O atomie słów parę

Przekonanie, że świat składa się z atomów, sięga aż starożytności. Po raz pierwszy sformułował je Leucyp (Leukippos) z Miletu w V w. p.n.e., jednak przeważająca część pism tego filozofa zaginęła. Musimy więc posiłkować się pismami ucznia Leucypa, Demokryta z Abdery. Teoria atomistyczna następnie była rozwijana przez Epikura (341-271 p.n.e.). Atomy uważano wówczas za:

1. małe
2. niepodzielne
3. niezmienne
4. nieprzenikliwe
5. różnią się rozmiarami i kształtem
6. otoczone próżnią
7. znajdujące się w wiecznym ruchu
8. właściwości ciał zależą od rodzaju tworzących je atomów i ich rozmieszczenia
1. substancje twarde - atomy ułożone gęsto, miękkie - luźno
2. słodki smak - gładkie atomy
3. pozostałe smaki - ostre, nierówne atomy
9. istnienie jest skupieniem atomów, a śmierć rozproszeniem.

Teoria ta nie miała ścisłych podstaw eksperymentalnych, a jedynie filozoficzne, poparte prostymi obserwacjami przyrody. Mimo to, z pewnymi zastrzeżeniami (pkt. 2 i 3), niektóre założenia są nadal aktualne (pkt. 1, 5, 7 i częściowo 8). Atomy początkowo uważano za niepodzielne, czyli niemożliwe do rozbicia na mniejsze całości. Stąd też  ich nazwa, wywodząca się od gr. atomos. Miała ona również odbicie w języku polskim - wybitny polski chemik Ursinus Leopolita ze Lwowa (XIV w.) nazwał je „niesiekomymi”, czyli niedającymi się dzielić ("siekać"). Jak się jednak miało okazać na przełomie XIX i XX w., atomy mogą zarówno mogą się zmieniać jeden w drugi, jak również i dzielić - ale nie wyprzedzajmy faktów. 

Teorię atomistyczną rozwinął Robert Boyle, podając przy tym nowoczesną definicję pierwiastka chemicznego (1661) i formułując prawo dotyczące zachowania gazu doskonałego w przemianie izotermicznej, znane później jako prawo Boyle'a-Mariotte'a. Następnie John Dalton stworzył kompleksową teorię atomistyczną, opublikowaną w 1808 r.:

• Materia złożona jest z niepodzielnych atomów
• Atomy mają kulisty kształt
• Wszystkie atomy jednego pierwiastka mają identyczną masę i pozostałe właściwości
• Każdy pierwiastek zbudowany jest z niepowtarzalnych atomów, różniących się od innych pierwiastków masą
• Atomy są niezniszczalne i nie podlegają przemianom podczas reakcji chemicznych, zmienia się tylko ich wzajemne ułożenie i powiązanie
• Cząsteczka związku chemicznego składa się ze skończonej i niewielkiej liczby atomów różnych pierwiastków [LINK].

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/Daltons_symbols.gif

Choć teoria atomistyczna była bardzo użyteczna dla chemików, pozwalając wytłumaczyć tworzenie związków chemicznych, rozpuszczalność, rozcieńczanie itp., to jednak przez fizyków była traktowana jako hipoteza aż do końca XIX w. Spierano się zarówno o samo istnienie atomów, jak również ich budowę. Spekulowano o obecności cząstek elementarnych i przez długi czas uważano atomy za jednorodne kule, przypominające kulki łożyskowe lub kule bilardowe. Wkrótce jednak nastąpiła cała seria doniosłych odkryć.

Najpierw w 1838 r. Michael Faraday odkrył elektron przepuszczając prąd elektryczny przez szklaną rurę z rozrzedzonym powietrzem. Zaobserwował wówczas charakterystyczne światło między elektrodami, które nazwano promieniami katodowymi. Następnie Joseph John Thomson w 1896 r. ustalił naturę promieni katodowych, które okazały się strumieniem elektronów, ujemnie naładowanych lekkich cząstek, ulegających odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym (na tej zasadzie działa kineskop).  

https://fizyka.umk.pl/~marta_985/prezentacja1/odkrycie_elektronu.html

Powstał wówczas model atomu, tzw. model Thomsona, który zakładał, że ujemnie naładowane elektrony są zatopione w jednorodnym jądrze atomowym o ładunku dodatnim niczym rodzynki w cieście. Jeszcze bardziej obrazowo można to porównać do ciasteczek „piegusków”: 

http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/1/3/1

Elektrony musiały być rozmieszczone w jądrze symetrycznie, aby ich ujemny ładunek mógł być równoważony przez dodatni ładunek jądra. Rodziło to duże problemy przy większej liczbie elektronów, które próbowano rozwiązać, zakładając grupowanie się elektronów w większe pakiety, następnie rozmieszczone symetrycznie. Mimo to, powyżej pewnej liczby elektronów, model ten był zbyt skomplikowany od strony matematycznej. 

