Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Akcia .týždňa: Presvedč jedného nevoliča

Atómy

.časopis .veda

Sto rokov sa chemici nevedeli dohodnúť, či sa hmota skladá z nedeliteľných atómov, alebo nie. Spor sa skončil až vtedy, keď fyzici zistili nielen to, že nedeliteľné atómy chemikov naozaj existujú, ale aj to, z čoho sa presne skladajú.

Mendelejevova tabuľka patrila k majstrovským dielam prírodovedy už v 19. storočí, keď to bola ešte len tabuľka chemických prvkov. Svoj skutočný potenciál však odhalila až v 20. storočí, keď sa z nej stala tabuľka atómov.
Lenže kým sa ňou mohla stať, bolo najprv treba dokázať, že atómy naozaj existujú. A to bol poriadne tvrdý oriešok. Pre chemikov dokonca taký tvrdý, že sa im ho nijako nedarilo rozlúsknuť. Ich metódy jednoducho neumožňovali s definitívnou platnosťou rozhodnúť, či sú atómy reálnym základom tohto sveta, alebo len užitočnou fikciou. Ale našťastie tu boli ešte aj fyzici. A tí mali svoje metódy.

.perrin
Skúmanie maličkých vecí si väčšina z nás predstavuje takto: človek v bielom plášti sa hrbí nad mikroskopom a pozoruje, čo sa to tam dolu deje. Málokto by však očakával, že sa takto budú dať objaviť aj atómy (ktoré sa pod mikroskopom vidieť nedajú). A predsa len boli atómy objavené presne takýmto spôsobom.
Človek, ktorý v roku 1908 definitívne potvrdil existenciu atómov, bol francúzsky experimentálny fyzik Jean Perrin. Pod mikroskopom pritom neskúmal priamo atómy, ale ich nepriamy prejav, ktorý tri roky predtým predpovedal nemecký teoretický fyzik Albert Einstein. Predpoveď sa týkala chaotického pohybu malých objektov – napríklad peľových zrniečok – ponorených vo vode.
Tento pohyb mal byť dôsledkom nárazov atómov alebo molekúl do zrniečok a Einstein vypočítal, akú vzdialenosť by mali zrniečka prekonať za určitý čas. Vyšlo mu, že táto vzdialenosť by mala byť úmerná druhej odmocnine z tohto času. Perrin teoretickú predpoveď experimentálne potvrdil a zhrabol za to Nobelovu cenu.
A bola to veru zaslúžená Nobelova cena. Perrin nielenže ukázal, že vzdialenosť je v tomto prípade naozaj úmerná odmocnine z času, on navyše veľmi presne zmeral aj príslušnú konštantu úmernosti. A zmeral ju pre istotu niekoľkými rôznymi spôsobmi, aby o jej hodnote neboli nijaké pochybnosti. (Len aby sme si urobili predstavu o precíznosti jeho meraní: Pri pokusoch nepoužíval peľové zrniečka, ale drobnejšie zrnká, získané zo živíc tropických stromov. Aby mali všetky zrnká rovnakú veľkosť, separoval ich pomocou odstrediviek, čo mu trvalo niekoľko mesiacov a pôvodný kilogram zrniek to zredukovalo na necelú desatinu gramu. A to boli len základné prípravné práce.)
Prečo potreboval Perrin tak presne vedieť konštantu úmernosti v nejakom Einsteinovom vzťahu? Nuž preto, lebo táto konštanta v sebe obsahovala inú konštantu a jej hodnota zaujímala fyzikov a chemikov už dobrých sto rokov. Tá zaujímavá sa volala Avogadrova konštanta a predstavovala akýsi most medzi svetom atómov a svetom bežnej skúsenosti. Pomocou tejto konštanty sa dalo vyjadriť veľa dôležitých vecí, medzi inými aj hmotnosť atómov. Vďaka Perrinovi sme sa tak prvý raz spoľahlivo dozvedeli, koľko vážia atómy.
Ale to nebolo ani zďaleka všetko, čo Perrin pre chemikov urobil. Už trinásť rokov predtým sa podieľal na objave, ktorý bol pre chémiu možno ešte dôležitejší ako definitívne potvrdenie existencie atómov. Išlo o objav elektrónu.

