Historia rozwoju pojęć odnoszących się do budowy materii

Rozdział w trakcie uzupełniania i korekty


W rozdziale tym zostanie omówione kształtowanie się pojęć takich jak atom, budowa atomu, cząsteczka jony. 

Omówienie zaczyna się od przedstawienia koncepcji budowy atomów już przez starożytnych uczonych


Wiek XX określany jest mianem wieku atomu. Takie stwierdzenie jest w pełni słuszne, zwłaszcza w świetle najważniejszych zmian, jakie zaszły w poglądach na budowę atomu, strukturę materii oraz mechanizmy zachodzących reakcji chemicznych. Pierwsze stwierdzenie, że atom nie jest jednolitym tworem a składa się z innych elementów, stało się podstawą do rozmyślań nad jego budową.
Rutherford wraz z współpracownikami badając rozpraszanie cząstek ? przez cienką folię wykonaną ze złota stwierdzili, że cząstki ? przechodziły przez nią prawie bez zmiany kierunku. Jedna na kilkadziesiąt tysięcy ulegała odchyleniu o kąt od 90 - 180O. Oznaczało to że cząstki które ulegały tak dużemu odchyleniu natrafiały na jakąś cząstkę wykazującą dodatni ładunek a znajdującą się wewnątrz atomu. Na tej podstawie Rutherford stwierdził, że w środku atomu znajduje się dodatni ładunek i tam też jest skupiona cała masa atomu - ten element nazwał jądrem atomu. Ten dodatni ładunek w jądrze musi być równoważony przez znajdujące się wokół niego elektrony. Powstał problem jak elektrony są rozmieszczone w atomie. Zgodnie z prawami elektrostatyki ładunki różnoimienne przyciągają się nawzajem w wyniku, czego elektrony bardzo szybko spadłyby na jądra atomów. Z tego był wniosek, że elektrony w odpowiedniej odległości od jądra powinny utrzymywać jakaś siła.
Problem ten rozwiązał wydawałoby się Rutherford zakładając, że siłą tą będzie siła odśrodkowa, dlatego w jego modelu elektrony miały krążyć wokół jądra. Model był ładny i przypadł do gustu wielu uczonym. Był on wzorowany na układzie słonecznym, w którym zamiast słońca znajdowało się jądro atomu a zamiast planet elektrony. Stąd model ten zyskał nazwę planetarnego modelu atomu. Był on modelem tak sugestywnym, że nie mogą się z nim rozstać dydaktycy do dnia dzisiejszego, utożsamiając go często z modelem atomu Bohra.

Koniec XIX wieku w miarę uporał się z wieloma problemami naukowymi w zakresie fizyki, wydawało się, że podstawowe prawa zarówno mechaniki klasycznej jak i elektrodynamiki pozwolą opisać i wyjaśnić wszystkie zjawiska, jak zwykle bywa w nauce był to optymizm na wyrost. Okazało się, bowiem, że pewne fakty doświadczalne przeczą rozważaniom teoretycznym. Wyliczone widmo promieniowania rozżarzonych przedmiotów było niezgodne z obserwacją, gdyż z obliczeń wynikało, że oglądający rozżarzony przedmiot powinien utracić wzrok od emitowanego promieniowania ultrafioletowego a na dodatek i rentgenowskiego. Problem ten rozwiązał Max Planck. Jednak założenie to było jak na owe czasy tak dziwaczne, że sam autor nie był jego entuzjastą przez najbliższych kilka lat. Według jego założenia energia nie była emitowana w sposób ciągły a jedynie w postaci pewnych porcji zwanych kwantami. Takie stwierdzenie było trudne do zrozumienia, gdyż nie miało ono swojego odpowiednika w świecie makro. We wszystkich obserwowanych zjawiskach w odczuciu odbiorcy energia była emitowana w sposób ciągły. Założenie to stało się jednak w niedalekiej przyszłości podstawą chemii kwantowej.
W kilkanaście lat później Bohr wykorzystując kwantową teorię emisji energii usiłował uprawomocnić model Rutherforda. Jedno z założeń mówiło, że elektrony mogą emitować energię tylko wtedy, gdy "przeskakują" on z jednej orbity na drugą. Przejściu elektronu z orbity wyższej na niższą towarzyszy emisja energii. Natomiast, gdy elektron znajdzie się na najniższej orbicie (najbardziej wewnętrznej) nie może już spaść niżej i tworzy się wtedy stabilny atom. Odwrotnie elektrony pochłaniając energię przechodzą z niższych orbit na wyższe.
Teoria Bohra wyjaśniała istnienie większości linii w widmie wodoru. Wydawało się, że opracowany teoretycznie przez Rutherforda model atomu uzyskał swoje potwierdzenie, dzięki wykorzystaniu "zjawiska" kwantowania energii.