Model Thomsona został definitywnie obalony w eksperymencie Rutherforda ze złotą folią  bombardowaną cząstkami alfa. Przeprowadzali go Hans Geiger i Ernest Marsden pod kierownictwem Ernesta Rutherforda w latach 1908-1913. Folia miała grubość 1/1000 mm, co odpowiadało w przybliżeniu warstwie o grubości 400 atomów złota. Źródłem cząstek alfa był polon-210. Emitowane przezeń cząstki, po przejściu przez kolimator formujący odpowiedni strumień, trafiały w tarczę ze złotej folii, a następnie w umieszczony za nią ekran scyntylacyjny z siarczkiem cynku. Każde trafienie cząstki w ekran powodowało błyski, możliwe do zliczenia pod mikroskopem, pod warunkiem zaadaptowania wzroku do ciemności. Ekran scyntylacyjny można było umieszczać pod zmiennym kątem w stosunku do tarczy i to po obu jej stronach. Z urządzenia wypompowano powietrze, aby nie zakłócało toru lotu cząstek alfa.

https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger%E2%80%93Marsden_experiments

Większość cząstek alfa przechodziła przez złotą folię bez zmiany kierunku. Niekiedy jednak (1:1000) zdarzało się odchylenie toru o kąt powyżej 10 stopni, pojedyncze zaś odchylały się o 90 stopni czy były wręcz odrzucane wstecz (1:20000 cząstek). Porównane to zostało przez Rutherforda  do pocisku artyleryjskiego kalibru 15 cali (381 mm), który trafiwszy w bibułkę, odbił się od niej i wrócił do strzelającego. Obrazowo ukazuje to poniższy schemat - w rzeczywistości ekran scyntylacyjny nie był umieszczony dookoła złotej folii, tylko trzeba było go ustawić pod odpowiednim kątem w stosunku do tarczy.

https://slideplayer.pl/slide/13793311/

Po ustawieniu ekranu po stronie źródła, pod kątem 45 stopni w stosunku do tarczy, zaobserwowano pojedyncze scyntylacje, których zgodnie z modelem Thomsona nie miało prawa być. Dla pewności umieszczono specjalną przesłonę, aby wyeliminować możliwość trafienia w ekran cząstek pochodzących bezpośrednio ze źródła:

cyt. za: Richard Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, Warszawa 2021, s. 60, tory cząstek
zaznaczyłem samemu dla zwiększenia czytelności schematu

Eksperyment wyraźnie dowiódł, że w atomie większość masy jest skupiona w jądrze, zaś pozostała przestrzeń jest praktycznie pusta. Zanegowało to definitywnie model Thomsona, przy którym takie zjawisko nie miałoby prawa wystąpić:

https://mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/chemia/28543-z-atomem-przez-wieki-czesc-2

Powstał wówczas model Rutherforda z elektronami krążącymi po orbitach niczym planety wokół Słońca. Był od razu krytykowany, ponieważ opierał się na klasycznej mechanice newtonowskiej. Elektrony, krążące wokół jądra na zdefiniowanych orbitach, powinny przyspieszać. Zgodnie z teorią elektromagnetyczną Maxwella naładowana cząstka, gdy przyspiesza, emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Promieniowanie to, zgodnie z zasadą zachowania energii, powoduje utratę energii przez cząstkę. W związku z tym cząstka powinna krążyć coraz bliżej jądra, aż wreszcie, po 10^-10 s, zderzyć się z nim. Czyniłoby to atom niestabilnym, podczas gdy atom z zasady jest bardzo stabilny (z wyjątkiem dla rozpadu promieniotwórczego). Model Rutherforda wyparty więc został przez model Bohra, który dopuszczał jedynie dyskretne orbity elektronowe, po których krążą elektrony nie wypromieniowując energii. Każda orbita miała określony poziom energii elektronów. Przejście z niższej orbity na wyższej wymagało dostarczenia energii z zewnątrz, zaś z wyższej na niższą powodowało oddanie nadmiaru energii poprzez emisję kwantu promieniowania gamma. 

https://www.britannica.com/science/Bohr-model

Model Bohra również został zastąpiony przez jeszcze nowsze modele - jednym z głównych usprawnień było zastąpienie orbit kołowych przez orbitale, czyli chmury, w których jest największe prawdopodobieństwo spotkania elektronu. 

