Poglądy na budowę atomów na przestrzeni wieków

Atom w pojęciu filozofii starożytnej to najdrobniejsza, nie dająca się podzielić i z natury swej niezmienna część materii. Przekonanie, że twory takie istnieją, wiązało się zwykle z atomistyczną budową materii stworzoną przez Demokryta; cała rzeczywistość sprowadza się do atomów i ich ruchów: „Istnieją atomy i próżnia, wszystko inne jest mniemaniem” Demokryt. Ten pierwszy zwarty system materialistyczny wykształcił się w starożytnej Grecji. Głównymi jego przedstawicielami byli: Demokryt, Epikur i Lukrecjusz (w czasach rzymskich).

Koncepcja atomu odegrała ogromną rolę w rozwoju nauk przyrodniczych. Złożyły się tu między innymi zalety metodyczne tej koncepcji. Dzięki niej zarysowała się możliwość sprowadzenia złożonych właściwości do nielicznych własności elementarnych składników i do ich ruchu. Z pojęciem atomu konkurowało później pod tym względem pojęcie punktu materialnego rozumianego, jako mały obszar materii. Była to koncepcja bardzo giętka, ale raczej tylko formalna. Od pojęcia atomu, jako cząsteczki niepodzielnej i niezmiennej należy odróżnić to, co współczesna fizyka rozumie przez „atom”. Fizycy zachowali bowiem nazwę „atom” dla tworów, które wbrew dawniejszym przypuszczeniom okazały się złożone i tylko względnie trwałe. Pierwotnie jednak w fizyce oznaczał on cząstkę niepodzielną.

Próby wprowadzenia założeń atomistycznych do chemii dały trwałe rezultaty na początku XIX wieku. Miarodajne jednak w tym związku fakty są następujące. Łączenie się pierwiastków zachodzi według określonych praw ilościowych ( np. węgiel łącząc się z tlenem, może dać tlenek lub dwutlenek węgla). W pierwszym przypadku 3 części wagowe węgla łączą się z 4 częściami wagowymi tlenu. W drugim zaś na 3 części wagowe węgla przypada 8 części tlenu ( 2 razy więcej niż poprzednio). Podobnie jest w innych przypadkach. Części wagowe, w jakich łączy się 1 określony pierwiastek, z określoną ilością drugiego, dając kilka związków, mają się do siebie jak niewielkie liczby całkowite. Tą nieciągłość zjawisk chemicznych atomistyka tłumaczy w sposób naturalny. Dalton założył, że atomy tego samego pierwiastka mają te same własności i taką samą masę, natomiast własności i masy różnych pierwiastków są różne. Łączenie się pierwiastków to (z punktu widzenia atomistyki) łączenie się atomów. Tlenek węgla powstaje z połączenia 1 atomu węgla z 1 atomem tlenu; w dwutlenku węgla na 1 atom węgla przypadają 2 atomy tlenu.

Na podstawie poznanych faktów uzupełniono teorię atomistyczną dodatkowym założeniem, iż liczne gazy (wodór, tlen, azot, amoniak) w stanie swobodnym składają się z cząsteczek (molekuł) powstających przez połączenie dwóch lub kilku atomów. Stosunkowo nieliczne gazy, takie jak np. hel, mają cząsteczki jednoatomowe. Ważną rolę w rozwoju tej teorii odegrała hipoteza wypowiedziana przez włoskiego fizyka Amadeo Avogadra w 1811 roku: różne gazy zawierają w tej samej objętości, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem jednakową liczbę cząsteczek. Z założeń Daltona i Avogadra wyrosła też symbolika, którą chemicy stosują do oznaczania związków chemicznych (CO-tlenek węgla etc.).

W połowie XIX wieku powstał po wieku próbach wcześniejszych (P.Gassendi, D.Bernoulli, M. Łomonosow) nowy dział fizyki atomistycznej: teoria kinetyczna gazów. Poglądowy obraz, będący jej podstawą, niewiele odbiegał od wyobrażeń atomistów starożytnych. Gazy wyobrażano sobie, jako układ cząsteczek (lub atomów) będących w ruchu. Cząstki te traktowano, jak kulki podlegające prawom zderzeń sprężystych. Zakładamy (przynajmniej na początku teorii kinetycznej), że siły występują tylko podczas zderzeń cząstek, między zderzeniami ich ruch miał być prostoliniowy i jednostajny. Jej przedstawiciele (R.Clausius, J. Maxwell) zdołali powiązać ten obraz świata molekularnego w sposób ilościowy z wielkościami, które można zmierzyć. Najłatwiej jest wytłumaczyć to na przykładzie ciśnienia. Teoria kinetyczna tłumaczy ciśnienie, jako skutek bombardowania ścian przez cząsteczki. Im mniejsza objętość przypadająca na daną liczbę cząsteczek, tym częstsze są uderzenia: ciśnienie wzrośnie, jeśli sprężymy gaz (prawo Boyle’a). Można to ująć w sposób ilościowy. Prosty rachunek prowadzi do wniosku, że ciśnienie jest proporcjonalne do masy cząsteczki i do liczby cząsteczek w jednostce objętościowej – do gęstości, a poza tym do kwadratu ich prędkości. Gęstość i ciśnienie to wielkości, które można zmierzyć. Ten związek umożliwia wyznaczenie prędkości cząsteczek. W podobny sposób można było znaleźć inne wielkości. Były to wyniki (zwłaszcza jeśli chodzi o prędkość) oszałamiające.

