Ewolucja poglądów na budowę materii

Wszystko, co nas otacza- książka, krzesło, woda- jest zbudowane z materii. Materia jednak to nie tylko rzeczy, których można dotknąć. To także powietrze, którym oddychamy, planety we Wszechświecie, istoty żywe, np. owady i twory martwe, jak skały- są także zbudowane z materii. Wszelka materia składa się z małych cząstek, zwanych atomami, które są zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek subatomowych. Materia występuje w czterech stanach: stałym, ciekłym, gazowym, oraz jako plazma (nie obserwujemy jej jednak często. Występuje głównie w wysokich temperaturach we wnętrzu Słońca i innych gwiazd). Właściwościami materii są: gęstość, ciężar, masa, objętość, wytrzymałość, plastyczność, sprężystość, kruchość, rozpuszczalność, przewodzenie ciepła, przewodzenie elektryczności, temperatura topnienia w wrzenia.
Wszystko, co możemy zobaczyć, usłyszeć, dotknąć i wyczuć jest zbudowane z mikroskopijnych cząsteczek nazywanych atomami, których miliardy mieszczą się w kropce. Atom zaś tworzą cząstki jeszcze mniejsze (subatomowe). W środku każdego atomu znajduje się jądro zbudowane z protonów i neutronów (nukleonów). Wokół niego krążą cząstki zwane elektronami, tworzące różne powłoki (warstwy). Protony i neutrony są znacznie cięższe niż elektrony, masa atomu jest więc praktycznie równa masie jądra. Większe grupy atomów łącząc się tworzą cząsteczki. Liczba protonów nosi nazwę liczby atomowej. Protony mają dodatni ładunek elektryczny, natomiast neutrony są elektrycznie obojętne. Elektrony, które krążą wokół jądra podobnie jak planety wokół Słońca, mają ładunek ujemny; poruszają się niemal tak szybko jak światło. Atom zawiera zawsze jednakową liczbę elektronów i protonów. Wszystkie atomy danego pierwiastka zawierają jednakową liczbę protonów, mogą jednak różnić się liczbą neutronów. W takim wypadku mamy do czynienia z izotopami. Izotopy promieniotwórcze noszą nazwę radioizotopów.
Atomy są znacznie mniejsze, niż to sobie można wyobrazić. 10 milionów atomów ułożonych obok siebie zmieściłoby się na długości jednego milimetra. Mimo swych znikomo małych rozmiarów atom stanowi głównie pustą przestrzeń, gdyż elektrony znajdują się bardzo daleko od jądra.
W starożytnej Grecji powstały pierwsze, nie poparte doświadczeniami, koncepcje budowy materii, m.in. Empedokles z Akragas (V w. p.n.e.) uważał, że ziemia, powietrze, woda i ogień są podstawowymi elementami (żywiołami), których wzajemne oddziaływanie prowadzi do powstania innych substancji, Leukippos i Demokryt przyjmowali, że materia składa się z niepodzielnych cząstek- atomów. Około 300 r. p.n.e. filozofowie greccy: Platon i Arystoteles twierdzili, że można bez końca dzielić materię na coraz mniejsze części. W 1661r. Robert Boyle opublikował dzieło The Sceptical Chymist, w którym określił on pierwiastki chemiczne jako proste, trwałe substancje nie dające się rozłożyć na składniki. Uznał, że w ten sposób można lepiej wytłumaczyć reakcje chemiczne, niż opierając się na czterech żywiołach. W 1808r. chemik angielski John Dalton sformułował nowoczesną koncepcję pierwiastków i związków chemicznych zbudowanych z atomów i cząsteczek, która mówi o tym, że pierwiastki chemiczne składają się z atomów o określonej masie i rozmiarach. W 1869r. chemik rosyjski Dymitr Mendelejew ogłosił układ okresowy pierwiastków; uszeregował on je według wzrastającej masy atomowej. Joseph Thomson w 1897r. odkrył elektrony, co wskazało, że atomy nie są najmniejszymi cząstkami materii, a w 1906r. ułożył on pierwszy model budowy atomu. Max Karl Planck w 1900r. wprowadził pojęcie kwantu energii. Teoria kwantów mówi, że energia może być pochłaniana lub wysyłana przez ciało materialne nie w sposób ciągły, lecz określonymi małymi porcjami, tzw. Kwantami. Teorię tę rozwinął w 1905r. A. Einstein. W 1911r. Ernest Rutherford stwierdził, że atom składa się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Zbudował drugi model atomu (zwany planetarnym lub słonecznym). W 1913r. N.H.Bohr zaproponował teorię dotyczącą budowy atomu i jego właściwości, w której zastosował teorię kwantów. Według Bohra elektrony krążą wokół jądra atomu, po pewnych ściśle określonych orbitach, nie promieniując przy tym energii elektromagnetycznej. Na każdej z tych orbit elektrony mają ściśle określoną energię. Pod wpływem pewnych czynników zewnętrznych elektron może przeskoczyć na dalszą od jądra orbitę- atom jest wtedy w tzw. Stanie wzbudzonym, który jest stanem nietrwałym. Podczas powrotu elektronu na orbitę pierwotną następuje emisja kwantu promieniowania, o wielkości równej różnicy energii atomu w stanie wzbudzonym i podstawowym. Teoria Bohra pomogła wyjaśnić wiele zjawisk dotyczących widm atomowych, lecz nie wszystkie.
Współcześni chemicy badają przestrzenną budowę cząsteczek, struktury ich powłok elektronowych, rodzaj wiązań chemicznych, mechanizm i szybkość reakcji chemicznych. Badania te umożliwiają opracowywanie nowych technologii, co sprzyja rozwojowi chemii. To dzięki nim możemy dowiadywać się coraz więcej o świecie, jaki nas otacza, o tym z czego jest on zbudowany. W całym wszechświecie- aż do atomów i cząstek elementarnych- ujawnia się zadziwiający porządek i harmonia. Wśród pierwiastków spotykanych na Ziemi istnieje ogromna różnorodność: jedne występują rzadko, inne bardzo często. Niektóre, takie jak złoto, mogą przyciągać wzrok. Inne, na przykład azot i tlen, to niewidoczne dla nas gazy. Utwierdza nas to w przekonaniu, że wszystko jest zbudowane z materii.