Opracowany model przez Bohra model dawał prawidłowe wyniki w przypadku atomów wodoru oraz helu, jednak w przypadku helu tylko wtedy, gdy został on pozbawiony jednego ze swych dwóch elektronów.
Po powrocie do Kopenhagi Bohr otrzymał list od Rutherforda, w którym ten nalegał, by opublikował swoje wyniki. Bohr odpisał, że nikt mu nie uwierzy, dopóki nie wyjaśni widm wszystkich pierwiastków. Odpowiedź Rutherforda brzmiała: Bohr, wyjaśniasz wodór i wyjaśniasz hel, więc wszyscy uwierzą w resztę. (Tegmark, Wheeler 2001) Wyniki zostały upowszechnione i zgodnie z wolą Rutherforda jeszcze wielu wierzy w to do dzisiaj.
Należy wyjaśnić, że właściwie funkcjonują dwa modele kwantowe. Jednym z nich jest model Bohra, który jednak dotyczy tylko jednego przypadku a mianowicie atomu wodoru, oraz drugi, powstały w oparciu o obliczenia matematyczne Schrödingera.
Model atomu Bohra, pomimo, że opierał się na założeniach kwantowej teorii emisji energii nie uwzględniał wielu innych aspektów. Jego zgodność w przypadku atomu wodoru można przypisać przypadkowi i szczęściu uczonego. Gdyby nie zaczął swych obliczeń od najprostszego atomu od razu spotkałoby go niepowodzenie. Jednak nie zawsze droga zaczynania badań od najprostszego przypadku przynosi pozytywne efekty. Próby otrzymania cząsteczkowych połączeń gazów szlachetnych na przykładzie najprostszego z nich, czyli helu nie powiodły się, co miało swoje konsekwencje w poglądach na ich strukturę a co za tym idzie i reaktywność.
Pomimo sukcesu kwantowego modelu atomu wodoru wyliczonego przez Bohra, posiadał on wiele wad. Jedną z nich była niestosowalność w przypadku wszystkich innych atomów. (Atom helu bez jednego elektronu to jest jon helu.) Natomiast z punktu dydaktycznego posiada on w zasadzie prawie same minusy. Sugeruje on, podobnie jak model Rutherforda, że atom jest płaski. Ale co najważniejsze nie rozwiązuje on problemu łączenia się atomów. Modele rysowane w podręcznikach są modelami statycznymi, jeżeli chcemy je opisać dynamicznie, to dochodzimy do pewnych paradoksów, którymi będzie "gonienie się" elektronów na jednej orbicie. Z fizyki uczniowie wiedzą, że ładunki jednoimienne odpychają się, natomiast w oparciu o ten model, elektrony się przyciągają tworząc pary. Jednak, aby tworzyć pary nie powinny krążyć, bo wtedy pary muszą się rozdzielić.
Należy w tym przypadku brać pod uwagę to, że model Bohra jest prawdziwy tylko dla atomu wodoru, ale i tak nie rozwiązuje nawet problemu łączenia się atomów wodoru w cząsteczkę. Jednak do tego modelu została dorobiona cała teoria dotycząca wiązania się atomów ze sobą. Jej początki sięgają lat 20. XX wieku.
Tegmark M. Wheeler J.A. Stulecie kwantowych zagadek [w:] Świat Nauki nr 4, 2001

Powrót do spisu treści

Powrót do strony głównej