Atomy, z których zbudowana jest materja
| <<< Dane tekstu >>> | |
| Autor | |
| Tytuł | Atomy, z których zbudowana jest materja |
| Podtytuł | o istocie materji |
| Pochodzenie | Tajemnice atomu (o istocie materji) |
| Wydawca | Trzaska, Evert i Michalski S. A. |
| Data wyd. | 1933 |
| Druk | Drukarnia Narodowa w Krakowie |
| Miejsce wyd. | Warszawa |
| Tłumacz | Karol Szlenkier |
| Źródło | Skany na Commons |
| Inne | Pobierz jako: EPUB  • PDF  • MOBI  Cały tekst |
| Indeks stron | |
Przed dwoma mniej więcej tysiącami lat sławny poeta łaciński Lukrecjusz napisał swą rozprawę De natura rerum — o istocie materji.
Wyraził on pogląd, że i powietrze i ziemia i woda i wszystko inne składa się z niezliczonych małych ciał czy drobin, zbyt małych samych przez się, aby je można było dostrzec, a znajdujących się w szybkim ruchu.
Starał się on wykazać, że te trzy przypuszczenia są wystarczającemi, aby wytłumaczyć własności ciał materjalnych. Nie on sam był twórcą tych idei, którym dał wyraz w swym poemacie; był on pisarzem, pragnącym wytłumaczyć poglądy pewnej szkoły, o których mniemał, że odpowiadały prawdzie. Istniał wówczas współzawodniczący z tamtym systemat poglądów, według którego żadne jak najdokładniejsze badanie ciał materjalnych nie mogłoby ujawnić jakiejkolwiek budowy: jeśliby np. wodę, znajdującą się w naczyniu, rozpylić na krople, a krople te na coraz to drobniejsze kropelki, najdrobniejsza cząstka we wszystkich swych własnościach niczemby się nie różniła od wody, pierwotnie zawartej w naczyniu. Natomiast według poglądu Lukrecjusza, gdybyśmy rozpylanie takie posunęli dostatecznie daleko, wkońcu dotarlibyśmy do indywidualnych drobin czyli atomów: słowo atom należy przytem pojmować w jego pierwotnem znaczeniu, t. j. czegoś, co nie da się pokrajać.
Zachodzi olbrzymia różnica między obydwoma poglądami. Według jednego, nic nie da się osiągnąć przez coraz to dokładniejsze rozpatrywanie budowy substancyj, gdyż, gdybyśmy się posunęli możliwie jak najdalej, nie natknęlibyśmy się na nic nowego. Według drugiego poglądu istota ciał materjalnych takich, jakiemi je znamy, zależna będzie od własności atomów, z których ciała te się składają, będzie więc rzeczą bardzo interesującą i doniosłą ustalenie, o ile to okaże się możliwem, czem są atomy. Okazuje się, że drugi pogląd jest daleko bliższym prawdy, aniżeli pierwszy; należy się za to wdzięczność tych wszystkich, którym drogie jest wnikanie w tajniki Przyrody.
Lukrecjusz nie miał jednak pojęcia o teorjach atomistycznych w ich obecnym stanie. Nie zdawał on sobie sprawcy z tego, że atomy można podzielić na tyle różnych rodzajów i że wszystkie atomy jednego rodzaju są identyczne. Pogląd ten jest stosunkowo nowy: wyłuszczony on został z wielką jasnością przez Jana Daltona na początku dziewiętnastego stulecia. Umożliwił on wielkie postępy poczynione przez chemję w czasach nowoczesnych, jak również przez wszystkie inne nauki, w jakimkolwiek stopniu związane z chemją. Łatwo zdać sobie sprawę, dlaczego ten nowy pogląd o tyle uprościł ujmowanie wszelkich zagadnień. Mianowicie dlatego, że mamy do czynienia już tylko z ograniczoną ilością rodzajów, a nie z wielką ilością różnych drobin indywidualnych. Bylibyśmy doprowadzeni do rozpaczy, gdybyśmy byli zmuszeni do badania mnóstwa różnych atomów w składzie kawałka miedzi np.; lecz, gdy stwierdzimy, że w kawałku czystej miedzi istnieje tylko jeden rodzaj atomów, a w całym świecie niewiele różnych rodzajów tychże, uczujemy pełnię zapału i nadziei w dążeniu naprzód do zbadania własności tych atomów i praw ich kojarzenia się wzajemnego. Oczywiście, bowiem na kojarzeniu się atomów między sobą polega ich doniosłość. Atomy dadzą się porównać do liter abecadła, które składać można w niezliczony sposób tak, aby tworzyły wyrazy. Tak też i atomy kojarzą się pomiędzy sobą równie różnorodnie, tworząc t. zw. cząsteczki. Możnaby nawet posunąć tę analogję nieco dalej i rzec, że kojarzenie się słów w zdania i okresy, mogące dać wyraz wszelkiego rodzaju pojęciom, podobne jest do łączenia się cząsteczek wszelkiego rodzaju i we wszelkich stosunkach ilościowych, dzięki czemu powstają budowy ciał i różne materjały które mają nieskończoną różnorodność wyglądu i własności, a w których nawet przejawiać się może to, co nazywamy życiem.
Teorja atomistyczna Lukrecjusza nie zawierała zatem zasadniczego poglądu, niezbędnego dla dalszego postępu i rozwoju. Rozwiała się przeto, a samo pojęcie atomu zaczęto używać w sposób nader nieokreślony i niewłaściwy, jako odpowiadające litylko czemuś bardzo małemu: jak to np. spotkać można w niektórych sztukach Szekspira. W innem i bardzo różnem zastosowaniu teorji atomowej poglądy Lukrecjusza okazały się zadziwiająco owocnemi. Wyobrażał on sobie, że choroby są rozsiewane za pośrednictwem maleńkich drobin. W czasach Odrodzenia Fracastoro przejął się teorją atomistyczną zaraźliwości, czytając o niej w poemacie Lukrecjusza; następnie jednak tajemnica bakterjologji znowu została przesłonięta aż do jej ujawnienia nanowo przez Pasteur’a.[1]
Przedstawmy sobie Przyrodę, jako budowniczego, kształtującego wszystko, co widzimy, z atomów o ograniczonej ilości rodzajów, zupełnie taksamo, jak budowniczy domu buduje go z tylu a tylu różnych rodzajów materjału — cegieł, dachówek, desek, szklanych szyb i t. p. Istnieje tylko około dziewięćdziesięciu rodzajów atomów, a z tych znaczna ilość tylko zrzadka spotyka się w budowie ciał. Jest rzeczą godną podziwu, że wszystkie ciała na ziemi i we wszechświecie o tyle, o ile tenże znamy, składają się z tak niewielu pierwiastków. Wszechświat jest tak przebogaty w swojej różnorodności, ziemia i wszystko, co się na niej znajduje i na niej rośnie, wody mórz, powietrze i chmury, wszystkie stworzenia żyjące, które ruszają się po ziemi, w morzu lub w powietrzu, ciała nasze i różne części naszych ciał, słońce, księżyc i gwiazdy, każdy poszczególny przedmiot składa się z tych niewielu rodzajów atomów. Tak, powiedziałby ktoś, jest to zrozumiałe: przecież, gdy budowniczemu dadzą cegły, wapno i belki żelazne, zbuduje on nieskończoną różnorodność budowli, pałaców, chat lub mostów, dlaczegóż Przyroda nie miałaby czynić czegoś podobnego? Należy jednak zważyć, że gdy budowniczy zabiera się do budowy, ma plan, którego sporządzenie kosztowało dużo myśli, i daje polecenia swoim robotnikom, którzy wykonać mają jego życzenia, i wtedy powstaje budowla. Widzimy go, obchodzącego płac budowy z planem w ręku. Lecz plany budowli, wykonywanych przez Przyrodę, zawarte są w samych atomach. Są one pełne cudów i tajemnic, gdyż z nich jedynie i z tego, co w sobie zawierają, urasta nieskończona różnorodność świata. W jaki sposób stały się one takiemi skarbnicami, o to nie będziemy się teraz pytali. Stawiamy sobie natomiast pytanie, jak mamy sobie te atomy wyobrażać? Pytanie to stawiano od chwili, w której zaczęto sobie zdawać sprawę z niesłychanej doniosłości atomów, od przeszło stu lat. Czy mają one rozciągłość, kształt i inne cechy, posiadane przez ciała, z któremi jesteśmy oswojeni? Musimy te punkty bliżej rozpatrzyć.