Zgodnie bowiem z zasadą nieoznaczoności Heisenberga niektórych wielkości nie można oznaczyć jednocześnie, ponieważ metoda pomiaru wpływa na mierzony układ. Taką parą wartości jest np. pęd i położenie elektronu. Gdy próbujemy zmierzyć jedną z nich, akt pomiaru sprawia, że część drugiej wielkości tracimy. Przypomina to próbę sfotografowania szybko poruszającego się pojazdu: na zdjęciu możemy uzyskać ostry obraz pojazdu albo tła, ale nigdy obu tych obiektów jednocześnie.

***

Wróćmy jednak do odkryć poszczególnych cząstek elementarnych. Elektron był już znany, natomiast budowa jądra pozostawała niewiadomą. Wiedziano tylko, że zawiera silny ładunek dodatni, równoważący ujemne ładunki elektronów. W 1886 r. Eugene Goldstein odkrył tzw. promieniowanie anodowe, czyli strumień dodatnich jonów, powstający w lampie katodowej za jej perforowaną katodą. 

https://en.wikipedia.org/wiki/Anode_ray

W odróżnieniu od promieni katodowych, których ujemny ładunek był stały, promienie anodowe wykazywały zmienny stosunek dodatniego ładunku elektrycznego do masy, zależny od tego, jakim gazem napełniono lampę katodową (ładunek dodatni zależy od liczby protonów w jądrze, zaś masa od sumy protonów i neutronów). Nie mogły więc to być pojedyncze cząstki. W 1898 r. Wilhelm Wien odkrył, że jony wodoru mają najwyższy stosunek ładunku do masy, wynoszący 1:1. Wkrótce Rutherford przeprowadził serię eksperymentów z bombardowaniem różnych gazów cząstkami alfa. W tym celu skonstruował cylindryczną komorę wyposażoną w źródło radowe (D), ekran scyntylacyjny (S) oraz króćce do wpompowywania i wypompowywania gazów:

https://iopscience.iop.org/book/978-0-7503-1173-1/chapter/bk978-0-7503-1173-1ch3

Zaczął od wodoru i odkrył, że cząstki alfa, mające wysoką energię, powodują przyspieszanie jonów wodoru i powstawanie błysków na ekranie scyntylacyjnym nawet w dużej odległości do źródła, nieosiągalnej dla cząstek alfa. Gdy napełnił aparaturę powietrzem, również zaobserwował wzrost liczby scyntylacji, choć zawartość wodoru w powietrzu atmosferycznym jest niewielka (0,5 ppm), nie licząc pary wodnej. Pomimo osuszenia powietrza i oczyszczenia całej aparatury z możliwych źródeł wodoru efekt się utrzymywał. Ponieważ powietrze w 78% składa się z azotu, Rutherford napełnił aparaturę tym gazem. Efekt znacznie się wzmocnił. Początkowo myślał, że azot zamienił się w węgiel C-14, z emisją cząstki alfa i jonu wodoru: ¹⁴N + α → ¹⁴C + α + H+. Jednak obserwacje w komorze mgłowej wskazały, że cząstka alfa została wchłonięta i dokonała się przemiana azotu w tlen z jednoczesną emisją protonu. ¹⁴N + α → ¹⁷O + p. 

Była to pierwsza w historii dokonana przez człowieka przemiana atomów jednego pierwiastka w drugi. Wraz z odkryciem radioaktywności naturalnej (Henri Becquere, Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie) oraz sztucznej (Irena i Frederic Joliot-Curie) stanowiła podstawę do odebrania atomowi jednej z cech, przypisywanych mu w starożytności: niezmienności. Za niezmienne bowiem można uznać atomy pierwiastków stabilnych (niepromieniotwórczych) i ewentualnie takich, których okres połowicznego rozpadu znacznie przekracza wiek Ziemi (4,46 mld lat). Natomiast atomy pierwiastków promieniotwórczych zmieniają się i to niekiedy dość szybko, tworząc całe szeregi promieniotwórcze (uranowo-radowy, uranowo-aktynowy, torowy, neptunowy). Tego starożytni nie mogli przewidzieć, dopiero odkrycie Becquerela i prace małżonków Curie pozwoliły ustalić, że rad zmienia się w radon, następnie w polon i tak dalej aż do stabilnego ołowiu. 

https://docplayer.pl/17172256-Wyznaczanie-promieniowania-radonu.html

Przemiany atomów mogą odbywać się też w drugą stronę, poprzez wchłonięcie cząstki, np. neutronu (tak z uranu-238 powstaje pluton-239). Atom można też rozszczepić, wtedy z jednego jądra cięższego powstają 2-3 lżejsze. 

http://jrdygas.if.pw.edu.pl/WZFW_W6_reakcje_jadrowe.pdf

Temat ten zostanie omówiony osobno, wraz z odkryciem neutronu, które pozwoliło na skompletowanie głównych cząstek elementarnych, z których złożony jest atom.

