"No dobrze koleś. Pitolisz, pitolisz, ale nadal nie wiem jakim cudem cała ludzkość miałaby się zmieścić w objętości kostki cukru" - nie powiedział nigdy żaden mój czytelnik.
Już tłumaczę. Tzn zaraz. Bo zakładam, że ktoś kto niechcący znajdzie tego bloga nie ma zielonego pojęcia jak jest zbudowany atom.
Atomy są takimi klockami natury
Chwila! Nie o takie klocki mi chodziło! Miałem na myśli klocki LEGO! Wyobraź sobie że każdy atom to taki klocek lego. Z pewnością w dzieciństwie się nimi bawiłeś i zdajesz sobie sprawę jak wspaniałe rzeczy można z takich pojedynczych klocków zbudować. Z drugiej strony z pewnością też nie raz na takiego klocka nadepnąłeś i... (ok zaznaczam ponownie, że chodzi o wdepnięcie w klocka LEGO a nie w klocka... klocka) i bardzo bolało. Najgorzej jest kiedy nie posłuchasz się mamy i nie sprzątniesz ich przed snem. Rano wstajesz i bosą nogą... Największemu wrogowi bym tego nie życzył. To jedna z niewielu rzeczy jakich zazdroszczę dzieciom na wózkach inwalidzkich. Oni nie mają takich problemów.
Wracając do nauki: Łącząc na różne sposoby nasze klocki natury jakimi są atomy możemy stworzyć różę, szkło, surykatkę, batmobil albo nawet człowieka (choć do tego potrzeba jeszcze... +18). Na przykład aby zbudować z atomów wodę należy połączyć dwa "klocki" w kształcie atomu wodoru z jednym "klockiem" w kształcie atomu tlenu.
Amerykański fizyk Richard F. zadał kiedyś pytanie: "gdyby jakiś kataklizm zniszczył całą naszą cywilizację to jakie stwierdzenie zawierałoby najwięcej informacji w najmniejszej liczbie słów?" Domyślasz się? Od razu powiem, że "za sałatą" to zła odpowiedź. Pan F nie miał wątpliwości, że prawidłowa odpowiedź to "wszystko zbudowane jest z atomów".
No i niby wszystko jasne. Udowodniono już przecież tak jak pisałem wcześniej m.in. za pomocą ruchów Brown'a, że atomy faktycznie istnieją. Ale jak wykazać, że atomy poszczególnych pierwiastków się od siebie różnią? "Klocek" wodoru nie wygląda tak samo jak "klocek" tlenu. Tak jak główka ludzika lego to nie to samo co jego nogi (choć często tak je łączyłem) mimo, że obie części to klocki. Trudność polega na tym, że atomy są bardzo małe. Jedynym sposobem na rozróżnienie atomów było znalezienie substancji, która byłaby zbudowana wyłącznie z atomów jednego rodzaju. To tak jakbyś szukał sztabki zbudowanej wyłącznie z zielonych klocków albo żółtych. Wtedy możesz stwierdzić, że klocek żółty różni się (kolorem w tym przypadku) od klocka zielonego mimo, że zielony i żółty są klockami.
W 1789 roku francuski arystokrata Antoine L. sporządził listę substancji, które jogo zdaniem nie dało się rozłożyć na inne, prostsze. Dziś nazwalibyśmy te substancje pierwiastkami. Lista pana L. zawierała 23 "pierwiastki". Niektóre z nich okazały się później złożone, ale wiele elementów jak np złoto, rtęć, srebro, żelazo faktycznie były pierwiastkami. W ciągu 40 lat od śmierci L. lista pierwiastków poszerzyła się do około 50. L. jako ambitny naukowiec pewnie marzył o tym żeby "złapać je wszystkie" (wybaczcie gimbusy, ale uwielbiałem pokemony) było to jednak marzenie ściętej głowy. Pod gilotyną. W 1794 roku. Rewolucja francuska itd.
Dziś znamy 118 pierwiastków chemicznych. Od najlżejszego wodoru po najcięższy ununoctium.
Czym różni się "klocek" wodoru od "klocka" tlenu? Aby się tego dowiedzieć należało zajrzeć w głąb tych "klocków", zbadać ich strukturę wewnętrzną. Nasze "klocki" natury są jednak tak małe, że zajrzenie do tego co mają w środku wydawało się niemożliwe. Ale jak mawiał pewien mądrala o nazwisku zaczynającym się na "E" zawsze znajdzie się jakiś debil, który nie wie, że czegoś się nie da i on właśnie dokonuje odkrycia.