Przedtem atoli uprzytomnijmy sobie, że w ciągu ostatnich mniejwięccj dwudziestu pięciu lat obdarzeni zostaliśmy, że tak powiem, nowemi oczami. Odkrycia promieniotwórczości i promieni Roentgena zmieniły całkowicie położenie, i to jest istotnym powodem wyboru przedmiotu tych wykładów. Możemy obecnie zrozumieć tyle rzeczy, które przedtem były dla nas mgliste, i widzimy nowy cudowny świat, otwierający się przed nami i czekający na zbadanie. Nie wydaje się rzeczą bardzo trudną dotarcie do niego i przechadzanie się po nim. W rzeczy samej nowe poznanie, jak wszystkie nagłe objawienia prawdy, oświetla grunt, po którym dotychczas stąpaliśmy, i czyni łatwemi te rzeczy, które przedtem były trudnemi. Prawda, że otwarte obecnie nowe drogi postępu prowadzą do świeżych trudności, lecz na tem właśnie polega całe zainteresowanie i charakter dociekań naukowych. Spróbujemy uczynić pierwsze kroki w nowej krainie, abyśmy mogli przyswoić sobie choć cząstkę tych zdobyczy wiedzy, które już zostały osiągnięte i z coraz to większą szybkością osiągane są z dniem każdym.
Wracamy do naszych pytań, dotyczących atomów. Zanim nastąpił nowy okres, wybitnie ścisłe odpowiedzi zostały już udzielone na niektóre z nich. W tem audytorjum Instytutu Królewskiego wygłosił Lord Kelvin kilka odczytów o własnościach atomów, a w szczególności o ich rozmiarach. Zapomocą kilku wysoce pomysłowych a pośrednich sposobów doszedł on do wniosków, które obecnie jesteśmy w stanie sprawdzić zapomocą dokładnych metod, i znajdujemy, że był on wybitnie bliskim prawdy. Było, oczywiście, rzeczą znacznie trudniejszą określenie wielkości jakiegoś danego atomu, aniżeli określenie względnej wielkości jednego atomu w stosunku do wielkości innego. I tak np. rozmiary atomów sodu i węgla mogły być z gruba porównane przez uwzględnienie odnośnych ciężarów równych objętości stałego metalu sodu i djamentu, który jest postacią czystego węgla. Sód jest lżejszym od wody, djament trzy i pół raza cięższym. Wiemy ze spostrzeżeń chemicznych, że poszczególny atom sodu jest raczej przeszło trzy razy cięższy od atomu węgla. Jeśli przypuścimy, że układ atomów jest równie szczelnym w obydwu wypadkach (w istocie, jak wiemy obecnie, jest tak tylko w przybliżeniu), musimy wyciągnąć wniosek, że atomy metalu sodu są o wiele większe od atomów węgla w djamencie, ponieważ, jakkolwiek indywidualnie cięższe, układają się w taki sposób, iż tworzą materjał lżejszy.
Trafna ocena wielkości istotnej jakiegokolwiek atomu jest sprawą znacznie trudniejszą, jednak wszystkie cztery sposoby rozumowania, jakich użył Kelvin, doprowadziły go do niemal tych samych wyników. „Atomy lub cząsteczki zwykłej materji posiadać muszą około 1/10,000.000 albo od 1/10,000.000 do 1/100,000.000 centymetra średnicy“[2]. Nasze nowe metody mówią nam, że średnica atomu węgla w djamencie wynosi 1,54 stumiljonową część centymetra, a średnica atomu metalu sodu 4,50 stumiljonowych. Widzimy więc, że ocena Lorda Kelvina była zadziwiająco bliską prawdy, zwłaszcza, gdy się uwzględni nieścisłe metody, jakie jedynie miał on do dyspozycji.
Na ryc. 1 uwidocznione są przekroje niektórych atomów w skali pięćdziesięciu miljonów do jednego. Liczby wpisane dają w każdym wypadku odległość, w stumiljonowych częściach centymetra, między środkami dwóch sąsiednich atomów w czystej substancji. Np. odległość między dwoma atomami węgla w djamencie wynosi 1,54 stumiljonowych centymetra. Dla tlenu średnica została obliczona na podstawie budowy kryształów, w których skład wchodzi tlen. Jeśliby audytorjum Instytutu Królewskiego zostało powiększone w tym samym stosunku, jak atomy na ryc. 1, wysokość jego przewyższałaby odległość ziemi od księżyca. Musimy mieć jakieś porównanie, aby móc zdać sobie sprawę z niezwykłej małości omawianych przez nas przedmiotów. Jednocześnie pamiętać nam trzeba, że pomimo ich małości nie wolno ich lekceważyć, gdyż są one istotnemi składnikami budowy wszechświata, a rozmiary ich nie mają nic wspólnego z ich doniosłością. Małość ich jednak tłumaczy dostatecznie łatwość, z jaką my wszyscy ich nie zauważamy, oraz trudność, jaką napotykamy przy ich rozpatrywaniu, gdy wreszcie zdamy sobie sprawę z ich znaczenia dla nas. Wartość nowych metod, o których zamierzamy mówić, polega na fakcie, że dzięki nim możemy operować atomami bez względu na ich małość.
Odpowiedzieliśmy już na pytanie co do wielkości atomów; gdy jednak pójdziemy dalej i zapytamy o ich kształt, nie doznamy równego powodzenia.
Chemik, którego wiedza zajmuje się bezpośrednio kojarzeniem się atomów, rzadko uczuwał potrzebę zastanawiania się nad ich kształtem i w wykresach swoich nie przypisuje im jakiegoś szczególnego kształtu. Nie znaczy to, aby kształty były bez znaczenia, lecz raczej, że stare metody nie mogły kształtów tych określić. Istnieje jednak jeden punkt widzenia, z którego i dla chemika kształt atomu wydaje się rzeczą, godną pilnej uwagi.
Atomy ułożone są w danym związku chemicznym w ten lub inny sposób, który jest miarodajny dla odnośnego skojarzenia. Jeśliby było można przyjrzeć się temu układowi i odrysować go, trzebaby było dokonać tego w perspektywie. Zwłaszcza w chemji organicznej okazuje się rzeczą konieczną wyobrażanie sobie takich układów atomów w przestrzeni. Nie wystarcza je przedstawiać w płaszczyźnie bez żadnej perspektywy; istotnie, jest oczywistem, że jakibądź płaski rysunek okaże się niedoskonałym w każdym obrazie chemicznym. Niestety, jesteśmy zmuszeni wykonywać rysunki nasze w płaszczyźnie; sporządzenie trwałych modeli w przestrzeni jest kosztowne, podczas gdy papier i ołówek są tanie. Warto się zastanowić, jaką przeszkodę stanowi ta trudność techniczna w odpowiednim rozwoju bardzo doniosłego zagadnienia. Atoli, gdy, określając położenie atomu względem atomów sąsiednich, twierdzimy że, jeśli jeden z sąsiednich atomów leży w takim to kierunku, to inny leżeć musi w takim to innym kierunku, przypisujemy już tem samem pewien kształt naszym atomom; w każdym razie jest to jedyny narazie sposób określania kształtu, jaki jest nam obecnie dostępny. Dalej iść nie możemy, dopóki nie poznamy lepiej wewnętrznej budowy atomu, jego części składowych i wzajemnego tychże względem siebie położenia.
