První představy o struktuře hmoty, objev atomu Karel Smolek Ústav technické a experimentální fyziky, ČVUT
Nejstarší spekulativní představy o stavbě hmoty • Thales z Milétu (642-548 př. n. l., Řecko) - Všechna hmota se skládá z jediné pralátky, kterou je voda. - Není důležité, že tato představa neodpovídá realitě. Podstatná je vlastní filozofická koncepce, že nesmírná mnohotvárnost našeho světa má jednotnou podstatu. Tato myšlenka tvoří filozofický základ současné fyziky. • Empedokles z Akragantu (490-430 př. n. l., Řecko) - Hmota je vytvořena ze čtyř základních pralátek – země, voda, vzduch, oheň – které se spolu mísí v různých poměrech, a tak vznikají různé látky. Např. dřevo se skládá ze dvou částí vody, pěti částí ohně, dvou částí země a jedné části vzduchu. 2/15
Zrod idey atomů • Aristoteles (384-322 př. n. l., Řecko) - Látka je dělitelná neomezeně. - Hmotu tvoří čtyři základní živly – země, voda, vzduch a oheň, jejichž podstatou je pralátka, která má čtyři vlastnosti – sucho, vlhko, chlad a teplo. Každá látka vzniká míšením těchto čtyř živlů. Tyto představy se ve středověku staly oporou alchymie. • Leukippos (asi 490-420 př. n. l., Řecko) • Demokritos z Abdér (asi 460-370 př. n. l., Řecko) - Dělíme-li kousek látky nejostřejším nožem, jaký si lze představit, dojdeme nakonec k částicím, které již nelze dále dělit. To jsou atomy. - Vše existující se skládá z drobounkých neměnných částic – atomů (řecky atomos = nedělitelný) – všechny jevy a změny, probíhající ve světě, připisoval jejich pohybu. Různé vlastnosti látek jsou určeny různým tvarem a velikostí atomů. 3/15
Idea atomů v Indii Idea existence atomů se však o 100 let dříve objevila v Indii: • Kanáda (6. století př. n. l., Indie) - Zakladatel školy Vaisheshika. - Všechny objekty v našem fyzickém světě jsou složeny z konečného počtu nedělitelných částeček – atomů. Chování všech atomů je řízeno vůlí Boha. - K myšlence atomů dospěl čistě logickou úvahou: pokud je svět složen ze spojité látky, kterou lze dělit donekonečna, lze např. jeden kámen rozdělit na nekonečně mnoho dílků. Pohoří Himaláj je také složeno z nekonečně mnoha dílků, tedy z rozděleného kamene lze sestavit Himaláj. To je samozřejmě nesmysl, proto je chybný počáteční předpoklad, že hmota má spojitou povahu. - Pozdější následovníci se pokoušeli vytvořit teorii, která by vysvětlila různé vlastnosti hmoty vzájemnou interakcí různých druhů atomů. - Podle školy Vaisheshika se atomy shlukují do skupin – do dvojic či do trojic (podobnost s moderním kvarkovým modelem!). Teorii o existenci atomů do Evropy možná přivezl Pythagoras (560-480 př.n.l.), který během svého života navštívil Indii.