Zgadnij kotku co mam w środku
W tym przypadku tym... debilem był pan Ernest R. Tak, ten sam od tych słynnych słów: "nauka dzieli się na fizykę i zbieranie znaczków". Nowozelandzki fizyk aby zajrzeć do środka atomu postanowił wykorzystać... atom.
Rok 1896. Henri Becquerel odkrył radioaktywność - zjawisko, które pozwoliło na zbadanie struktury atomów. W latach 1901-1903 Pan Ernest oraz angielski chemik Frederick S. stwierdzili, że radioaktywność wynika z faktu, iż ciężkie atomy jak np uran są niestabilne. Oznacza to, że posiadają jakąś nadwyżkową energię. Po pewnym czasie (nieraz jest to sekunda, w innym przypadku nawet miliony lat) taki atom pozbywa się tej nadwyżkowej energii, emitując jakąś cząstkę o dużej prędkości (w tym miejscu zazwyczaj spodziewam się pytań typu "co ma piernik do wiatraka?". Prócz tego, że i jeden i drugi mają tyle samo liter to w razie dalszych wątpliwości co do ostatniego zdania pytajcie w komentarzach. Wyjaśnię). Fizyk powie, że taki atom się rozpada lub ulega przemianie na inny, lżejszy atom.
Jedną z takich cząstek, które są wyrzucane w celu pozbycia się energii z atomu jest tzw cząstka alfa. Ernest R. wraz z młodym niemieckim fizykiem Hansem G. (tak, tym samym, który wynalazł słynny licznik promieniowania) wykazali, że taka cząstka alfa jest po prostu jądrem atomu helu, drugiego po wodorze spośród najlżejszych pierwiastków.
W 1903 roku Ernest zmierzył prędkość cząstek alfa. Wynik okazał się zaskakujący! 25 000 kilometrów na sekundę! 100 000 razy szybciej niż samolot pasażerski! Fizyk uświadomił sobie, że cząstka alfa może być świetnym pociskiem. Chciał wziąć na cel inne atomy aby sprawdzić co mają w środku.
Pomysł był bardzo prosty. Jak rosyjska doktryna wojenna. Strzelamy i zobaczymy co się stanie.
Strzelamy cząstką alfa w atom. Jeżeli cząstka napotka na swej drodze coś twardego, odbije się i tor jej lotu ulegnie zmianie. Strzelamy następną. Powtarzając to doświadczenie wielokrotnie i obserwując zmiany kierunku lotu wielu tysięcy cząstek alfa, można odtworzyć szczegółowy obraz wewnętrznej budowy ostrzeliwanego atomu. Eksperyment Ernesta R. wykonali dwaj jego współpracownicy: wspomniany już Hans G, oraz młody nowozelandzki fizyk Ernest M. Użyli w tym celu niewielkiej próbki radu, która niczym mikroskopijny pokaz sztucznych ogni emitowała na wszystkie strony cząstki alfa. Próbka została umieszczona za ołowianym ekranem, w którym wycięty był niewielki otwór (teraz już wiecie dlaczego panowie pracujący przy reaktorach atomowych noszą ołowiane piżamki. To nie ma nic wspólnego z ich przywiązaniem do cnoty). Przez ten wycięty otwór wydostawał się wąski strumień cząstek alfa. Był to najmniejszy na świecie karabin maszynowy. Na linii ognia pan G. oraz M. umieścili wykonaną ze złota cienką folię. Grubość tej folii była tak dobrana, że wszystkie cząstki alfa z naszego mini karabinu przechodziły na wylot, lecz przynajmniej część z nich w trakcie przejścia przez folię napotykała na swej drodze atom złota. Wtedy cząstka alfa zmieniała swoją trajektorię.
 |
| Eksperyment Ernesta R. |
W owym czasie jedna z cząstek pochodząca z wnętrza atomu była już znana. Dzięki kolejnemu mądrali (którego nie lubię, zaraz powiem dlaczego) wiemy, że istnieje cząstka zwana elektronem. Elektron jest niezwykle lekki. 2000 razy lżejszy od atomu wodoru! Odkrywca elektronu sformułował pierwszą w historii naukową hipotezę dotyczącą budowy atomu. Wyobrażał sobie atom jako... ciasto z rodzynkami. Elektrony miały być odpowiednikami rodzynków tkwiących w jednorodnej, galaretowatej kuli dodatniego ładunku. Na prawdę! To była HIPOTEZA NAUKOWA! Ciasto. W dodatku z RODZYNKAMI!
