Historia chemii atomowej - film z polskimi napisami

Jak wyobrażasz sobie atom w swojej głowie - tak, tak, a może jeszcze inaczej? Jeżeli wiesz o atomach wystarczająco dużo, by wyobrażać sobie atomy, jak wcześniej pokazane, to wiesz więcej o atomach niż naukowcy wiedzieli 100 lat temu. I o WIELE więcej, niż myśleli, że wiedzą 2500 lat temu. Właśnie wtedy grecki filozof Leucyp (Leukippos) i jego uczeń Demokryt, pierwsi wpadli na to, że materia jest złożona z maleńkich cząsteczek. Nikt nie wie, jak rozbudowali swój pomysł, ale nie uważali, że te cząsteczki były czymś szczególnym - uważali, że jeżeli jakiś obiekt będziemy przecinać pół wystarczająco dużo razy, w pewnym momencie dojdzie się do cząsteczki, której nie można już więcej podzielić. Nazwali te cząsteczki "atomami", czyli "niepodzielnymi". Więc podsumowując, uważali, że żelazo składa się z cząsteczek żelaza, glina z cząsteczek gliny, a ser z cząsteczek sera. I przypisali właściwości każdej substancji poszczególnym atomów. Więc, uważali, że atomy żelaza łączą się ze sobą haczykami, atomy gliny są miękkie i łączą się dzięki zaopatrzonym we wtyczki kule , nadającym im elastyczność, a atomy sera są pyszne i gąbczaste. Może to brzmieć całkiem sensownie, jeżeli nie miało się dostępu do mikroskopów elektronowych, kineskopów, czy pracy wielu wcześniejszych pokoleń naukowców. Teoria atomowa o jakiej uczymy się dzisiaj jest produktem setek, jak nie tysięcy różnych rozwiązań tego zagadnienia. Niektóre modele, tak jak ten Leukipposa, były po prostu domysłami. Z czasem pojawiało się coraz więcej modeli opartych o dokładne eksperymenty. Ale, jak to bywa w przypadku wszystkich nauk, każdy naukowiec opierał się na dorobku poprzedników. Dużo mówiliśmy o ciekawych zagadnieniach chemii ostatnimi czasy i zamierzam kontynuować to, aż przejdziemy do chemii jądrowej i do podstaw chemii organicznej, ale zanim to nastąpi, chciałbym odłożyć to na bok i wytłumaczyć, w jaki sposób ludzie doszli do tego, co obecnie wiemy o atomach i skąd wiemy, że nie wszystko zostało jeszcze wyjaśnione. Crash Course Teraz możecie pomyśleć, że skoro Leukippos i Demokryt wymyślili ogólną zasadę istnienia atomów, na pewno ktoś inny szybko podchwycił tę teorię. I będziecie w błędzie. Następne większe rozszerzenie tej teorii nastąpiło dopiero prawie 2300 lat później. Dopiero co mówiłem, na przykład, o francuskim chemiku Antoine Lavoisierze, który zaproponował prawo zachowania masy, które mówi o tym, że nawet jeżeli materia zmienia kształt lub formę, masa pozostaje taka sama. Powinniście też pamiętać o angielskim nauczycielu Jamesie Daltonie, który ustalił, że pierwiastki istnieją w formie osobnych skupisk materii. Właśnie dzięki nim, oraz innym wielkim umysłom, do końca XIX wieku mieliśmy lepszy wgląd w ogólne zachowanie atomów. Kolejnym logicznym pytaniem było "Dlaczego? Dlaczego właśnie tak się zachowują?" To doprowadziło do dalszych badań nad strukturą atomu. W latach 70. XIX wieku naukowcy zaczęli badać substancje korzystając z lamp gazowanych, najprościej mówiąc wypełnionych gazem baniek z elektrodami na każdym z końców, które emitują światło, kiedy prąd elektryczny przechodzi przez bańkę - na tej zasadzie działają neony. Ponieważ światło było produkowane przez negatywną elektrodę, czyli katodę nazywane było promieniowaniem katodowym i miało ujemny ładunek. Ale, w 1886, niemiecki fizyk Eugen Goldstein odkrył, że lampy emitują