W nowszych pracach, jak zobaczymy, układy atomów rozpatrywane są dużo dokładniej i po raz pierwszy dokonano pomiaru odległości pomiędzy atomami. Okazuje się przytem rzeczą niezbędną sporządzanie modeli, gdyż, poprzestając na rysunkach płaskich na papierze, nie można przedstawić sobie z dostateczną jasnością istotnego stanu rzeczy. Wyobrażamy atomy jako okrągłe piłki i znajdujemy, że w ten sposób możemy sobie zdać sprawę z istotnej treści większości naszych odkryć w tej dziedzinie. Znaczy to, że, gdy atom znajduje się w pobliżu kilku atomów tegoż co on rodzaju, będzie on jednakowo od nich wszystkich odległy; tak też jest w rzeczywistości. Tem niemniej bywają wyjątki, jak np. w wypadku bizmutu, w którym każdy atom sąsiaduje z sześcioma innemi, z których trzy znajduje się bliżej od pozostałych trzech. Do modelu bizmutu musimy zatem użyć kulek z trzema spłaszczeniami na każdej z nich. (P. Tabl. I A.)
Postawmy sobie teraz pytanie, co wiąże atomy między sobą w tych różnych układach i budowach? Jak nasz budowniczy, przygotowaliśmy materjały do budowy — cegły, dachówki, belki i t. p.; mamy do dyspozycji różne rodzaje atomów. Gdy jednak obejrzymy się za wapnem i gwoździami, stwierdzimy, że ich nam brak. Przyroda nie pozwala na użycie jakiegokolwiek innego materjału, jako spoidła. Atomy spajają się ze sobą same przez się. Chemik powie nam, że muszą one w tym celu być poddane oddziaływaniu wzajemnemu w stosownych warunkach, z których niektóre są nader osobliwe; lecz kojarzenie wówczas właśnie ma miejsce i coś jest w atomach takiego, co utrzymuje to skojarzenie bez zmiany, o ile powyższe warunki są nadal zachowane. Cała treść badań chemicznych polega na określaniu istoty tych warunków i ich wyników.
Wydaje się, że atomy przylegają do siebie w podobny mniejwięcej sposób, jak dwa magnesy, zwrócone do siebie przeciwległemi biegunami, lub też, jak dwa ładunki elektryczne przeciwnych znaków. W istocie, niema wątpliwości, że i tam działają zarówno siły magnetyczne, jak elektryczne. Nie jesteśmy całkiem nieświadomi, co do sposobu ich działania, daleko więcej jednak wiemy o prawach kojarzenia się atomów, t. j. o zjawiskach chemicznych, aniżeli o szczegółach, dotyczących sił przyciągania się atomów. Atoli nie potrzebujemy troszczyć się narazie o rozwiązanie tych zagadnień; musimy jedynie zdawać sobie sprawę z tego, że są siły, zbliżające atomy do siebie.
Możemy się teraz zapytać, dlaczego — wobec istnienia sił tego rodzaju — wszystkie atomy nie skupiają się w jedną masę? Dlaczego wogóle istnieją gazy lub nawet ciecze? Czemu przypisać istnienie pewnych atomów, które wogóle nie łączą się z sąsiadującemi atomami? Co nie pozwala ziemi spaść na słońce i co staje na przeszkodzie ostatecznemu skupieniu się wszechświata w jedną wielką masę?
Ziemia nie spada na słońce, gdyż znajduje się w ruchu dookoła słońca, lub wyrażając się poprawniej, dlatego, że obydwa te ciała krążą dookoła siebie. Ten właśnie nieustanny ruch utrzymuje je w określonej od siebie odległości, a gdy przyjrzymy się dokładniej zagadnieniu, przekonamy się, że ruch odgrywa we wszystkiem, co spostrzegamy, pierwszorzędną rolę, gdyż przeciwstawia się siłom wiążącym, pod działaniem których atomy skupiłyby się w jedną bryłę. W gazie ruch ma stanowczą przewagę; cząsteczki znajdują się w tak szybkim ruchu, że nie mają czasu na jakiekolwiek kojarzenie się między sobą; wprawdzie co pewien czas muszą spotykać się wzajemnie, lecz napróżno, że tak powiemy, wyciągają do siebie ramiona, gdyż pęd ich jest zbyt wielki, i po chwili znowu znajdą się w znacznem od siebie oddaleniu. Nawet w cieczy, gdzie więcej zdarza się skojarzeń, a cząsteczki stykają się ze sobą, ruch jest tak duży, że żadne połączenie nie jest trwałem.
W ciele stałem względne znaczenie sił przyciągających i ruchu podlega nowej zmianie: pierwsze teraz przeważają tak, że atomy i cząsteczki przywiązane są niejako do swoich miejsc. Jednakże nawet w ciele stałem atomy nigdy nie pozostają w całkowitym spoczynku; co najmniej drgają one i chwieją się na swych miejscach tak, jak części mostu żelaznego pod ciężarem przechodzącego przez most pociągu. Trudno uprzytomnić sobie, że atomy i cząsteczki w ciałach, które wydają się nam pozbawionemi wszelkiego ruchu, jak stół, kawałek papieru, woda w szklance, wszystkie są w ustawicznym ruchu. Tem niemniej wielu dawniejszych filozofów zdawało sobie z tego sprawę. Hooke np., fizyk angielski siedmnastego stulecia, tłumaczy zapomocą łatwo zrozumiałej analogji różnicę, zachodzącą, jak przypuszczał, między stanem stałym a płynnym; przypisywał ją mianowicie ruchowi atomów, który musi być większy w cieczach, aniżeli w ciałach stałych. „Przedewszystkiem, — powiada on, — co jest przyczyną płynności? Pojmuję ją jako nic innego, jak bardzo szybki i gwałtowny ruch cząstek danego ciała (czego prawdopodobieństwo starałem się wykazać na innem miejscu); cząstki danego ciała stają się przytem tak luźnemi względem siebie, że mogą z łatwością poruszać się w każdym kierunku i stają się płynnemi. Abym mógł to wytłumaczyć zapomocą nieco dalekiego podobieństwa, przypuśćmy, że naczynie z piaskiem umieszczone zostało na jakimś przedmiocie, znajdującym się w bardzo gwałtownym i szybkim ruchu tak, że naczynie to samo ulegnie szybkim i silnym drganiom, jakby to miało miejsce wówczas np., gdyby stało ono na jednym z kamieni młyńskich, wirujących luzem, albo też na bardzo mocno naciągniętej przeponie bębna, uderzanej gwałtownie lub też bardzo szybko pałeczkami. Na skutek tego piasek, który zpoczątku spoczywał w naczyniu całkiem bezwładnie, staje się doskonałą cieczą; gdy tylko zrobimy w nim palcem zagłębienie, natychmiast zostanie ono wyrównane i powierzchnia piasku staje się znowu gładka. Nie da się też pogrążyć w piasek jakiś przedmiot lekki, jak np. kawałek korka, gdyż natychmiast zostaje on wyrzucony na powierzchnię i jakby pływa po niej; nie można również położyć na powierzchni piasku przedmiotu cięższego, np. kawałka ołowiu, gdyż natychmiast zanurzy się on w piasek i opuści się na dno naczynia. Podobnie, gdy zrobimy otwór w bocznej ściance naczynia, piasek natychmiast zacznie się wysypywać przez ten otwór aż do chwili, gdy powierzchnia piasku osiągnie poziom otworu. Tak więc piasek naśladuje wszystkie oczywiste własności cieczy, a wszystko to dzieje się jedynie naskutek gwałtownego ruchu, jakiemu podlega naczynie z piaskiem, gdyż w ten sposób każde ziarnko piasku wykonywa ruch drgający lub wirowaty tak, że żaden przedmiot cięższy nie może na niem się utrzymać, o ile nie zostanie zewsząd podparty przez inne, żaden też inny przedmiot nie może pozostawać pod ziarnkiem piasku, o ile nie będzie od niego cięższy“.
