływem sił zewnętrznych bez zmiany objętości np. plastelina jest ciałem bardzo plastycznym gdyż nawet niewielkie jej naciśnięcie powoduje trwałą zmianę jej kształtu.

Sprężystość

Sprężystość jest to zdolność materiałów do powracania do kształtów pierwotnych, po ustaniu siły wywołującej zmianę tych kształtów, aby dokładnie określić sprężystość danego materiału. W inżynierii definiuje się współczynnik sprężystości np. plastelina jest ciałem mało sprężystym, gdyż jeśli przestaniemy ją zginać, nie wróci do początkowego kształtu, natomiast guma zaraz po tym, jak przestaniemy ją zginać powraca do kształtu, jaki miała na początku.

Kruchość

Pod pojęciem kruchości rozumiemy skłonność materii do pękania bez żadnych widocznych wcześniej oznak (odkształceń) pod wpływem działającej na nie siły. Kruchość substancji może się zmieniać pod wpływem czynników zewnętrznych, np. temperatury, oraz w wyniku obróbki, jakiej poddano wcześniej dany materiał np. wypalaniu, hartowaniu.

Rozpuszczalność

Rozpuszczalność jest to zdolność substancji stałych do tworzenia roztworów w cieczach np. cukier rozpuszcza się w herbacie itp. Ciecze, w których można rozpuszczać dane substancje nazywamy rozpuszczalnikami. Najpowszechniej występującym na Ziemi rozpuszczalnikiem, w którym można rozpuścić większość substancji jest woda, dlatego często nazywa się ją rozpuszczalnikiem uniwersalnym. Ma to podstawowe znaczenie dla organizmów żywych, gdyż woda transportuje niezbędne dla nich substancje, np. tlen rozpuszczony w wodzie służy rybom do oddychania.

Przewodzenie ciepła

Przewodzenie cieplne to proces, w wyniku którego następuje przekaz ciepła między częściami ciała o różnych temperaturach. Przewodnictwo cieplne zależy od materiału, z jakiego wykonane jest dane ciało, np. metale dobrze przewodzą ciepło, gdy tymczasem drewno jest jego izolatorem.

Przewodzenie elektryczności

Przewodzenie elektryczne to proces polegający na przepływie ładunków między częściami ciała o różnych ładunkach. Do dobrych przewodników elektryczności zalicza się głównie metale. Jest to związane z tym ze posiadają one dużo swobodnych elektronów, mogących przenosić ładunek. Natomiast tworzywa sztuczne, szkło, drewno i większość innych ciał stałych z wyjątkiem węgla są bardzo złymi przewodnikami.

Temperatura topnienia i wrzenia

Dla każdej substancji można wyszczególnić taką temperaturę, w której zmienia ona swój stan skupienia ze stałego na płynny. Tę wartość temperatury nazywamy temperaturą topnienia danej substancji. Gdy natomiast będziemy substancje dalej podgrzewać, zacznie ona w pewnej temperaturze parować całą swoją objętością i wtedy mówimy o wrzeniu. Temperaturę, w której następuje ten proces nazywamy temperatura wrzenia. Zarówno temperatura topnienia, jak i wrzenia zależą od wielu czynników, w szczególności od ciśnienia oraz od zabrudzenia danej substancji innymi związkami

BUDOWA ATOMU

Jak mówiliśmy na początku, grupa atomów, które mają jednakowe własności chemiczne nosi nazwę pierwiastka. Każdy atom natomiast składa się z mniejszych cząstek tzw. cząstek subatomowych. Teraz zajmiemy się lepszym poznaniem cząstek, z których zbudowany jest atom.

Protony, neutrony i elektrony

Każdy atom złożony jest z jądra atomowego, obdarzonego ładunkiem dodatnim i obiegających go ujemnie naładowanych elektronów. Jądro atomowe złożone jest natomiast z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych elektrycznie neutronów. Elektronów krążących po orbitach wokół jądra jest tyle samo, co protonów w jądrze, co zapewnia atomowi elektryczną obojętność.

Izotopy

O własnościach chemicznych atomu decyduje ilość elektronów krążących wokół jądra a wiec ilość protonów znajdujących się w jądrze. Ilość neutronów w jądrze nie ma bezpośredniego wpływu na własności chemiczne pierwiastka i gdy jest różna dla różnych atomów, to mówimy, że są one izotopami danego pierwiastka. Gdy ilość neutronów w jądrze jest zbyt duża wtedy jądro może starać się ją zmniejszyć poprzez różnorakie przemiany nazywane promieniotwórczymi. izotopy, które ulegają takim procesom nazywamy radioizotopami.

Rozmiar atomu

Atomy są o wiele mniejsze, niż jesteśmy sobie w stanie wyobrazić. Ich rozmiary wynoszą ok. 10-10m, tzn. że trzeba ułożyć 10 milionów atomów obok siebie, aby otrzymać łańcuch długości jednego milimetra. Mimo że atomy mają nadzwyczaj małe rozmiary, większość ich objętości stanowi pusta przestrzeń, ponieważ elektrony znajdują się bardzo daleko od jądra, którego rozmiary wynoszą 10-15m (czyli dziesięć tysięcy razy mniej od rozmiaru atomu).

Cząstki subatomowe

Elektron, który wchodzi w skład atomu, uważany jest za cząstkę niepodzielną. Natomiast proton i neutron należą do grupy ponad 200 cząstek subatomowych, które uznaje się za nieelementarne. Fizycy stosując akceleratory cząstek o dużej energii odkryli, że proton i neutron mają wewnętrzną budowę. Cząstki, z których zbudowane są protony i neutrony nazwano kwarkami, a łączą je inne cząstki zwane gluonami. Dodatkowo odkryto jeszcze inne elementarne cząstki subatomowe takie jak neutrina, miony czy taony, które powstają w eksperymentach subatomowych. Część z tych cząstek, nazywana leptonami, jest elementarna tak jak elektron, natomiast druga grupa, zwana bozonami, składa się z kwarków i gluonów tak jak neutron i proton.

Akcelerator cząstek

Akceleratory cząstek to urządzenia wykorzystywane w badaniu oddziaływań cząstek subatomowych i ich budowy. Wykorzystuje się je do przyspieszania cząstek lub jąder atomowych, a następnie zderzania ich między sobą z wysokimi energiami. Zderzenia takie powodują produkcje nowych cząstek rejestrowanych specjalną aparaturą, a następnie analizowanych przez fizyków w celu wyjaśnienia procesów, jakie zaszły podczas zderzenia. Pozwala to na badanie struktur jąder jak i cząstek subatomowych.

W 1932r. John Walton wraz z John`em Crockcfoft skonstruowali pierwszy akcelerator cząstek. W 1951r. otrzymali za to osiągniecie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.