promieniowanie również od strony pozytywnej elektrody, po prostu światło biegnie w przeciwnym kierunku, co oznaczało, że w materii również musi występować ładunek dodatni. Goldstein nie dokońca zdawał sobie sprawę z tego, co odkrył - to znaczy, naukowcy nie wymyślili wtedy jeszcze, co jest odpowiedzialne za negatywny ładunek promieniowania. Wtedy, angielski fizyk J.J. Thompson przeniósł badania na lampą gazowaną dalej: poprzez zmierzenie, jak dużo ciepła generuje promieniowanie katodowe, jak bardzo są zakrzywiane w polu magnetycznym był w stanie ustalić masę promieniowania. A masa była około 1000 razy lżejsza od cząsteczki wodoru, najmniejszej wtedy znanej porcji materii. Wywnioskował, że "promieniowanie" katodowe nie było wcale promieniowaniem czy falą, ale w rzeczywistości bardzo lekkimi, bardzo małymi ujemnie naładowanymi cząstkami. Nazwał je korpuskułami, my je dziś nazywamy elektronami. Więc nawet jeśli nie wiedzieliśmy jakie kształty one przyjmują, wiedzieliśmy, że są zarówno pozytywnie, jak i negatywnie naładowane składniki materii. Kolejnym pytaniem było "Jak układają się w atomie?" Thompson wiedział, że cały atom miał ładunek obojętny, więc wyobraził sobie, że negatywnie naładowane elektrony muszą być rozłożone równomiernie w ciągłym ładunku dodatnim. I angielski do szpiku kości Thompson porównał swój model do słynnego angielskiego deseru: puddingu śliwkowego, w którym ładunek dodatni jest ciastem, a elektrony losowo rozłożonymi kawałkami owoców. Nawet dzisiaj model Thompsona nazywa się "modelem puddingu śliwkowego". I podczas gdy ruch pojedynczego elektronu jest losowy, ich całościowe rozłożenie nie jest. Kolejnny wielki krok wykonał nowozelandczyk Ernest Rutherford w 1909. Zaprojektował eksperyment z użyciem wyjątkowo cienkiej folii złota i ekranu powlecznego siarczkiem cynku. Bombardował folię cząstkami alfa, pomimo tego, że wiedział o nich tylko tyle, że są produktem rozpadu promieniotwórczego radu, mają ładunek dodatni i są bardzo, bardzo małe. Oczekiwał, że przelecą prosto przez folię, bez żadnego ugięcia i wiele właśnie tak się zachowało. Ale jak się okazało, niektóre były odbite pod dużymi kątami, czasem nawet prosto do tyłu. Jedynym wyjaśnieniem był fakt, że cały pozytywny ładunek atomu, ładunek, który odpychał cząstki alfa, musiał być skoncentrowany w bardzo małej przestrzeni, którą nazwał jądrem. Ponieważ większość cząstek alfa przeszły przez atomy bez problemu, Rutheford wywnioskował, że atom w większosci składał się z pustej przestrzeni, i miał rację. Rutherford później odkryje, że jeśli zbombardujemy azot cząstkami alfa, wytworzą się jony wodorowe. Wtedy poprawnie przypuścił, że te małe, pozytywnie naładowane jony były same w sobie podstawowymi cząstkami: protonami. Teraz zbliżamy się do rzeczywistości. Ci chemicy mieli całkiem dobre pomysły dotyczące struktury atomu, musieli jeszcze wymyslić, co dokładnie robiły elelktrony. I tu wkracza Niels Bohr. W 1911, tym samym roku, w którym opublikowano wyniki eksperymentu Rutherforda ze złotą folią, Bohr wyjechał do Anglii, by studiować u Rutherforda. I, jako fizyk, był również zainteresowany matematycznymi modelami przedstawionymi przez niemieckich fizyków - Maxa Plancka i Alberta Einsteina - które wyjaśniały zachowanie się energii elektromagnetycznej. Po pewnym czasie, Bohr zauważył, że te zasady matemtyczne można odnieść do modelu atomu według Rutherforda. Jego