Doświadczenie Hooke’a może być odtworzone w nieco zmienionej postaci. Walcowata skrzynka metalowa, o średnicy dwudziestu pięciu centymetrów i o głębokości ośmiu centymetrów, przytwierdzona jest do podstawy, spoczywającej na łożysku kulkowem, tak, że z łatwością może się obracać. Zapomocą ekscentryka połączona jest z maszyną odśrodkową, jak to uwidoczniono na Tabl. I B. Gdy koło maszyny odśrodkowej wprawimy w szybki ruch obrotowy, skrzynka metalowa wraz z piaskiem, który do niej wsypiemy, ulegnie gwałtownemu ruchowi, przepisanemu przez Hooke’a. Szczegóły mechaniczne najłatwiej staną się zrozumiałe zapomocą ryciny. Ciężka kulka metalowa, umieszczona na powierzchni piasku, znika natychmiast, podczas gdy przedmioty lekkie, np. piłki celuloidowe, zanurzone w piasek, wydostają się na powierzchnię. Bardzo śmieszne zjawisko ujrzymy, gdy zagrzebiemy w piasek kilka z owych lalek celuloidowych, które nie dadzą się wywrócić, gdyż są obciążone w dolnej swej części. Lalki powoli wyłaniają się z piasku i wkońcu stają pionowo. (Tabl. I B i ryc. 1 A.)
Wiemy obecnie, że ruch atomów w danem ciele jest w istocie jego ciepłem, że czem szybciej się one poruszają lub drgają tem cieplejszem staje się dane ciało. Gdy grzejemy sobie ręce przy ogniu, pozwalamy przez to energji, promieniującej od ognia, przyśpieszać ruch atomów, z których składają się nasze ręce. Gdy ochładzamy jakąś substancję, wstrzymujemy tem samem ruch atomów. Gdybyśmy mogli całkowicie go powstrzymać, obniżylibyśmy temperaturę do granicy, której niemożliwem byłoby już przekroczyć, t. j. do zera absolutnego, czyli 273 stopni Celsjusza poniżej zera.
Jak już powiedzieliśmy, znaleźliśmy dwóch nowych sojuszników, promieniotwórczość i promienie Roentgena, w dążeniu naszem do dostrzegania maleńkich atomów. Zwiększyły one bystrość naszego wzroku o jakieś dziesięć tysięcy razy. Mikroskop dokonał był już tego, co mógł dla nas dokonać; lecz najmniejszy przedmiot, dostrzegalny przez mikroskop, składał się jeszcze z biljonów atomów. Nie można było osiągnąć dalszych udoskonaleń soczewek mikroskopu: technika doszła do najdalszych granic swych możliwości. Trudność polegała w istocie na fakcie, że światło jest ruchem falistym i że fale świetlne nie mogą ujawnić nam szczegółów przedmiotów, o ile rozmiary tych przedmiotów nie są znacznie większe od długości fali. Potrzebne nam było nowe światło o bardzo małej długości fali. Zjawiło się ono pod postacią promieni Roentgena. W tym samym czasie promieniotwórczość wykazała nam, co może zdziałać pojedyńczy atom sam przez się, gdy obdarzony zostanie ogromną szybkością. Możemy teraz z jednej strony widzieć pojedyńczy atom, wprawdzie tylko pośrednio, ale w sposób dostateczny dla naszych badań nad atomem; z drugiej strony możemy postrzegać bezpośrednie skutki jego działania; w pierwszym wypadku pomocnemi nam są promienie Roentgena, w drugim — promieniotwórczość. Mamy nadzieję, że uda nam się wytłumaczyć w jaki sposób oba te czynniki wzbogacają zasób naszego poznania. Nasamprzód zajmiemy się promieniotwórczością.
Jako atom radu możemy sobie przedstawić, pod względem rozmiaru, jedną z tych kul, które leżą przed nami. Jest to jeden z najcięższych i największych atomów; pewna ilość tych atomów razem tworzy substancję, która jest metalem tak, jak żelazo lub złoto. Atom ten, sam przez się, pod żadnym istotnym względem, nie wyróżnia się niczem póki pozostaje atomem radu; lecz z jakiegoś powodu, którego nikt nie rozumie, nastaje chwila, kiedy atom ten wybucha. Mała cząstka wyrzucona zostaje, jak pocisk z działa, a reszta cofa się, jak działo po wystrzale. Ta reszta nie jest już radem, jest atomem mniejszym, mającym całkiem różne własności. Rad przekształcił się w nową substancję. W samej rzeczy ta nowa substancja jest gazem, podczas gdy pocisk okazuje się atomem, ciężar którego jest jednym z najmniejszych w szeregu ciężarów atomowych, mianowicie drugim zkolei wśród najmniejszych; nazywa się helem. Nikt nie wie, co powoduje wybuch, ani też nikt nie potrafi go przyśpieszyć lub powstrzymać. Atom radu z taką samą łatwością może ulec wybuchowi w każdej chwili, bez względu na to, czy znajduje się w wielkim piecu, czy też w płynnem powietrzu. Co więcej, niezależność jego od otoczenia odnośnie chwili wybuchu występuje jeszcze jaskrawiej wobec faktu, że kojarzenie się z innemi atomami nie ma żadnego wpływu pod tym względem. Kojarzenie się, czyli powstawanie cząsteczek związane jest bezwątpienia z zewnętrznemi układami w atomach, natomiast wybuch atomu ma przyczynę swą wewnątrz tegoż.
Ryc. 1 A.
Dawni alchemicy starali się odnaleźć sposób przeistaczania jednego atomu w drugi, przedewszystkiem zaś ołowiu w złoto. W zachowaniu się radu zachodzi coś w rodzaju tej przemiany, że użyjemy tego starego wyrażenia, o jakiej marzyli alchemicy. Lecz nie jest ona dokładnie taka, do jakiej oni dążyli, a mianowicie z dwóch względów. Po pierwsze nie może ona być kierowana wolą ludzką, — co jest rzeczą niezwykłą, gdyż niewiele jest takich zjawisk, o których da się to powiedzieć. Nawet gdy pewne zjawisko leży poza zdolnością naszego pojmowania, często możemy rozstrzygnąć, czy nastąpi ono, czy też nie. Nie możemy pojąć, w jaki sposób kiełkuje ziarno, a tem bardziej spowodować, aby ziarno kiełkowało, możemy jednak zamknąć ziarna w skrzyni i powstrzymać kiełkowanie tak długo, jak się nam spodoba. Lecz wybuch radu nie czeka na cokolwiek, cobyśmy przedsięwzięli.
Po drugie wynikiem przemiany nie jest złoto, jest nim przeciwnie ołów. Gaz, który składa się z atomów radu, które wystrzeliły z siebie po jednym atomie helu, ma żywot bardzo krótkotrwały; przeciętny okres życia każdego z jego atomów trwa nieco mniej niż cztery dni, w przeciwieństwie do przeciętnego okresu życia atomu radu, okresu, wynoszącego około dwóch tysięcy lat. Drugi wybuch „przemienia“ atom gazu w nową substancję, zwaną radem A, a przy tej sposobności inny atom helu zostaje wystrzelony. Następuje szereg dalszych wybuchów, w bardzo różnych odstępach czasu, i ostatecznym produktem jest istotnie ołów, a nie złoto. Gaz nazwany został „emanacją radu“ przez Rutherford’a, który odkrył jego istnienie.
Całe zjawisko jest przedziwne, chcemy jednak zwrócić uwagę na to, co się staje z pociskiem po opuszczeniu przezeń działa. Początkowa jego szybkość jest tak wielka, że niktby nie przypuszczał, iż cząstka może ją osiągnąć. Gdy Huyghens spierał się z Newtonem co do istoty światła, potępił on pogląd Newtona, według którego światło powstaje z lotu drobin, wychodząc z założenia, że cząstki materji nie mogłyby w żadnym razie poruszać się z taką wielką szybkością, jaka wówczas właśnie została stwierdzona dla światła. Ciekawem jest, że obecnie znajdujemy atomy, poruszające się z chyżością, wynoszącą jedną dziesiątą lub jedną dwudziestą tej, która wówczas wydawała się dla nich niemożliwą. Są nawet drobiny, zwane elektronami, także wyrzucane przez substancje promieniotwórcze, które w niektórych wypadkach osiągają szybkość, niemal równą szybkości światła. Ciekawem jest też, że inny argument Huyghensa okazał się również bezpodstawnym ze względu na zaobserwowane zjawiska promieniotwórczości. Twierdził on, że według teorji Newtona dwie osoby nie mogłyby w żaden sposób spojrzeć sobie w oczy, gdyż drobinki świetlne spotkałyby się nawzajem i spadłyby na ziemię. Przekonamy się niebawem, że i ten argument zostaje obalony przez zjawiska promieniotwórczości.