Słaba stroną teorii kinetycznej był fakt, iż prowadziła ona na ogól do zależności, które już wcześniej znano; teoria ta nie mogła powołać się na potwierdzone przez doświadczenie wyniki, których systematyczne ujęcie wymagające koniecznie metod i założeń tylko jej właściwych. Można więc wtedy było obejść się bez teorii kinetycznej i w ogóle bez atomistyki. W chemii było podobnie: faktami były tylko stosunki wagowe i objętościowe; ich atomistyczna interpretacja była tylko hipotezą wygodną i nieprzekonywującą. Ostrożniejszych naukowców musiało też zrażać to, że atomistyka wprowadziła wielkości nie podlegające bezpośrednim pomiarom.

Pod koniec XIX wieku argumenty te wydawały się tak ważnie, że w niektórych bardzo wpływowych kołach przyrodników „atomistyka” uchodziła za wyraz nienaukowy. Dopiero pierwsze lata XX wieku przechyliły szalę na rzecz atomistyki. Wiązało się to głównie z pewnymi wnioskami teorii kinetycznej, w myśl których musiałyby zachodzić procesy sprzeczne z przewidywaniami fizyki nieatomistycznej, z ujęciem „fenomenologicznym”, czyli dokładnym. Wnioski te dotyczyły tak zwanej fluktuacji. Można ją wytłumaczyć używając następującego przykładu. W myśl teorii kinetycznej gęstość gazy nie może być wielkością stałą; cząsteczki są obdarzone ruchem, przechodzą z 1 obszaru do 2 i w danym elemencie objętościowym będzie to mniej,. To więcej cząsteczek. Gęstość gazu powinna więc ulec wahaniom, fluktuacjom. Wynik ten, tak naturalny z punktu widzenia teorii kinetycznej, był jednak sprzeczny z wnioskami nieatomistycznymi.

Pierwsze lata XX wieku rozstrzygnęły tą kwestię na korzyść atomistyki: okazało się, że fluktuacje zachodzą i przebiegają zgodnie z przewidywaniami teorii kinetycznej. Ważną rolę w tych badaniach, które zawdzięczamy przede wszystkim Marianowi Smoluchowskiemu, odebrały ruchy Browna. Są to nieregularne i nieustające ruchy drobnych lecz pod mikroskopem dobrze widzialnych ciałek pływających w cieczach (lub w gazach); zjawisko to jest skutkiem fluktuacji uderzeń, jakim ulega takie ciałko ze strony cząsteczek cieczy.

Już nieco wcześniej nastąpiły odkrycia, które miały w bardzo charakterystyczny sposób zmienić poglądy fizyków na strukturę materii, a przede wszystkim odkrycie elektronu. Około 1900 roku nie mogło już ulegać wątpliwości, że istnieje ciałko o masie około 2000 mniejszej od masy atomu wodoru. Był to wynik rewelacyjny, z punktu widzenia atomistyki. Udoskonalone i bardziej bezpośrednie pomiary wykonane na początku XX wieku potwierdziły ten wynik. Potwierdziły też wniosek wprowadzony już dawniej na podstawie doświadczeń z elektrolizą pewnego ładunku zwanego elementarnym, którym właśnie obdarzony jest elektron. Drugim ważnym wydarzeniem było odkrycie pierwiastków promieniotwórczych (Pierre Currie i Maria Skłodowska-Currie, 1889 rok). W wyniku tych odkryć okazało się szybko, że to, co w chemii i w teorii kinetycznej gazów nazwano atomem, jest w istocie tworem bardzo złożonym i tylko względnie trwałym.

Dla krytycznych badaczy nie była to niespodzianka. Dymitr Mendelejew już dawniej mówił o mechanice wewnętrznej atomów. Badając tą mechanikę, fizycy nie porzucili myśli poświęconej dawnej atomistyce: tłumaczenia rozlicznych własności danego tworu przez ruch i własności składników prostych. Nazwa „atom” została zachowana, choć byłaby właściwsza dla jej składników.

Pewne nowe punkty widzenia wniosła mechanika kwantowa. Zasadniczy program atomistów, czyli redukcja różnorodności zjawisk do atomów, zakładał iż atomy są (przynajmniej pod pewnym względem) prostsze od postrzeganego świata. Wówczas właśnie redukcja taka miałaby znaczenie istotne. Dawniejsi myśliciele nawiązywali tu do podziały na tak zwane władności pierwotne (ruch, rozciągłość) i wtórne (smak, barwa itp.). Atomom przypisywano własności pierwotne, takie jak u ciał postrzegalnych. Pod tym względem wyobrażano sobie atomy, jako wierną miniaturyzację ciał makroskopowych, z 1 tylko różnicą: ciałka te miały być niepodzielne. Niepodzielność ta jednak nie wiązała się ze strukturą, jaką im poza tym przypisywano, i musiała budzić zastrzeżenie: ciałka makroskopowe są podzielne. Inaczej zagadnienie to wygląda z punktu widzenia teorii kwantowej. Cząstki elementarne nie są miniaturowym powtórzeniem ciał makroskopowych, uzupełnionym jakąś 1 dodatkową cechą. Ich własności są różne pod wieloma względami od tych, które stwierdzamy u ciał makroskopowych.

Rozmiary atomów określiła teoria kinetyczna jeszcze w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, podobnie jak ich liczbę w danym cielę oraz ich masę.