analiza eksperymentu ze złotą folią i obliczenia oparte na proporcji cząstek alfa, które przeszły prosto przez folię, tych, które były lekko odbite oraz tych, które odbiły się prawie całkowicie do tyłu, pozwoliły mu przewidzieć najbardziej prawdopodobne położenia elektronów w atomie. Rezultat był model, czasem nazywany modelem planetarnym, który do dziś jest najbardziej znanym modelem atomu. Przedstawia elektrony na orbitach dookoła małego jądra w środku. Każda orbita może pomieścić określoną liczbę elektronów, które odpowiadają poziomom energetycznym we współczesnym modelu atomu. I pomimo oczywistych niedoskonałości, model Bohra jest bardzo zbliżony do rzeczywistości w najważniejszych kwestiach. Ale, jak każdy, kogo wspomniałem przez ostatnie parę minut, Bohr zarazem miał całkowitą rację, jak i mylił się. Problemem były te nieznośne elektrony. Dopiero niemiecki fizyk teoretyk, Werner Heisenberg, zwrócił uwagę wszystkich na to, jak dużym i niesłychanym problemem jest elektron. Był również tym, który pomógł elegancko połączyć wszystkie teorie. Używając szelmowskich przekształceń matematycznych, Heisenberg odkrył, że niemożliwym jest poznać dokładny pęd elektronu lub innej subatomowej cząsteczki i jej dokładne położenie w tym samym czasie. I im więcej wiecie o jednej z tych dwóch zmiennych, tym trudniej zmierzyć wartość tej drugiej. Więc, jeżeli nie możecie zmierzyć położenia i pędu elektronu, nie mozecie powiedzieć z całą pewnością, że elektrony w atomie Więc Heisenberg wraz z nową generacją fizyków i chemików zaproponował nową teorię, teorię kwantową, która mówi, że elektrony nie są cząstkami albo falami, zamiast tego mogą przyjmować ich właściwości. Idąc dalej, rozłożenie elektronów naokół jądra może być opisane tylko na zasadach prawdopodobieństwa. Innymi słowy, są pewne regiony, w których prawdopodobieństwo odnalezienia elektronu jest większe. Te rejony nazywamy "orbitalami". Wiecie, te same orbitale, które już omawialiśmy, te które nazywamy "s,d,p i f" i tworzą wiązania sigma i pi, zostały przewidziane już w teori Heisenberga. I w ten sposób wspólcześnie patrzymy na atomy. Ponieważ teoria kwantowa jest oparta na prawdopodobieństwie, przedstawia ona atomy jako chmury punktów. Nie symbolizują one jednak poszczególnych elektronów, tylko prawdopodobieństwo odnalezienia elektronu w danym położeniu. Nie bez powodu model kwantowy nazywany jest czasem modelem chmurowym. I teraz wiesz dlaczego! Wszyscy ludzie, o których wspomniałem, oraz wielu innych połączyli siły na przestrzeni wieków, by stworzyć obecną - i muszę przyznać - bardzo elegancką teorię budowy atomu. Dziś, po 2500 latach, nawet mimo tego, że ich nie widzimy, możemy określić jak wyglądają i jak funkcjonują, ponieważ wiele generacji naukowców dokładało swoje cegiełki, by stworzyć ten obraz materii. Wciąż jednak bardzo ważne jest, by pamiętać, że wciąż możemy wszystkiego nie wiedzieć. Współcześni Thompsonowi byli przekonani, że jego model był prawidłowy, naukowcy w czasach Bohra całkowicie wierzyli w słuszność modelu planetarnego, a dziś my jesteśmy niezwykle pewni, że model kwantowy jest słuszny. Ale on może być nie do końca trafny, i o czym trzeba pamiętać: jedynym sposobem, na uzyskanie całkowitej pewności jest kontynuowanie zadawania pytań i przeprowadzania eksperymentów. I dlatego uczymy się chemii i fizyki. Skup się! Dziękuję za obejrzenie tego odcinka Crash Course Chemistry.