Szybkość początkowa helu wynosi około 16.000 kilometrów ma sekundę. W niespełna minutę mógłby on przelecieć do księżyca i zpowrotem na ziemię, jeśliby szybkość jego pozostawała bez zmiany, lecz jest właśnie rzeczą ciekawą, że pomimo tej wielkiej szybkości i energji, z jaką atom helu zostaje wyrzucony, nigdy nie zdoła on dotrzeć daleko, gdy przedostaje się przez coś materjalnego. Nawet, gdy może dokonać swego lotu w powietrzu, szybkość jego spada do rzędu szybkości pospolitych już po przebyciu drogi długości od 5 do 8 cm. Droga ta naogół biegnie po linji zupełnie prostej, jak niebawem przekonamy się na podstawie doświadczenia, i jest to punkt szczególnie doniosły, który musimy bardzo starannie rozważyć. Na pierwszy rzut oka nie wydaje się to tak bardzo godnem uwagi, że droga jest właśnie prostą: mamy na myśli kulę karabinową, która przeszyła kłodę drzewa np., pozostawiając w niej walcowaty otwór, albo takąż kulę, przeszywającą powietrze po linji prostej. Ale porównanie to jest niewłaściwe. Kula karabinowa jest masą ołowiu olbrzymio cięższą od wszelkich cząsteczek, jakie napotyka i wobec tego bez oporu usuwa ze swej drogi powietrze. Lecz atom helu jest lżejszy i mniejszy od atomów azotu lub tlenu, z których przeważnie składa się powietrze, musimy więc pomyśleć o jakiemś trafniejszem porównaniu. Przypuśćmy, że pewna ilość kul bilardowych znajduje się na stole bilardowym i że wyobrażają one cząsteczki powietrza. Jeśliby się one poruszały, obraz byłby jeszcze wierniejszym, lecz szczegół ten nie ma istotnego znaczenia. Pchnijmy teraz jedną z tych kul wpoprzek stołu, celując w punkt przeciwległej bandy i zaobserwujmy, co się stanie w miarę, jak kula ta posuwać się będzie naprzód, przedostając się poprzez ciżbę kul, znajdujących się na stole, a które zresztą mogą znajdować się w ruchu lub też w spoczynku. Zderza się ona z jedną z kul i odrzucona zostaje w bok; zderza się z kilkoma innemi raz po razie i wkrótce zatraca wszelki ślad pierwotnego kierunku swego ruchu. Czyż mamy teraz pchnąć ją z całej siły, aby się przekonać, czy wówczas kula w biegu swym mniej się oddali od swego pierwotnego kierunku, t. j. od linji prostej? Próbujemy i przekonywamy się, że nic się nie poprawiło. Droga po linji prostej nie da się osiągnąć przez jakiekolwiek chociażby największe wzmożenie szybkości.
aniżeli porównanie z wystrzeloną kulą karabinową i daleko jaśniej uwydatnia szczególną istotę zjawiska radu. Atom helu musi napotykać znaczną ilość cząsteczek powietrza, gdy posuwa się po linji prostej, jeśli atomy posiadają takie rozmiary, jakie przypuszczaliśmy. Istotnie, cząsteczki znajdują się na drodze atomu helu daleko gęściej, aniżeli można to przedstawić zapomocą modelu bilardowego. Można obliczyć ilość cząsteczek powietrza, częściowo tlenu, częściowo azotu, które znalazłyby się na linji prostej długości ośmiu centymetrów, przeprowadzonej w dowolnej chwili w powietrzu; ilość ta wyraża się w setkach tysięcy. W jaki sposób może atom helu przeć naprzód po prostej linji poprzez tę ciżbę cząsteczek, z których każda jest od niego cięższa? Atomowi helu udaje się to jednak, musimy zatem postarać się to wytłumaczyć.
Możliwem zdawałoby się przypuszczenie, że droga wydaje się linją prostą tylko pozornie, i, że, jeślibyśmy mogli przyjrzeć się jej bardziej dokładnie, spostrzeglibyśmy, że składa się ona z niezliczonych załamań, spowodowanych obchodzeniem przez atom napotykanych na drodze cząsteczek. Chwila jednak zastanowienia wykaże, że przypuszczenie to jest niedorzecznem: atom musiałby posiadać inteligencję istoty żyjącej, aby móc odnajdywać za każdym razem kierunek stracony. Jeśliby po przeciwległej stronie ulicy była cukiernia i jeślibyśmy dali chłopcu złotówkę i posłali go do cukierni, bez wątpienia udałby się on drogą możliwie najprostszą, droga ta jednak byłaby w istocie łamaną naskutek konieczności wymijania osób i pojazdów, z któremi chłopiec spotkałby się po drodze. Nie można sobie atoli wyobrazić, aby atom helu mógł się zachować podobnie.
Zagadkę przebiegu po linji prostej wytłumaczyć sobie można tylko w jeden jedyny sposób: przypuszczać musimy, że atom helu przenika spotykane przez się cząsteczki i że jakoś jest to w stanie uczynić dzięki niezwykłej chyżości, jaką został obdarzony. Jest to przypuszczenie niezmiernie śmiałe; jednakże żadne inne się nie nasuwa; w samej też rzeczy, okazuje się, że dzięki takiemu właśnie przypuszczeniu możemy wytłumaczyć wiele innych faktów, dotyczących promieniotwórczości. Znajdujemy się więc na właściwej drodze.
Ryc. 2. Przekrój komory do ekspansyj w aparaturze p. C. T. R. Wilsona dla pomiarów przebiegu atomów helu (patrz również Tabl. II).
Tłok PP opuszcza się raptownie od położenia, zaznaczonego linją przerywaną, do położenia, oznaczonego linją ciągłą: dzięki temu powietrze ochładza się nagle przez ekspansję i mgła tworzy się na śladach przebiegu atomów helu, wyrzucanych przez rad w R.
Czas już, abyśmy przyjrzeli się zjawisku własnemi oczyma: wniosek, do jakiegośmy doszli jest tak nieoczekiwany i tak doniosły, że pragnęlibyśmy posiąść dowód doświadczalny, aby móc się przekonać o rzeczywistości tych dróg po linji prostej. Zawdzięczamy p. C. T. R. Wilsonowi piękną aparaturę, która daje nam żywy obraz tych zjawisk, skorzystamy z niej natychmiast. Doświadczenie to jest, zdaniem naszem, jednem z najbardziej godnych podziwu w świecie nauki. Zobaczymy niebawem rzeczywiste drogi poszczególnych atomów helu, z których każdy rozpoczyna swój lot z szybkością 16.000 kilometrów na sekundę, a jednak kończy go po przebyciu około 8 cm w powietrzu. Lecz musimy wpierw zająć się wytłumaczeniem sposobu działania aparatury, która odznacza się nadzwyczajną pomysłowością.
W aparaturze znajduje się walcowate naczynie mosiężne ze szklaną pokrywą i z dnem, które może być podnoszone i opuszczane tak, aby można było zmieniać głębokość naczynia. Poza tem aparatura obejmuje mechanizm, złożony z kół, korb i dźwigni, zapomocą którego dno naczynia można raptownie opuszczać w dowolnych odstępach czasu. Gdy to ma miejsce, powietrze lub inny gaz, wypełniający naczynie, ochładza się naskutek nagłej ekspansji. Będziemy bliżej badali zjawiska tego rodzaju w następnym wykładzie. W bocznej ściance naczynia umieszczona jest od wewnątrz maleńka drobina radu na odpowiedniem trzymadle. Atomy radu wybuchają raz po raz i wyrzucają atomy helu, z których pewna ilość dostaje się wprost do naczynia. Średnica naczynia jest dostatecznie duża, aby atomy mogły całkowicie dokonywać swego lotu jeszcze w powietrzu, znajdującem się wewnątrz naczynia. Przeciętny okres życia radu jest tak duży, że nawet, gdyby aparatura była jeszcze zdatna do użytku po dwóch tysiącach lat, jeszcze pozostałaby się połowa wspomnianej drobiny radu. A jednak co sekunda dziesięć — dwadzieścia — sto atomów radu znika przy wyrzucaniu atomów helu. Nie możnaby bodaj lepiej wykazać, jak wiele atomów jest skupionych w tak małej objętości.