.thomson
Chemické pokusy si väčšina z nás predstavuje takto: človek v bielom plášti niečo naleje do skúmavky alebo inej sklenenej nádoby, potom tam niečo pridá a pozoruje, čo mu z toho vznikne. Málokto by asi očakával, že jeden z najdôležitejších experimentov v dejinách chémie bude z tohto hľadiska takpovediac naruby. V tomto experimente sa do sklenenej nádoby nič nepridávalo – ono sa z nej, naopak, čo najviac odoberalo.
Elektrické výboje v plynoch zaujímali ľudí už pred viac ako dvesto rokmi. Skúmali ich tak, že plyn uzavreli do sklenenej nádoby, do ktorej potom priviedli dvoma drôtikmi elektrinu a sledovali, čo sa bude diať. Zistili veľa zaujímavých vecí, ale úplne najzaujímavejšie bolo asi to, že elektrický prúd tiekol trubicou aj vtedy, keď z nej takmer všetok plyn vycucali.
Kto viedol elektrický prúd, keď už v trubici skoro vôbec nič nebolo? Fyzici dospeli k záveru, že od jedného drôtika k druhému sa vákuom šíri niečo, čo veľmi úzko súvisí s elektrinou, aj keď to nemusela byť elektrina samotná. Toto niečo nazvali katódovými lúčmi, ale tým si príliš nepomohli, pretože aj tak nikto nevedel, akej povahy sú tieto lúče. Významná časť fyzikov si myslela, že sa podobajú svetelným lúčom a že elektrický prúd vyvolávajú nejakým dovtedy neznámym mechanizmom. Iná časť fyzikov si myslela, že v skutočnosti nejde o lúče, ale o prúd nejakých dovtedy neznámych elektricky nabitých častíc.
Zásadný krok k rozhodnutiu sporu medzi týmito dvoma tábormi urobil v roku 1895 práve Jean Perrin, keď experimentálne dokázal, že samotné katódové lúče prenášajú elektrický náboj. To dosť vážne protirečilo predstave „svetelných“ lúčov, a naopak, veľmi nahrávalo predstave prúdu nabitých častíc. O dva roky neskôr naviazal na Perrinove experimenty anglický fyzik J. J. (džejdžej) Thomson, ktorý zistil o týchto časticiach prekvapujúce detaily a zhrabol za to Nobelovu cenu.
A veruže aj toto bola zaslúžená Nobelova cena. Thomson nielenže úplne presvedčivo dokázal, že elektrický náboj prenášajú malilinké častice (nazýval ich korpuskulami, čoskoro sa však pre ne ujal názov elektróny), on navyše veľmi presne odmeral pomer medzi ich nábojom a hmotnosťou (samotný náboj ani samotnú hmotnosť odmerať nedokázal).
Načo potreboval Thomson poznať tento pomer? Nuž na to, aby mohol zistiť, či má každá látka svoje vlastné elektróny, alebo či sú tieto častice univerzálne, t. j. rovnaké pre všetky látky. Ukázalo sa, že pomer náboja a hmotnosti nezávisí od materiálu elektródy, ktorá častice vysielala (Thomson vyskúšal už v prvej várke experimentov hliník, zinok, železo, zlato a platinu). To ale znamenalo, že v rôznych látkach sa zrejme nachádzajú rovnaké elektróny, čo bolo vskutku pozoruhodné.
V akom vzťahu boli tieto novoobjavené častice s vtedy ešte stále len hypotetickými atómami? Skladali sa elektróny z atómov alebo atómy z elektrónov? Odpoveď na túto otázku sa ukázala z hľadiska chémie extrémne dôležitá. Nebolo ju však možné nájsť ešte bez jedného, celkom nečakaného objavu. Išlo o objav atómového jadra.

.rutherford
Získanie najvyššej vedeckej pocty si väčšina z nás predstavuje takto: človek v bielom plášti urobí svoj životný objav a po nejakom čase je zaň odmenený Nobelovou cenou. Málokto by očakával, že Nobelova cena sa dá získať ešte predtým, než človek dospeje k svojmu najväčšiemu objavu. V prípade objavu atómového jadra to však naozaj prebehlo v tomto poradí.
Novozélandský fyzik Ernest Rutheford získal Nobelovu cenu za chémiu v roku 1908 (ocenený bol jeho výskum v oblasti rádioaktivity), atómové jadro objavil (spolu so spolupracovníkmi Geigerom a Mardsenom) v roku 1909. Experiment vyzeral na prvý pohľad naozaj bizarne – spomínaní páni ostreľovali tenučkú zlatú fóliu alfa-časticami (dnes vieme, že alfa-častice sú vlastne jadrá atómov hélia, ale oni to, samozrejme, nevedeli, pretože atómové jadrá ešte len išli objaviť). Ich cieľom bolo preskúmať rozptyl týchto častíc na jednotlivých atómoch (tenulinkú zlatú fóliu používali práve preto, aby nemali priveľa atómov za sebou) a prostredníctvom tohto rozptylu sa dozvedieť niečo o atómoch samotných. To, čo sa dozvedeli, bolo šokujúce.
Drvivá väčšina hmotnosti atómu bola podľa ich zistení sústredená vo veľmi malom objeme, zvyšok objemu atómu bol takmer prázdny. Jediná známa vec, ktorá sa mohla vyskytovať v tomto zvyšnom objeme, boli elektróny. Rutheford tak dospel k pozoruhodnej predstave atómov, ktoré boli z hľadiska hmotnosti tvorené takmer výlučne svojimi jadrami, ale z hľadiska objemu takmer výlučne svojimi elektrónmi.
A ako to súvisí s Mendelejevovou tabuľkou? Nuž v tejto tabuľke sú prvky (respektíve teraz už atómy) usporiadané podľa atómovej váhy či hmotnosti, ktorá je vlastnosťou ich jadier. V tomto usporiadaní sa pravidelne opakujú chemické vlastnosti, ktoré sa, naopak, zdali vlastnosťami elektrónov (chemická väzba totiž zrejme vzniká tam, kde sa atómy „dotýkajú", nuž a „dotýkať" sa podľa Rutherforda mohli len elektrónmi). Dve základné charakteristiky Mendelejovovej tabuľky –atómová hmotnosť a chemické vlastnosti – sa teda ukazovali ako vlastnosti úplne iných častí atómov. A to veru bolo pozoruhodné zistenie.
Odrazu bolo jasné, že Mendelejevova tabuľka nám hovorí niečo veľmi zaujímavé nielen o vzájomných vzťahoch chemických prvkov, ale aj o štruktúre príslušných atómov. Niečo, o čom sme pred objavom elektrónov a atómových jadier nemohli ani len tušiť. A čo nám to teda tá tabuľka o atómoch hovorí? Nuž, dnes už na túto otázku odpovedať nestihneme, ale nabudúce sa k tomu celkom určite vrátime.

Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia | Zobraziť
.posledné
.neprehliadnite