4/15
První atomistické představy v nauce o tepelných jevech • Robert Boyle (1627-1691, Anglie) - Zakladatel novodobé chemie, odlišil chemii od alchymie (Pochybovačný chemik - 1661). - Definoval základní chemické pojmy (prvek, sloučenina, směs). - První pokusy interpretovat teplo jako vnitřní pohyb. • Isac Newton (1642-1727, Anglie) - První pokusy interpretovat teplo jako vnitřní pohyb. "…zdá se mi pravděpodobným, že na počátku bůh vytvořil hmotu jako pevné, masivní, tvrdé a neproniknutelné částice, takových velikostí a tvarů a s takovými dalšími vlastnostmi, a v takovém poměru k prostoru, že nejlépe vedly k cíli, pro nějž byly vytvořeny, a že tyto základní částice byly pevné a neporovnatelně tvrdší než jakékoli pórovité těleso z nich složené, dokonce tak tvrdé, že se nikdy neotírají nebo nerozbijí na kousky, protože žádná obvyklá síla není schopna rozdělit to, co bůh učinil při prvním stvoření. Pokud částice zůstávají celé, mohou složením vytvářet tělesa stejné podstaty a jakosti po všechny věky. Kdyby se otíraly nebo rozbíjely na části, jejich podstata, která je na nich závislá, by se měnila. Voda a země tvořená starými opotřebovanými částicemi a zlomky částic by nyní nebyla stejné podstaty a kvality jako voda a země složená celými částicemi na počátku." (Query 31)
5/15
Atomistické představy v nauce o tepelných jevech • Daniel Bernoulli (1700-1782, Švýcarsko) - Plyn je složen z částic, které se neobyčejně rychle pohybují v různých směrech. V jeho modelu se všechny částice plynu pohybují stejně rychle. - Z tohoto modelu odvodil nejrůznější vlastnosti plynů, např. zákon Boylův-Mariottův (pro zadané množství plynu a neměnnou teplotu je součin tlaku a objemu konstantní), stanovil vztah mezi rychlostí pohybu částic a zahřátím plynu a vysvětlil tak zvyšování jeho pružnosti při zahřívání.
Tlak se zvětší zvětšením počtu částic a zvětšením frekvence srážek částic s pístem.
• Michail Lomonosov (1711-1765, Rusko) - Vybudoval důsledný mikroskopický popis tepelných jevů založený na částicové hypotéze, vyslovil zákon zachování hmotnosti v chemických procesech.
6/15
Atomistické představy v nauce o tepelných jevech • Rudolf Clausius (1822-1888, Německo) - V r. 1857 vydal článek “O povaze pohybu, který nazýváme teplem”, v němž předkládá základní představy kinetické teorie plynů. Předpokládá, že plyn sestává z molekul, pohybujících se přímočaře s konstantní rychlostí, která se mění při srážkách s jinými molekulami nebo nepropustnou stěnou. Tlak plynu vysvětluje nárazy molekul na stěny nádoby a vyjadřuje jej matematicky.
• James Clerk Maxwell (1831-1879, Anglie) - Dále rozpracoval kinetickou teorii plynů, vypočítal rozdělení rychlostí molekul plynu.
7/15
Atomistické představy v nauce o tepelných jevech • Ludwig Boltzmann (1844-1906, Rakouko) - Završil kinetickou teorii plynů, zobecnil Maxwellovo rozdělení rychlostí molekul na případ, kdy se plyn nachází ve vnějším silovém poli.
8/15
První atomistické představy v nauce o krystalech • Johannes Kepler (1571-1630, Německo) - S využitím částicové hypotézy o stavbě hmoty vysvětlil šestiúhelníkový tvar sněhových vloček.
• Robert Hooke (1635-1703, Anglie) - Na základě skutečnosti, že krystaly téže látky vykazují bez ohledu na svoji velikost tutéž symetrii, vyslovil domněnku, že jsou pravidelným vrstevnatým uspořádáním drobných částic. 9/15
Atomistické představy v nauce o krystalech • René Just Haüy (1743-1822) - Zakladatel vědecké krystalografie. - Krystaly lze snadno štípat podle určitých význačných směrů, postupné štípání na menší a menší části by mělo nakonec přivést k nejmenšímu stavebnímu bloku. Těsným naskládáním takových bloků vedle sebe vysvětloval vznik krystalů a jejich geometrické vlastnosti.