***

Atom jest cząstką niezmiernie małą, której rozmiary są trudne do zobrazowania. Poniżej przedstawię kilka przykładów, które choć nie zawsze są ze sobą spójne, to jednak ukazują z jakimi wielkościami mamy do czynienia.

• Gdyby całą wodę obecną na Ziemi (morza, oceany, rzeki, jeziora, wody podziemne i woda w atmosferze) zmieszać z 1 litrem alkoholu etylowego, to 1 litrze tej mieszaniny będzie 7000 cząsteczek alkoholu (C2H5OH) czyli 63000 atomów.

• Atom jest tyle razy mniejszy od jabłka, ile razy jabłko jest mniejsze od Ziemi. Jest to jedna z pierwszych poglądowych ilustracji rozmiarów atomu, z jaką zetknąłem się na początku zainteresowania fizyką jądrową, jeszcze w szkole podstawowej.

Cyt. za: Kto kiedy dlaczego, tom I, Warszawa 1964, s. 213

 

• Podobna analogia, ale w proporcji zamiast jabłka pojawia się ziarnko maku, czyli obiekt 70-100 razy mniejszy (typowe jabłko ma średnicę 7-10 cm):

http://sp385.waw.pl/nauczyciele/fizyka/wp-content/uploads/2020/03/podrecznik8.pdf

• Jeśli jądro atomowe byłoby wielkości piłki tenisowej (6,5-6,8 cm), najbliższy elektron byłby w odległości 1 km. 

• Jeśli atom byłby rozmiarów największego stadionu piłkarskiego na świecie, to jądro byłoby mniejsze od piłki futbolowej (68-70 cm), zaś elektrony byłyby malutkimi iskierkami krążącymi po koronie stadionu (cyt. za: Księga odkryć i wynalazków, wyd. R.A.F. Scriba, Warszawa 1994).

• Jeśli jądro atomowe miałoby rozmiary piłeczki ping-pongowej (4 cm), to atom byłby rozmiarów boiska piłkarskiego

http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/1/3/2

• Jeśli atom miałby rozmiary boiska piłkarskiego (długość 105 m), to jądro miałoby średnicę 1 mm łebka od szpilki.

• Jeśli protony i neutrony miałyby średnicę 1 cm, to elektrony i kwarki miałyby średnicę włosa, zaś cały atom miałby średnicę 30 boisk piłkarskich (3,15 km), cyt. za:  http://mikro.swiat.prv.pl/rozmiary.html

• Generalnie jądro atomu jest 100.000 razy mniejsze niż cały atom, w nim też jest zlokalizowana praktycznie cała jego masa. Elektrony

 ***

Atom oczywiście atomowi nierówny. Różnią się składem – liczbą nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze, jednak zależność między wielkością jądra a wielkością całego atomu nie jest taka prosta.  Otóż sumaryczny rozmiar atomu zależny jest zarówno od liczby powłok elektronowych, jak również rozmiarów jądra atomowego.  Większe jądra mają więcej protonów, które swym dodatnim ładunkiem silniej oddziałują na ujemnie naładowane elektrony, przybliżając ich orbity do jądra. Zatem atomy o najcięższych jądrach wcale nie będą największe. 

https://www.kwantowo.pl/2021/03/08/czy-atomy-maja-podobna-wielkosc/

Problem bardzo przystępnie został opisany tutaj: https://www.kwantowo.pl/2021/03/08/czy-atomy-maja-podobna-wielkosc/ 

Atom może też zwiększyć swój rozmiar w stanie wzbudzonym, czyli gdy któryś z elektronów przeskoczy na wyższą powłokę elektronową lub gdy przyłączy dodatkowy elektron, stając się jonem ujemnym. Z kolei utrata jednego z elektronów, czyli zostanie jonem dodatnim, zmniejszy atom. Temat wzbudzenia i jonizacji rozwinę osobno.

***

Powyższy tekst ukazuje jedynie mały wycinek zagadnień związanych z naturą atomu. Zachęcam do dalszych samodzielnych poszukiwań w oparciu o m.in. cytowaną przeze mnie literaturę. Jeśli spotkaliście się z jakimś wyjątkowo ciekawym porównaniem dotyczącym rozmiarów atomu lub chcecie coś uzupełnić w tym wpisie, dajcie znać w komentarzach.