Powietrze w komorze stale jest wilgotne tak, aby ochładzanie naskutek rozrzedzenia powodowało tworzenie się mgły. Mgła powstaje daleko łatwiej, o ile może osiadać na jakiegokolwiek rodzaju ośrodkach, aniżeli, gdy powstawać mają w powietrzu kropelki samodzielnie. Wykorzystane przytem zostają znajdujące się ewentualnie w powietrzu drobne pyłki, co jest powodem łatwego powstawania mgły w powietrzu zanieczyszczonem. Najłatwiej jednak osiada mgła na tych atomach, które zostały przeszyte przez atomy helu. Przyczyna tkwi w tem, że dany atom został skutkiem tego przeszycia czasowo uszkodzony: drobna cząstka atomu zazwyczaj zostaje przy tem porwana. Cząstka ta jest tem, co obecnie zwiemy „elektronem“; posiada ona ładunek elektryczny ujemny i naskutek tego atom, który został jej pozbawiony, naładowany jest dodatnio. Wyzwolony elektron prędzej czy później osiada na jednym z sąsiednich atomów, a w wyniku mamy dwa atomy, naładowane jeden dodatnio, a drugi ujemnie, tam, gdzie przedtem nie było wcale atomów naładowanych. Naładowane atomy silnie przyciągają wilgoć i mgła powstaje na nich przedewszystkiem. Gdy więc jakiś atom helu wykonał swój bieg poprzez gaz po linji prostej i gdy w tym samym momencie nastąpiło ochłodzenie naskutek rozrzedzenia gazu, powstaje mgła wzdłuż drogi atomu helu. Komora jest oświetlona silnem światłem tak, że ślady mgły widoczne są jako świecące proste linje, występujące na zaczernionem tle dna walcowatej komory. Pozostają one przez parę sekund, poczem cząstki mgły powoli się rozpraszają. Gdy atom helu dokona swego lotu bezpośrednio przed powstaniem mgły, linja jest ostra i wyraźna, gdyż naładowane atomy nie miały czasu oddalić się od śladu drogi. Gdy jednak ślad powstanie na pewien czas przed ekspansją gazu, pasmo mgły jest bardziej rozlane. Należy pamiętać, że atomy helu wystrzeliwane są stale, dniem i nocą; lecz tylko, gdy jednocześnie wywołujemy ochłodzenie przez rozrzedzanie gazu, stają się widocznemi drogi ich przebiegu[3].
Gdy śledzimy za następującemi po sobie rozrzedzemami, widzimy, że ślady dróg, jakkolwiek całkiem proste na znacznej przestrzeni przebiegu, ulegają czasami nagłym ostrym załamaniom, zwłaszcza przy końcu przebiegu. Okazuje się, że to godne uwagi zjawisko jest niezmiernie doniosłe, będziemy też musieli zająć się niem niebawem.
Zastanówmy się teraz, w jaki sposób zmienić mamy nasze pierwotne wyobrażenie atomu, aby móc wytłumaczyć spostrzeżone obecnie przez nas zjawiska. Atomy posiadać muszą taką budowę, dzięki której są w stanie zachować się przy zwykłem wzajemnem spotkaniu, jak np. w wypadku zderzenia się cząsteczek tlenu w powietrzu, tak, jakgdyby każdy posiadał swój własny określony obszar, do którego żaden inny atom przeniknąć nie może. Albo też, gdy atomy, względnie cząsteczki, zostaną stłoczone tak ściśle, jak to ma miejsce w ciele stałem, zajmą one łącznie taką przestrzeń, jaka wystarcza dla pomieszczenia każdego z nich. Lecz, gdy atom — i tu atom helu jest dla nas najwybitniejszym przykładem — wyrzucony zostanie z szybkością dostatecznie wielką naprzeciw innym atomom, przenika przez nie tak, jak gdyby jakieś mury, broniące dostępu do indywidualnych obszarów, zostały zburzone. Znajdziemy zadawalniające wytłumaczenie, gdy wyobrazimy sobie, że każdy atom upodobniony być może do układu słonecznego w minjaturze. Znajduje się tam jądro, jako odpowiednik słońca, a dookoła jądra księżyce lub planety, które nazywamy elektronami. Jądro naładowane jest elektrycznością dodatnią, każdy zaś z elektronów naładowany jest elektrycznością ujemną, a wszystkie elektrony są identyczne. Dodatni ładunek jądra akurat wystarcza, aby zrównoważyć połączone ładunki ujemne elektronów. Należy przypuszczać, że elektrony znajdują się w ruchu zupełnie tak, jak planety, krążące dookoła słońca, lecz ruchy te bezwątpienia są bardziej skomplikowane, nie potrzebujemy też w danej chwili ani trochę troszczyć się o ich istotę.
Zamiast więc okrągłej twardej piłki o określonej wielkości która stanowiła pierwsze nasze wyobrażenie atomu, mamy coś w rodzaju systemu słonecznego w minjaturze. Odrazu możemy zrozumieć, dlaczego atom w tej postaci może przedostawać się przez inny, zupełnie tak samo, jak możemy sobie wyobrazić jeden system słoneczny, przedostający się przez inny bez szkody pod warunkiem, aby żadne z ciał, należących do jednego systemu, nie zderzyło się bezpośrednio z jednem z ciał drugiego systemu i aby ruch był dostatecznie szybki. Drugi warunek jest konieczny, gdyż, o ileby jeden system słoneczny pozostawał zbyt długo w obrębie lub w sąsiedztwie drugiego, spowodowałoby to bezwątpienia bardzo poważne zaburzenia w biegu planet.
Lecz w takim razie, zapytamy, gdy taka jest istota atomu, w jaki sposób może on powstrzymać inny atom od przedostania się do wnętrza swego obszaru? W jaki sposób może on zajmować jakąkolwiek część przestrzeni wyłącznie dla siebie i udaremnić wtargnięcie do niej innego atomu, gdy szybkość ich przy wzajemnem spotkaniu jest niewielką? Wytłumaczenie staje się prostem, gdy rozważymy swoisty układ w przestrzeni dodatnich i ujemnych ładunków. Każdy atom otoczony jest powłoką, jakby pancerzem, z elektronów i, gdy dwa atomy się zderzają, nasamprzód zetkną się ze sobą ich pancerze. Ponieważ jednak jednoznaczne ładunki elektryczne nawzajem się odpychają, obydwa atomy ulegną działaniu siły, która przeciwdziałać będzie ich zbliżeniu, innemi słowy sprzeciwiać się one będą wzajemnemu naruszeniu swoich obszarów. Bezwątpienia obraz ten oddaje tylko z gruba to, co ma miejsce w rzeczywistości; istotnie, trudno jest wytłumaczyć wielkość sił, sprzeciwiających się zbliżeniu atomów na podstawie tak prostej hipotezy. Jednak prowadzi nas ona we właściwym kierunku. Gdy obydwa atomy zbliżają się do siebie z wielką szybkością, przy zderzeniu układ elektronów i jądra jednego atomu prześlizgują się poprzez elektrony i jądro drugiego atomu. Model pomoże nam do wyjaśnienia tego punktu.
