Klocki natury cz. 2

Ostatnio pisałem jak pośrednio udowadniano przez tysiąclecia istnienie atomów. To znaczy chwaliłem się, że wiem jak to wyglądało. Bo generalnie blogi do tego służą. Żeby się chwalić albo żalić. "O nie, moje życie jest do bani. Mama mnie nie kocha a tata tylko w nocy.", "moje życie jest jeszcze bardziej do bani, na dowód publikuję fotki moich pociętych rąk". "A moje życie jest cudowne. Coś wam opowiem. Wczoraj siedzę sobie na kanapie, oglądam debatę a tu dzwonek do drzwi. Otwieram a w drzwiach stoi sąsiadka w stroju sprzątaczki. Później ją zaliczyłem. 3 raz!". A ja? Ten biedny lamus, mol książkowy chwalę się... aaaa... tylko tym, że wiem jak działa wszechświat. Takie tam... mało interesujące blogowanie. I niby komu miałoby to zaimponować? Zaraz, o czym to ja... Aha!

Napisałem ostatnio, że atomy są tak małe, że nie możemy ich zobaczyć. Przypomniało mi się, że was bezczelnie okłamałem (nie wiem czemu piszę "was"). Każdy kto widział szalony taniec pyłków w ruchach browna nie powinien mieć wątpliwości, że świat zbudowany jest z malutkich cząstek. Oglądanie tańczących pod wpływem atomów pyłków to jednak nie to samo co oglądanie samych atomów. Prawda? Wolicie oglądać filmy na redtube czy koleżanki (bądź kolegów) pod sobą (bądź na)? Pomocne jest tutaj urządzenie o nazwie skaningowy mikroskop tunelowy. Mówię o pomocy w zobaczeniu atomów a nie wyrywaniu łań. W tym drugim przypadku pomocnym urządzeniem może być Ford Mustang.
STM (tak w skrócie nazywa się nasz mikroskop z ang. skanning tunneling microscope) nie działa tak jak wszystkie inne mikroskopy optyczne. Nie daje tak wielkich powiększeń, że można zobaczyć atomy. Opiera się jednak na równie prostym pomyśle. Oglądaliście Grey'a? Znam kogoś kto zna się na tym gatunku (ja znam się na pokrewnym, bardziej... ordynarnym gatunku) i ten ktoś uważa, że to straszna kupa. Ten Grey. Podobno Kross jest lepszy. O czym to ja... aha! Znacie te gierki typu zawiązywanie oczu podczas... no wiecie? Eine Kleine Bang Bang. Nie pytam czy znacie je z autopsji tylko... cholera! Miałem tłumaczyć jak działa STM. Tak to jest kiedy krew z mózgu spływa w dolne partie ciała. Konkretnie w jedną.
Więc wyobraźcie sobie, że macie zawiązane oczy. Więc nie możecie nic zobaczyć. Co robicie? Używacie rąk. Jak zbadać różne... kształty ludzkiego ciała bez używania oczy? Ano przesuwamy powoli, delikatnie dłoń (palec też styknie) po ciele drugiego człowieka i potrafimy dzięki temu powiedzieć jaki kształt ma np nos, biodro... pierś. Na tej samej zasadzie działa STM! Z tą różnicą, że rolę "palca" odgrywa cienka metalowa igła, przypominająca igłę staromodnego gramofonu. Przesuwając igłę po powierzchni badanego materiału i rejestrując pionowe ruchy igły można za pomocą komputera odtworzyć obraz atomowego terenu. Tak na prawdę igła nie dotyka powierzchni atomu w taki sposób jak palec dotyka mokrego, napiętego... ciała. W rzeczywistości igła jest elektrycznie naładowana. Gdy znajdzie się blisko przewodzącej powierzchni, między igłą a powierzchnią popłynie bardzo mały, ale mierzalny prąd elektryczny zwany prądem tunelowym. Jeżeli igła zbliża się do powierzchni natężenie prądu gwałt... ownie (przepraszam za grę słówek) rośnie. Jeżeli igła się oddali to natężenie prądu spada. W rezultacie natężenie prądu tunelowego stanowi bardzo czuły wskaźnik odległości między igłą a powierzchnią Można powiedzieć, że wyposaża on igłę w sztuczny zmysł dotyku.

A tak to ustrojstwo wygląda z zewnątrz

Zasada działania STM jest prosta, ale jego konstrukcja nie. Trzeba było zbudować igłę, której grubość na samym czubku była równa średnicy jednego atomu! A wiemy już, że jest to bardzo mały rozmiar. Komitet Noblowski oczywiście docenił to niesamowite urządzenie i nagrodził jego konstruktorów: Gerda Binninga i Heinricha Rohrera. Byli oni pierwszymi ludźmi, którzy "zobaczyli" atom. Atomy widziane przez ten mikroskop były jak maleńkie piłki albo jak pomarańcze ułożone równo, rzędami w skrzynkach na straganie. Były dokładnie takie jak maleńkie twarde cząstki materii jakie Demokryt zobaczył w swojej wyobraźni 2400 lat wcześniej. I niech mi teraz ktoś powie, że to mniej fascynujące niż "sex-przygody" blogerów.

Klocki natury

Pomysł ściśnięcia całej ludzkości do objętości kostki cukru wydaje ci się durny? A gdybym ci powiedział, że 99,9999999999999 procent objętości zwykłej materii to pusta przestrzeń? Gdyby istniał jakiś sposób wyssania tej pustej przestrzeni z atomów w naszych ciałach, cała ludzkość faktycznie mogłaby się zmieścić w objętości kostki cukru.

