Andrzej Łukasik: Krótka historia atomu. Dialog 3. Atomizm Johna Daltona

Filozof nauki Thomas Kuhn uznaje atomizm Daltona za najlepszy przykład rewolucji naukowej w chemii, wydarzenie, które doprowadziło do zupełnie nowego sposobu uprawiania tej dyscypliny.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2023 nr 6 (54), s. 36–37. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, mówiliśmy poprzednio, że za twórcę naukowej atomistyki uważa się angielskiego fizyka, chemika i meteorologa Johna Daltona. Na czym polega doniosłość jego dzieła?

Jaś: Jak pamiętasz, wspominaliśmy, że dotychczas istnienie i własności atomów były wyłącznie przedmiotem filozoficznych spekulacji. U Daltona atom staje się po raz pierwszy w dziejach kategorią naukową – chemiczną. Mówiąc prosto, Dalton określił empirycznie ciężary atomowe.

Małgosia: Jak on tego dokonał?

Jaś: Chemicy XVIII w. rozważali m.in. zagadnienie, czy różne substancje podczas reakcji chemicznych mogą łączyć się w dowolnych stosunkach na przykład w zależności od warunków, w jakich powstaje dany związek chemiczny.

Małgosia: Czytałam, że Joseph Louis Proust odkrył, że składniki związków chemicznych występują zawsze w stałych proporcjach, całkowicie niezależnie od tego, w jakich warunkach przebiega reakcja. Nazywamy to prawem stosunków stałych albo prawem Prousta.

Jaś: Dalton w 1805 r. odkrył prawo stosunków wielokrotnych. Zgodnie z nim, jeżeli dwa pierwiastki tworzą różne związki chemiczne, to pierwiastki łączą się ze sobą w różnych stosunkach wagowych, które wyrażają się niewielkim liczbami całkowitymi.

Małgosia: Jasiu, może przydałby się jakiś przykład.

Jaś: Wiesz zapewne, że tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla (CO2) mają bardzo różne własności.

Małgosia: Oczywiście – tlenek węgla to jest trujący gaz, dwutlenek węgla możemy natomiast znaleźć w gazowanej wodzie mineralnej.

Jaś: Dalton stwierdził doświadczalnie, że w tlenku węgla jest 42,9 części wagowych węgla i 57,1 części wagowych tlenu, natomiast w dwutlenku węgla jest 42,9 części wagowych węgla i 114,2 części wagowych tlenu.

Małgosia: Łatwo zauważyć, że w dwutlenku węgla jest dokładnie dwa razy więcej węgla niż w tlenku węgla! Ale co to ma wspólnego z atomami?

Jaś: Gdyby materia była ciągła i nie składała się z atomów, występowanie stałych proporcji wagowych byłoby niemal cudem… W każdym razie byłoby trudne do wyjaśnienia. Jeżeli przyjmiemy natomiast, że pierwiastki chemiczne składają się z atomów i każdy atom ma określony ciężar, wówczas zarówno prawo stosunków stałych, jak i prawo stosunków wielokrotnych łatwo zrozumieć. Na przykład jeżeli cząsteczka tlenku węgla składa się z jednego atomu tlenu i jednego atomu węgla, natomiast atom tlenu jest ¾ razy cięższy od atomu węgla, to łatwo zrozumieć, dlaczego tlenek węgla zawiera 3 części wagowe węgla i 4 części tlenu, a w dwutlenku węgla mamy 3 części wagowe węgla i 8 części wagowych tlenu.

Małgosia: To rzeczywiście bardzo proste wyjaśnienie. Własności ilościowe i jakościowe różnych związków chemicznych okazują się konsekwencją własności samych atomów tworzących pierwiastki chemiczne.

Jaś: Filozof nauki Thomas Kuhn uznaje atomizm Daltona za najlepszy przykład rewolucji naukowej w chemii, wydarzenie, które doprowadziło do zupełnie nowego sposobu uprawiania tej dyscypliny. Dalton atomistyczną teorię materii opublikował w pracy New System of Chemical Philosophy (Nowy system filozofii chemicznej) w 1808 r. Można ją streścić następująco: (1) wszystkie ciała składają się z atomów powiązanych siłami przyciągania; (2) wszystkie atomy danego pierwiastka mają taki sam ciężar, wielkość i pozostałe własności; (3) różne pierwiastki składają się z różnych atomów o różnych ciężarach atomowych, a pierwiastki i atomy są niezmienne i nie mogą się w siebie przemieniać; (4) atomy są niepodzielne chemicznie, a reakcje chemiczne sprowadzają się do zmian połączeń atomów; (5) tworzenie się związków chemicznych polega na łączeniu się określonej liczby atomów tworzących go pierwiastków.

Małgosia: Demokryt byłby zachwycony.

Jaś: Zapewne tak, ale Dalton nie prowadził rozważań filozoficznych, w szczególności nie twierdził, że atomy są absolutnie niepodzielnymi, niezłożonymi, ostatecznymi cząstkami materii – mówił o atomach pierwiastków, ale i o „atomach złożonych” (nazywamy je dzisiaj cząsteczkami). Nie rozważał paradoksów Zenona z Elei, kwestii bytu i niebytu. O ciężarze atomów pisał już Epikur, ale u Daltona nie jest on rozumiany jako „przyczyna ruchu”, lecz jako wielkość empiryczna, którą można określić eksperymentalnie.

Małgosia: Czytałam, że Dalton stworzył pierwszą tablicę względnych ciężarów atomowych, ale że podane wielkości są w niektórych przypadkach błędne. Dlaczego?

Jaś: Uczony przyjmował, że atomy łączą się ze sobą w związki chemiczne w najprostszy z możliwych sposobów. Oznacza to na przykład, że gdy dwa atomy tworzą tylko jeden znany związek chemiczny, to w cząsteczce znajduje się po jednym atomie każdego pierwiastka.

Małgosia: To oznaczałoby, że wzór chemiczny wody to HO, a nie, jak wiemy dzisiaj, H2O.

Jaś: W filozofii zasada, że zwykle najprostsze rozwiązanie jest poprawne, znana jest jako brzytwa Ockhama, brzmiąca: nie należy mnożyć bytów ponad potrzebę. Na ogół się ona sprawdza, ale nie zawsze.

Małgosia: Dalton twierdził, że wszystkie atomy danego pierwiastka są takie same, ale wiemy, że tak nie jest.

Jaś: Chemicy nie znali jeszcze wówczas izotopów, atomów tego samego pierwiastka, czyli mających te same własności chemiczne, ale różniących się ciężarem atomowym. Wiemy dzisiaj, że nawet najprostszy pierwiastek – wodór – ma izotopy, które nazywamy deuter i tryt.

Małgosia: Jasiu, a czy nazwisko Dalton ma coś wspólnego z daltonizmem?

Jaś: Tak, to właśnie ten badacz odkrył u siebie wadę wzroku, polegającą na zaburzeniu w rozpoznawaniu kolorów, zbadał ją i szczegółowo opisał.

Małgosia: Cóż, nawet najwięksi uczeni nie muszą mieć kolorowego życia…

Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.