10/15
První atomistické představy v chemii • John Dalton (1766-1844, Anglie) - V roce 1803 publikoval kvantitativní teorii chemických reakcí spočívající na postulátu o existenci atomů – nezničitelných a nestvořitelných - které jsou v chemických reakcích určitým způsobem spojovány či naopak rozkládány. Jeho teorie však neobsahuje představu molekul. - Atomy daného prvku jsou stejné, atomy různých prvků různé. - Z těchto představ se dal např. odvodit zákon zachování hmoty a zákon stálých poměrů slučovacích. • Amedeo Avogadro (1776-1856, Itálie) - Zavedl pojem “molekula” (1811). - Stejné objemy plynů obsahují za stejných podmínek stejné množství molekul. - Vypracoval metodu určování atomových a molekulových hmotností, psaní chemických vzorců sloučenin. 11/15
Důkaz atomové teorie stavby hmoty • Veškeré dosud uvedené poznatky však nejsou přesvědčivým argumentem ve prospěch atomistické koncepce. Na dosud provedených pozorováních by se nic nezměnilo, pokud bychom ve svých úvahách snížili hmotnost každé částice na polovinu a jejich počet zdvojnásobili. Dokonce by bylo možné pokračovat tímto směrem neomezeně až k limitě nekonečného počtu nekonečně malých částic, což není nic jiného, než konkurenční představa o spojité struktuře hmoty. • Atomistická teorie stavby hmoty byla ještě na počátku 20. století všeobecně spíše odmítána. To přispělo i k sebevraždě Ludwiga Boltzmanna v roce 1906. V předmluvě ke druhému dílu svých Přednášek o molekulární teorii plynu reaguje na ostrou kritiku své práce využívající atomické teorie struktury hmoty:
"... Jsem přesvědčen, že tyto výpady pramení z nepochopení a že význam kinetické teorie dosud není doceněn. Podle mého názoru bude pro vědu velikou ztrátou, jestli se jejím současným oponentům podaří dosáhnout toho, aby upadla v zapomenutí, podobně jako se to - díky Newtonově autoritě - dočasně stalo s vlnovou teorií světla. Plně si uvědomuji bezmoc jednotlivce hájícího svůj názor proti mínění většiny. Aby však lidstvo, až se jednou ke kinetické teorii vrátí, nemuselo znovu objevovat už známé věci, budu se snažit vyložit její nejobtížnější a nejméně pochopitelné partie co nejsrozumitelněji." 12/15
Důkaz atomové teorie stavby hmoty • Robert Brown (1773-1858, Skotsko) - V roce 1827 objevil tzv. Brownův pohyb – neustálý chaotický pohyb malých částeček (o průměru řádově 10-6-10-7 m, např. pylu) v kapalině. • Brownův pohyb ve své době nevzbudil velkou pozornost, předpokládalo se, že je obdobou vířivého pohybu prachových částic ve vzduchu, který je způsoben drobnými pohyby vzduchu vyvolanými nevelkými rozdíly teploty a tlaku. • Dnes víme, že tento pohyb je způsoben náhodnými nárazy molekul kapaliny na malou částečku. Pokud je částečka dostatečně malá, může být rozdíl nárazů molekul z různých stran velký dost na to, aby uvedly částečku do pohybu. 13/15
Důkaz atomové teorie stavby hmoty • Jean Baptiste Perrin (1870-1942, Francie) - V roce 1908 provedl experiment, ve kterém změřil některé parametry Brownova pohybu. Výsledky byly v souladu s teoretickou analýzou tohoto jev provedenou krátce předtím a Marianem Smoluchowským (1904) Albertem Einsteinem (1905). - Z výsledků měření spočetl velikost Avogadrovy konstanty (7.05·1023), hmotnosti molekul různých látek (10-26-10-27 kg) a průměr molekul (10-10 m). - Podle jeho výsledků není existence Brownova pohybu slučitelná s představou o spojité stavbě hmoty. Atomová teorie stavby hmoty byla po uveřejnění jeho výsledků všeobecně přijata. - V roce 1926 byla Perrinovi udělena Nobelova cena za fyziku. Marian Smoluchowský Albert Einstein
14/15
• Po smíchání kapaliny a drobných tuhých částeček látky budou mít částečky vlivem tíže tendenci klesat ke dnu. • Vlivem nárazů molekul kapaliny a tuhých částeček se však částečky neusadí u dna, ale budou se rozptylovat v celém objemu dutiny. • Nakonec se v prohlubni vytvoří rovnovážný stav, kdy koncentrace částeček bude vzrůstat s hloubkou. • Ze závislosti koncentrace částeček (se známou velikostí) na hloubce je možno jednoznačně spočítat velikost atomů kapaliny. • K měření závislosti koncentrace částeček na hloubce Perrin použil speciálně vyvinutý mikroskop s velkým zvětšením a malou hloubkou ostrosti – zaostřil vždy na jednu konkrétní hloubku a spočítal částečky na dané plošce.
objektiv mikroskopu
Princip Perrinova experimentu
krycí sklo kapalina sklo s prohlubní stolek mikroskopu
15/15
