Odkrycie atomów
Koncepcja atomu jest niezwykle stara, bo atom, jako niepodzielna część materii, został zdefiniowany już przez Demokryta w V wieku p.n.e.. Zapoczątkował on ideę filozoficzną zwaną atomizmem, proponując pewien eksperyment myślowy.
Wyobraźmy sobie dużą bryłę, np.: kawałek brązu oraz niezwykle ostry i cienki nóż. W eksperymencie Demokryta używamy noża do przecinania kawałka brązu na pół tak długo, aż w końcu zostaniemy z dwoma cząstkami brązu tak małymi, że nie będziemy już w stanie przekroić ich ponownie na pół. Takie cząstki zostały nazwane atomami, czyli niepodzielnymi cząstkami będącymi budulcem materii.
Obecnie nazywamy demokrytowe atomy cząstkami elementarnymi, ale nie będą one obiektem naszych rozważań. Zajmiemy się za to współczesnymi atomami.
Poważny problem chemików
W XVII i XVIII wieku chemicy natrafili na niezwykle ciekawy problem. Podczas przeprowadzanych eksperymentów pierwiastki chemiczne reagowały ze sobą jedynie w ściśle określonej proporcji ilościowej. Znaczyło to, że jeśli weźmiemy dwie porcje kwasu i jedną porcję pewnej soli, to reakcja zajdzie i wydzieli się pewien produkt. Jeśli jednak zmienimy proporcje, to reakcja może nie zajść.
Problem ten był niewytłumaczalny na gruncie dotychczasowych teorii podstawowych budulców otaczającego nas świata. Dodatkowymi gwoździem do trumny dotychczasowej teorii budulca materii były odkrycie ruchów Browna, będących przypadkowymi ruchami cząsteczek na powierzchni stojącej wody.
W obliczu tych wszystkich wątpliwości oczywistym stało się, że konieczne jest stworzenie zupełnie nowej teorii dotyczącej budowy wszystkiego, co nas otacza. Teorię taką zaproponował John Dalton, postulując istnienie atomów w rozumieniu Demokryta. Choć pierwszy zaproponowany model atomu był niezwykle prosty, to sam pomysł istnienia takich tworów ustawił nasze badania na prawidłowe tory.
Modele atomowe
Dalton zaproponował w roku 1806 atom o nadzwyczaj prostej budowie, nazywany obecnie modelem "ciasta z rodzynkami". Atom miał w nim być kulką stworzoną z dodatnio naładowanej masy, w której, niczym rodzynki w cieście drożdżowym, równomiernie umieszczone są elektrony. Od samego początku wiedziano, że atom musi być obojętny elektrycznie, bo materia w stanie podstawowym nie posiada żadnego ładunku. Sprawę trochę skomplikowało odkrycie elektronu, o którym wiadomo było, że jest elementem atomu.
Choć model "ciastko z rodzynkami" obowiązywał przez niemal 100 lat i pozwolił na niezliczoną ilość prawidłowych wniosków odnośnie konstrukcji materii, to odkrycie istnienia jądra atomowego o dodatnim ładunku pokazało, że model ten nie był prawidłowy.
Model planetarny
Dlatego Ernest Rutherford zaproponował model alternatywny - "model planetarny". Nazwa wyjaśnia tutaj całą ideę modelu, bo jądro atomowe umieszczone jest w środku, niczym Słońce w naszym Układzie Słonecznym, a elektrony okrążają je, niczym planety.
Model ten, po licznych poprawkach używany jest w ogólnej postaci do obecnej chwili. Teraz wiemy już, że atom składa się z dodatnio naładowanego jądra atomowego, zbudowanego z protonów i neutronów (zwanych zbiorczo nukleonami), umieszczonego centralnie, wokół którego krąży ujemnie naładowana chmura elektronowa (elektrony poruszają się tak szybko, że nie możemy ustalić ich dokładnego położenia).
I tutaj dochodzimy do sedna.