Jak mawiał jeden z najwspanialszych fizyków Richard Faynman, który grywał także na bębnach w klubach nocnych (taki z niego śmieszek) "tam na dole" jest naprawdę popieprzony świat. Mówiąc "tam na dole" Faynman miał na myśli dolną skalę wymiarów. Bo oprócz tego, że atomy są prawie puste to są w dodatku bardzo małe. Otóż dziesięć milionów atomów, ułożonych jeden obok drugiego, zmieściłoby się w średnicy kropki na końcu tego zdania. Skoro Atomy są tak małe to jak je odkryto?

To długa historia. Zaczęła się ok 440 roku p.n.e. Grecki rockowiec Demokryt wciągając przed swoim koncertem kokę dzielił ją swoją kartą kredytową na coraz mniejsze porcję, a że był już lekko wstawiony po kilku łychach miał w swojej nabuzowanej głowie bardzo głębokie myśli. Zastanawiał się mianowicie czy dzieląc porcję koki na na połowę może jedną połowę dzielić jeszcze raz na połowę i tak w nieskończoność. Ok. Żartowałem. Demokryt nie był żadnym rockowcem tylko filozofem, ale jedna z anegdot głosi, że zamiast księżycowego pyłu rozbijał garnki i zastanawiał się czy może je dzielić w nieskończoność na drobinki. Uznałem, że wersja z rockmenem lepiej zajdzie w pamięć.
Dla Demokryta było nie do pomyślenia, aby materię dało się dzielić w nieskończoność. Jego zdaniem prędzej czy później okaże się, że maleńkiej porcji materii nie da się podzielić już bardziej. Greckie słowo a-tomos znaczy niepodzielny. Dlatego nasz starożytny rockman nazwał swoje hipotetyczne cegiełki materii atomami. To była jednak tylko hipoteza. Tylko i aż bo trzeba przyznać, że nikt jeszcze nie przewidział z takim wyprzedzeniem teorii naukowej.

Newtona oświeciło po spadnięciu jabłka z drzewa a Demokryta po kilku kreskach.

Jak już wspominałem atomy są bardzo małe. Nie da się ich zobaczyć więc dowody ich istnienia były trudne do znalezienia. Osiemnastowieczny matematyk Daniel Bernoulli był autorem pierwszych pośrednich dowodów na istnienie atomów. Zakładał on (i słusznie), że duża liczba atomów może zachowywać się w taki sposób, że wywoła efekt możliwy do zaobserwowania ludzkimi zmysłami.
Bernoulli wyobrażał sobie gaz np powietrze lub parę wodną, jako zbiór miliardów miliardów atomów znajdujących się w nieustannym ruchu. Coś jak rój rozdrażnionych pszczół. I w ten sposób człowiek pojął na czym polega zjawisko ciśnienia.
Gdy atomy gazu zostają uwięzione np w balonie, bombardują jego ściany. Jeżeli zmniejszymy objętość balonu (zamkniętego) dwukrotnie, atomy gazu, które balon wypełniają będą pokonywać dwukrotnie mniejszą odległość między zderzeniami ze ścianami balonu. W takim razie będą się zderzać ze ściankami dwukrotnie częściej a zatem ciśnienie dwukrotnie wzrośnie. I tak dalej.

Kolejny dowód na istnienie atomów przedstawił Albert Einstein, który wyjaśnił zjawisko tzw ruchów Browna. Zjawisko to odkrył angielski botanik Robert Brown. Obserwował on ruchy zawiesiny pyłków widłaka w wodzie. W 1827 obserwując pyłki przez mikroskop Brown odkrył, że poruszają się one dziwnym, zygzakowatym ruchem. Jak to wyglądało? To tak jakby wrzuć mi do bokserek nadajnik GPS, dać mi grubą gotówkę i puścić do pubu. W trakcie mojego powrotu na ekranie nadajnik GPS zaznaczałby trajektorie podobne właśnie do ruchów Browna.

Jednak przyczyną szalonych ruchów zawieszonych w wodzie pyłków nie były procenty. To wina atomów.
Wyobraź sobie gigantyczną nadmuchiwaną gumową piłkę o rozmiarach większych od człowieka, popychaną na boisku przez dużą grupę graczy. Piłka to cząsteczki zawiesiny. Gracze to cząsteczki wody. Jeżeli każdy z graczy porusza się i uderza piłkę niezależnie od pozostałych (jak wczoraj gracze realu madryt w meczu z juventusem :D ) to w pewnym momencie po jednej stronie piłki znajdzie się więcej graczy niż po drugiej stronie. Taka chwilowa nierównowaga sił wystarczy aby spowodować zmianę kierunku ruchu piłki. W dłuższym czasie działanie wszystkich graczy powoduje, że piłka porusza się chaotycznym ruchem po całym boisku. Swoją drogą taki sport musiałby naprawdę śmiesznie wyglądać. Na podobnej zasadzie chaotyczny ruch pyłku jest spowodowany bombardowaniem przez molekuły wody, które również mogą w pewnym momencie znaleźć się po jednej stronie pyłku w większej ilości niż po przeciwnej.

I tak oto dowiedliśmy istnienia atomów. Później okazało się, ze Demokryt jednak nie do końca miał rację bo atomy można podzielić na jeszcze mniejsze części. Ale o tym w następnym wpisie.