Na Tabl. IV A widzimy szereg magnesów prętowych, utwierdzonych na sprężynach spiralnych i stojących pionowo. Magnes, znajdujący się w pośrodku, zwrócony jest ku górze biegunem północnym, podczas gdy magnesy, tworzące pierścień zewnętrzny, zwrócone są ku górze biegunami południowemi. Model przedstawia z gruba położone w środku atomu jądro, otoczone pierścieniem elektronów. W modelu wszystko znajduje się w płaszczyźnie; w atomie coprawda tak nie jest, ale niema to istotnego znaczenia. Poza tem magnes pojedyńczy zawieszony jest na długiej nitce pionowo nad samym magnesem, wyobrażającym jądro. Dolny jego koniec jest biegunem południowym a długość nitki jest taka, że wiszący magnes niemal dotyka się magnesów stałych. Proszę teraz zauważyć, że, gdy pchniemy magnes wiszący w jedną stronę (S na ryc. 3a), lecz nie zadaleko, zbliża się on do grupy stałych magnesów, lecz nie może się do niej dostać. Wydaje się, jakby pukał do drzwi u każdego z magnesów, lecz za każdym razem zostaje odepchnięty.
Zupełnie tak samo uderzałby napróżno w zewnętrzne mury ochronne atomu elektron, o ileby uderzenia jego nie były dostatecznie silne. Łatwo możemy sobie wyobrazić, że gdyby pojedyńczy magnes ruchomy został zastąpiony przez układ magnesów, podobny do naszego stałego, wynik byłby taki sam. Mamy tu więc obraz naszych atomów takich, jakiemi je sobie obecnie przedstawiamy, zderzających się i odpychających się nawzajem; każdy z nich zajmuje określony obszar w przestrzeni i nie dopuszcza do wtargnięcia doń innego atomu. Lecz, gdy wiszący magnes odchylony zostanie na bok dostatecznie daleko, aby mógł uzyskać szybkość większą aniżeli poprzednio, w chwili, gdy znajdzie się w pobliżu układu magnesów stałych, przejdzie przezeń dzięki uzyskanemu przez się rozpędowi. Gdy szybkość jest bardzo duża, zmiana ruchu magnesu naskutek przejścia przez układ będzie niewielka (ryc. 3c), gdy szybkość jest nieco mniejsza, często po przejściu przez układ jeszcze bardziej się zmniejsza (ryc. 3b). Rozpęd magnesu staje się mniejszym po przejściu przez układ niż był przed wejściem do tegoż, nieraz magnes zmienia kierunek pierwotny swego ruchu i oczywiście pozostawia za sobą część swej energji, gdyż po jego przejściu magnesy układu stałego chwieją się na swych sprężynach. Ma to miejsce bez względu na to, który biegun wiszącego magnesu zwrócony jest ku dołowi, oczywiście też zaobserwowalibyśmy to samo zjawisko, gdybyśmy zastąpili pojedyńczy magnes wiszący układem jądra i przynależnych księżyców.
Zachowanie się modelu pozwala nam przewidzieć, cobyśmy stwierdzili, gdyby atomy takie, jakiemi je sobie ostatnio wyobraziliśmy, spotkały się ze sobą. Gdy zbliżają się one do siebie z umiarkowaną szybkością, mogą od siebie odskoczyć; przy wielkich szybkościach przelatują przez siebie nawzajem i, czem większa szybkość, tem większe prawdopodobieństwo przeniknięcia się wzajemnego atomów bez żadnych oczywistych zmian. Lecz zawsze jest możliwem, że jądro poruszającego się atomu może na tyle zbliżyć się do jądra atomu, przez który przelatuje, że dozna wyraźnego odchylenia. Czem mniejsze są jądra, z tem mniejszem prawdopodobieństwem może się to zdarzyć.
|
A. Magnesy prętowe na sprężynach spiralnych. Magnes środkowy zwrócony jest ku górze biegunem północnym; dookoła niego uszykowane są magnesy, zwrócone ku górze biegunami południowemi. Magnes, wiszący na nitce, zwrócony jest ku dołowi biegunem południowym.
|
Szereg środkowy: lit, węgiel, azot, tlen, neon.
Szereg dolny: potas, chlor, argon.
na Tabl. III C. Górny ślad wykazuje jedno niewielkie, lecz wyraźne zagięcie w pewnej odległości od końca przebiegu i drugie daleko silniejsze załamanie niemal u samego końca. Tak więc nowy pogląd na budowę atomu tłumaczy w sposób zadawalniający wszystkie zjawiska.
Dziwną się wydaje myśl, że atom jest równie pusty, jak system słoneczny; nie jest on ciałem kulistem, twardem i zupełnie nieprzenikliwem, lecz układem, złożonym z jądra i elektronów, zajmujących pewien obszar, podobnie, jak armja, okupująca jakiś kraj. Ciała żołnierzy nie wypełniają kraju z krańca do krańca; tem nie mniej inwazja żołnierzy nieprzyjacielskich jest udaremniona.
Te bardzo charakterystyczne obrazy są owocem wielu badań i zdjęć fotograficznych. Załamania znaleźć można przy każdej ekspansji gazu, ale względnie dużo czasu poświęcić trzeba, zanim natrafi się na szczególnie ostre i wyraźne. Bardzo piękne zdjęcie oddane jest na Tabl. III D. Zawdzięczamy je p. P. Blackett’owi. W tym wypadku użyty został hel zamiast powietrza. Jądro lecącego atomu helu, przenikając atom helu, wypełniającego komorę, trafiło niemal w samo jądro atomu w spoczynku, uderzyło weń „w sam łeb“, jakby się wyraził bilardzista. Oba atomy poruszają się nadal z równą niemal szybkością i, jak widać z ryciny, oba pozostawiają ślady mgły. Na Tabl. III C, gdy przypatrzymy się dokładniej, zauważymy maleńką ostrogę przy końcowem załamaniu śladu wyżej wspomnianego, która oznacza, że w tym wypadku jeden z atomów tlenu lub azotu odchylił atom helu i na skutek tego sam się cofnął. Ślad jego drogi jest bardzo krótki, gdyż jest on o wiele cięższym od atomu helu, który weń uderzył, i na skutek tego szybkość, jaka mu została nadana, była stosunkowo niewielka.
Da się zauważyć jeden szczegół na tych fotografjach, który warto wyjaśnić. W niektórych śladach są przerwy, jak gdyby w tych miejscach mgła nie powstawała. Odpowiada to istotnie rzeczywistości: nie było w tych miejscach wilgoci, gdyż inny atom helu na krótko przedtem przeszedł tamtędy i zużył całkowicie wilgoć w okolicy. Na Tabl. III B widzimy kilka śladów, spowodowanych emanacją radu. Powstają one w różnych dowolnych miejscach komory, a to dlatego, że odnośne atomy emanacji radu zdążyły rozejść się po całej komorze zanim uległy wybuchowi.
Najbliższem zagadnieniem, jakie powstaje, dotyczy ilości elektronów, które występują w atomie w roli księżyców dookoła jądra. Tu natrafiamy na bardzo piękną i godną uwagi cechę, charakteryzującą nowe odkrycia. Nie jest koniecznem, by szczegółowo wyjaśniać, w jaki sposób została ona ujawniona, zadowolnimy się jej opisaniem.
W atomie tak, jak go sobie obecnie wystawiamy, jądro naładowane jest elektrycznością dodatnią, przyczem wysokość tego ładunku wystarcza, aby zneutralizować ładunki ujemne towarzyszących elektronów. Jak już widzieliśmy, wszystkie elektrony są jednakowe. Otóż znajdujemy, że atomy różnią się między sobą liczebnością swego orszaku, który mogą przy sobie utrzymać, i że stwierdzenie ilości elektronów w danym atomie w zupełności określa jego własności, dotyczące zachowania się jego względem innych atomów. Atom węgla np. może utrzymać sześć elektronów; ładunek dodatni jądra stanowi równoważnik sumy sześciu podstawowych ładunków ujemnych. Każdy atom, który może zatrzymywać przy sobie sześć elektronów jest atomem węgla, — wszelkie inne określenie atomu węgla staje się zbytecznem. Podobnie „atom o siedmiu elektronach“ jest azotem; „atom o ośmiu elektronach“ tlenem i t. d. W Przyrodzie spotykamy wszystkie liczby — z bardzo nielicznemi wyjątkami — od atomu o jednym elektronie — wodoru — aż do atomu o dziewięćdziesięciu dwóch elektronach — uranu. Liczby brakujące prawdopodobnie będą kiedyś wykryte; stanie się to zapewne w sposób mniej lub więcej przypadkowy.