Wielka pustka
Atomy są niezwykle małe. Ich promienie przyjmują wartości rzędu 10-10 m. W tradycyjnym zapisie dziesiętnym jest to jedynka na dziesiątym miejscu po przecinku. Za to jądra atomowe mają promienie rzędu 10-14 m, czyli tysiąc razy mniejsze, niż atomy. Pomiędzy tymi dwoma promieniami krążą elektrony, które można traktować jak kulki o promieniach rzędu 10-15 m, a więc jeszcze dziesięciokrotnie mniejszych, niż samo jądro.
Jeśli chcielibyśmy zatem wypełnić przestrzeń między jądrem, a krańcem atomu, musielibyśmy ustawić w rzędzie 10 000 elektronów. Pierwiastkiem o największym znanym nam jądrze jest pierwiastek Liwermor (Lv), odkryty w 2000 roku. Posiada on w swoim jądrze 116 protonów, a więc wokół jego jądra krąży łącznie 116 elektronów.
Prosta matematyka prowadzi nas do dosyć interesujący i, dla niektórych, przerażających wniosków.
Jesteśmy tak naprawdę pustką.
Próżnią, wypełnioną w niewielkiej ilości faktyczną materią. Jeśli przyjmiemy, że jądro atomowe ma promień dokładnie jednego metra, to najbliższy jądru elektron znajdowałby się w odległości prawie 17,5 km. Dla porównania przy Słońcu o promieniu 1 m, Pluton znajdowałby się w odległości około 8,5 km, a Ziemia w odległości 215 m od Słońca.
Co w takim razie znajduje się między jądrem, a elektronami?
Nic. Idealna próżnia, czyli brak jakichkolwiek cząstek. A przynajmniej tak nam się na razie wydaje. Objętość jądra atomowego wraz z objętością wszystkich elektronów stanowi zaledwie 0,00000001% objętości całego jądra atomowego. A i to przy założeniu klasycznego opisu elektronu, który jest błędny w przypadku atomów. Faktycznie elektrony mają promienie mniejsze, niż 10-23 m. Oznacza to, że 99,99999999% objętości każdego atomu stanowi pustka. Tym samym uderzając palcami w klawisze komputera w czasie pisania tego tekstu, uderzam pustką w pustkę, otoczoną skrajnie cienką warstewką cząsteczek.
Pomimo tego otaczająca nas materia potrafi przybrać nadzwyczaj twarde i nieustępliwe postacie. Wszyscy wiemy, że "głową muru nie przebijemy", choć tak naprawdę uderzalibyśmy niczym w nic. Nie ujmując oczywiście inteligencji czytelników. Najtwardszym znanym nam minerałem jest diament, składający się z atomów węgla uporządkowanych w specyficzny sposób. Jednak z tych samych atomów zbudowanych jest delikatny i łamliwy grafit.
Ten wniosek jest jednocześnie niezwykle budujący, jak i niezwykle smutny dla nas, jako ludzkości. Budujący, gdyż oznacza, że do stworzenia nas i wszystkiego wokoło nie jest potrzebne wcale tak dużo materii, a dużo więcej pustki. Smutny, bo oznacza, że cokolwiek byśmy nie zbudowali, cokolwiek byśmy nie osiągnęli, będzie to w 99,99999999% pustka.
Nauka i natura na każdym kroku uczy nas pokory i przypomina, że nie znaczymy tak dużo, jak byśmy chcieli. Mówi nam, że wiele da się jeszcze osiągnąć, dowiedzieć i udoskonalić. I choć nasza wrodzona ciekawość czasami prowadzi do odkryć, które nie do końca podbudowują nasze ego, to zawsze potrafi ona nam odkryć coś, co sprawi, że zatrzymamy się na chwilę i pomyślimy nad złożonością świata czy niesamowitą pustką nas otaczającą.
![Gdynia. Z klifu w Orłowie znów osunęła się ziemia [WIDEO]](https://bi.im-g.pl/im/76/38/1c/z29591670II.jpg)