To przez niego dzisiaj zamiast zajadać się pysznym ciastem, poświęcam swoją uwagę głównie na wydłubywaniu tych ohydnych, pomarszczonych... gówienek. Do dziś zachodzę w głowę jakim cudem wszystkie gospodynie piekące ciasta ogarnęły fizykę atomową. Jakiś spisek czy co? Na końcu "wypieków siostry Anastazji" wydrukowany był dodatek "fizyka atomowa XIX wieku"?! Wybaczcie, ale temat rodzynków w cieście i w czymkolwiek innym zawsze prowokuje mnie do złości.
 |
| Pierwotny model atomu |
I właśnie ten model atomu postanowili zweryfikować wspomnieni wcześniej panowie G. i M. (też chętnie postrzelałbym do tych głupich rodzynów). Spotkała ich jednak niespodzianka (podobno najczęściej wypowiadanymi po dokonaniu odkrycia przez naukowców słowami nie jest słynna "eureka!" tylko "hmm... to zabawne"). Otóż jedna na 8000 cząstek alfa emitowanych przez mini karabin odbijała się od złotej folii i wracała! Cząstka alfa jest ok 8000 razy cięższa od elektronu więc szansa na to, że się od niego odbije jest taka sama jak szansa, że rozpędzony pociąg wykolei się na skutek zderzenia z surykatką.
 |
| Surykatka czekająca na zderzenie z pociągiem niczym jądro atomu złota czekające na kolizję z cząstką alfa |
Rezultat tego eksperymentu był taki, że atomy nie są jednak tak miękkie jak sądził mądrala od ciasta z rodzynkami. Wewnątrz atomu ukrywało się coś co potrafi zatrzymać i zawrócić subatomowy pociąg ekspresowy. Tym czymś mogła być jedynie cząstka o dodatnim ładunku elektrycznym znajdująca się w samym środku atomu. Dlaczego powinna być dodatnia? Bo cząstka alfa też ma ładunek dodatni. A jak wiadomo ładunki jednoimienne się odpychają. Po drugie cząstka alfa jest też bardzo masywna więc skoro odbiła się od środka atomu to oznacza, że i ta cząstka w środku atomu jest też na tyle masywna aby stawić czoła cząstce alfa.
Odkryto jądro atomowe! A model ciasta z głupimi rodzynami trafił do kosza!
W końcu odkryto też, że jądro atomowe składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych neutronów. W neutralnym atomie liczba protonów jest zawsze równa licznie elektronów. I w ten właśnie sposób rozróżniamy nasze "klocki natury"! "Klocek" o nazwie wodór ma 1 proton zaś "klocek" o nazwie uran ma ich 92.
Obraz atomu jaki wyłonił się z eksperymentu był zdecydowanie inny niż ten zaproponowany wyżej przez pana od ciasta z rodzynkami. Przypominał raczej miniaturowy Układ Słoneczny, w którym ujemnie naładowane elektrony są przyciągane przez dodatnio naładowane jądro.
Jądro jest bardzo, bardzo małe (jądro atomu gwoli ścisłości. I nie. Nie mam kompleksów). Jedną z najbardziej uderzających cech modelu atomu sformułowanego przez Ernesta R. jest to, że atom jest niemal całkowicie pusty!
Zaciśnij dłoń w pięść. Jeżeli twoja pięść jest taka duża jak jądro atomu, to atom jest tak duży jak stadion narodowy. A jeżeli tym atomem jest atom wodoru, to jego jedyny elektron błąka się jak mucha na tym stadionie.
Mimo pozorów solidnej budowy świat materialny okazał się równie materialny jak duch. Materia czy to będzie krzesło, czy gwiazda, czy tchórzofretka składa się niemal wyłącznie z pustej przestrzeni. Prawie cała substancja atomu znajduje się w niezwykle małym jądrze. 100 000 razy mniejszym od całego atomu. Gdybyśmy całą tą pustą przestrzeń w jakiś cudowny sposób wypompowali to cała ludzkość mogłaby się zmieścić w objętości kostki cukru. No może jakiś hindus by się już nie załapał. Kit z nim. I tak jest ich jeszcze jeden i ćwierć miliarda.