W przybliżeniu możemy uprzytomnić sobie budowę atomu zapomocą modeli. Jądro (p. Tabl. IV B) wyobrażone jest przez białą piłkę kauczukową, elektrony przez mniejsze kulki, osadzone na szpilkach, wbitych w piłkę, znajdującą się pośrodku. Szpilki mogą być różnej długości.
Wydaje się rzeczą dziwną, że ogromna różnorodność Przyrody da się wyrazić przez szereg liczb. Był czas, kiedy sądzono, że różne rodzaje atomów zawdzięczają swą różnorodność czemuś więcej; wielką niespodzianką jest stwierdzenie tak prostej cechy, wyróżniającej poszczególne rodzaje atomów. Niezmienną cechą danego rodzaju atomów jest dodatni ładunek elektryczny jądra. Naskutek tego właśnie skupia się dookoła odpowiednia liczba elektronów. Można oczekiwać, że elektrony te ułożą się w pewien określony sposób; zobaczymy później, że tak jest w samej rzeczy. Rodzaj układu, jaki one tworzą w każdym poszczególnym wypadku i istota sił, działających przytem, są to rzeczy bardzo trudne, lepiej też będzie, gdy rozpatrzenie większości z nich narazie odłożymy, poprzestając na zbadaniu paru bardziej przystępnych stron zagadnienia.
Przedewszystkiem jest rzeczą interesującą śledzić za skupianiem się małych pionowych magnesów, pływających w misce szklanej (Tabl. V A). Zaopatrzone są one w pływaki w postaci czarnych kulek celuloidowych, aby zaś łatwiej było je rozróżnić osadzono na nich białe kulki celuloidowe. Wszystkie magnesy zwrócone są pionowo w górę temi samemi biegunami tak, że pozostawione same sobie odpychają się nawzajem i rozpraszają wzdłuż obwodu miski. Pod tą ostatnią atoli znajduje się elektromagnes; gdy zostanie on pobudzony, ściąga małe magnesy, skupiając je w jedno miejsce. Tworzą one układ, który zależny jest częściowo od przyciągania elektromagnesu ku środkowi miski, częściowo od wzajemnych odpychań się małych magnesów. Coś podobnego dziać się musi w atomie, lecz porównania tego nie powinniśmy posuwać zbyt daleko, gdyż siły, wchodzące w grę wewnątrz atomu, mogą znacznie różnić się od sił, działających w modelu. Musimy poprzestać na stwierdzeniu, że, gdy ilość pływających magnesów jest niewielka, skupiają się one w jeden pierścień, gdy jednakże ilość ich zostanie zwiększona, układają się w parę lub kilka pierścieni koncentrycznych. Ładne zjawisko można spostrzec, zwiększając stopniowo ilość magnesów, umieszczając przytem po kolei każdy dodatkowy magnes u brzegu miski. Zobaczymy wówczas, jak każdy z tych magnesów spokojnie i pewnie popłynie ku przeznaczonemu sobie miejscu.
Podobny podział na koncentryczne powłoki lub grupy znajdujemy w układzie elektronów dookoła centralnego jądra atomu. Rozważymy to dokładniej w następującym wykładzie. Doświadczenie nie udawadnia, że takie układy koniecznie istnieć powinny, ale bezwątpienia nasuwa nam takie przypuszczenie.
Możemy teraz lepiej pojąć, co się dzieje, gdy atom helu uszkodzi atomy, które przenika, powodując przyciąganie ich przez cząsteczki wilgoci, tworzące mgłę. Jest bowiem rzeczą dopuszczalną dla atomu, aby pozbawiony on został jednego z towarzyszących mu elektronów. Utraciwszy jeden elektron, sprzeciwia się atom tem silniej utracie następnego, a jeszcze silniej utracie trzeciego. Atom helu w miarę, gdy napotyka coraz to inne atomy gazu, przez który przelatuje, pozbawia każdy z tych atomów jednego z towarzyszących mu elektronów. Wyswobodzony elektron opuszcza układ atomu, lecąc dalej samodzielnie. Lecz to samodzielne jego życie jest nader krótkotrwałe: wkrótce zostaje związany z układem innego atomu. Atom, pozbawiony jednego elektronu, uzyskał przez to ładunek dodatni, podczas gdy atom, wzbogacony o jeden elektron, naładowany zostaje ujemnie. Obydwa atomy powróciłyby do swego poprzedniego stanu, gdyby zbliżyły się dostatecznie do siebie, a ponieważ znajdują się one w nieustannym ruchu, ujemne i dodatnie atomy gazu oddają względnie pochłaniają wkońcu elektrony tak, że gaz w całej swej masie staje się znów elektrycznie obojętnym.
Istnieje piękne doświadczenie, którem zakończyć możemy niniejszy wykład. Gdy atomy helu bombardują niektóre substancje, wzniecają w nich fosforyzujące światło. W rzeczywistości jest to, gdy się bliżej przypatrzymy, szereg drobnych błysków, spowodowanych zderzeniem poszczególnych atomów helu z pojedyńczemi atomami substancji; pod mikroskopem wygląda to tak, jak gdyby ktoś rzucał kamyki do fosforyzującego morza. Naczynie szklane (Tabl. V B) zawiera kryształy, fosforyzujące pod działaniem lecących z wielką szybkością atomów helu, mamy wśród nich kuncyt, siarczyk cynku i willemit. W innej rurce szklanej zawarta jest pewna ilość emanacji radu, gazu, jak przypominają sobie słuchacze, będącego bezpośrednim potomkiem samego radu. Gdy gaz ten wyswobodzimy, i wprowadzimy do rurek, zawierających kryształy, te ostatnie zaczną jarzyć się żywemi barwami. Na naszej rycinie kryształy odfotografowały same siebie dzięki swej fosforescencji.
Widzimy, że zachowanie się radu pozwoliło nam na bardzo dokładne rozejrzenie się w budowie atomu; tkwi w tem przyczyna ogólniejszego znaczenia. Badacz nauk ścisłych oddawna był już oswojony z istnieniem różnych atomów i z ich własnościami; nigdy jednak nie widział samego atomu ani bezpośredniego tegoż działania. Operował on atomami, tylko mając do czynienia z wielkiem mnóstwem tychże. Gdy chemik wywołuje łączenie się pierwiastków w związki, lub, gdy odwrotnie poddaje te związki analizie, rozkładając je na pierwiastki, zawsze ma do czynienia z olbrzymiemi ilościami atomów nawet w tych wypadkach, gdy ilość badanych związków lub pierwiastków zaledwie jest dostrzegalną. W owych zjawiskach promieniotwórczych natomiast postrzegamy za każdym razem działanie pojedyńczego atomu i w tem leży tajemnica dokonanego postępu. Szybkość pocisku helowego, setki tysięcy razy większa od szybkości, jaką zazwyczaj posiadają atomy, poruszające się w gazach, które tworzą, pozwala pojedyńczemu atomowi dać znać o sobie. Gdy przyglądamy się śladom mgły, widzimy działanie pojedynczych atomów; widzimy coś, co wzbudziłoby podziw i radość w pierwszych zwolennikach teorji atomistycznej. Gdy dajmy na to atom helu przenika przez atom tlenu i przedostaje się na drugą stronę, wówczas obydwa ponoszą skutki swojego spotkania. Dzięki tym właśnie skutkom możemy określić istotę atomów. Atom helu jest jakby szpiegiem, który udał się do obcego kraju i wrócił zpowrotem, pełen ciekawych wieści.
- ↑ Patrz „Spuścizna Rzymu“ (Oxford University Press) str. 270 — artykuł Dra Singera.
- ↑ Z piątkowego wieczornego odczytu w Instytucie Królewskim Wielkiej Brytanji, wygłoszonego 4 marca 1881 r.
- ↑ Na wykładzie działanie aparatury uwidocznione było zapomocą filmu kinematograficznego, specjalnie w tym celu sporządzonego. Okazywał on szereg następujących po sobie ekspansyj, z których każda powodowała nową serję linij, podobnych do tych jakie widzimy na Tabl. III.
