Andrzej Łukasik: Dialog 5. Czy atomy są niezmienne?

Alchemicy przez wieki marzyli o przemianie pierwiastków nieszlachetnych w złoto. Z punktu widzenia fizyki współczesnej jest ona w zasadzie możliwa, tylko że zupełnie nieopłacalna…

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2024 nr 2 (56), s. 32–33. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, wiemy, że atomos po grecku znaczy „niepodzielny”, jednak wiemy również, że atomy nie są w rzeczywistości ostatecznymi, wiecznymi, absolutnie niezmiennymi i niepodzielnymi składnikami materii. Czy zatem atomy, o których mowa we współczesnej fizyce i chemii, to „te same” atomy, o których mówili starożytni filozofowie i uczeni aż niemal do końca XX w.?

Jaś: W pewnym sensie tak – jeżeli za podstawową tezę atomizmu przyjmiemy twierdzenie, że materia nie jest ciągła, lecz istnieją pewne ostateczne składniki materii, to teza starożytnych atomistów jest aktualna. Tymi składnikami nie są jednak atomy, lecz cząstki elementarne fizyki współczesnej, z których zbudowane są atomy – o cząstkach elementarnych porozmawiamy jednak innym razem. Atomy to obiekty złożone, które nie są absolutnie niezmienne.

Małgosia: To znaczy, że etymologiczna i realna treść nazwy „atom” przestały już sobie odpowiadać?

Jaś: Tak.

Małgosia: Jak do tego doszło?

Jaś: Doprowadziły do tego wielkie odkrycia w fizyce z końca XIX w.: dyskretnych linii widmowych, promieni Röntgena, promieniotwórczości i wreszcie odkrycie elektronu, pierwszej cząstki materii drobniejszej niż atom.

Małgosia: Co to są dyskretne linie widmowe?

Jaś: Każdy pierwiastek promieniuje światłem i pochłania światło tylko ściśle określonych częstotliwości, które nazywamy kolorami. Promieniowanie takie określamy mianem widma atomowego. Dla każdego pierwiastka jest ono inne, niepowtarzalne – nie ma dwóch pierwiastków, które miałyby takie samo widmo promieniowania.

Małgosia: To trochę tak jak linie papilarne dla ludzi – nie ma dwóch osób na całym świecie, które miałyby takie same linie papilarne.

Jaś: Bardzo dobra analogia. Jednak zgodnie z fizyką klasyczną (elektrodynamiką Maxwella) światło jest ciągłą falą elektromagnetyczną i na podstawie fizyki klasycznej nie da się wyjaśnić, dlaczego atomy pierwiastków promieniują falami jedynie o ściśle określonych częstotliwościach. To wyjaśnia dopiero mechanika kwantowa.

Małgosia: Promienie Röntgena znamy wszyscy – wykorzystywane są w diagnostyce medycznej, na przykład w przypadku prześwietlenia kości. Dlaczego to odkrycie miało tak wielkie znaczenie?

Jaś: Pod koniec XX w. fizycy badali zjawisko wyładowań elektrycznych w rozrzedzonych gazach. Jeżeli weźmiesz szklaną bańkę wypełnioną rozrzedzonym gazem z umieszczonymi w niej dwiema elektrodami, to po podłączeniu elektrod do źródła prądu elektrycznego gaz zacznie świecić różnymi kolorami.

Małgosia: Czy tak jak w dzisiejszych neonówkach?

Jaś: Dokładnie tak. Zaobserwowano poza tym, że szkło w bańce do wyładowań, znajdujące się naprzeciwko katody (elektrody podłączonej do ujemnego bieguna baterii), świeci. Zjawisko to nazywamy fluorescencją. Powstała zatem hipoteza, że z katody emitowane są pewne promienie, które nazwano promieniami katodowymi. Nie wiadomo jednak było, jaka jest natura tego promieniowania – problem ten rozwiązał Joseph John Thomson, o którym za chwilę. Wilhelm Röntgen również badał wyładowania elektryczne w gazach i stwierdził oprócz promieniowania katodowego istnienie innego bardzo przenikliwego promieniowania, które wywoływało zaczernienie klisz fotograficznych, nawet wówczas gdy były osłonięte czarnym papierem.

Małgosia: Nie mogło zatem to być ani światło widzialne, ani promieniowanie katodowe…

Jaś: Röntgen w 1895 r. odkrył istnienie promieniowania, które nazwał promieniowaniem X, a które ma następujące właściwości: rozchodzi się po liniach prostych, nie ulega odchyleniu w polu elektrycznym ani magnetycznym (nie ma zatem ładunku elektrycznego), z łatwością przenika przez materiały nieprzezroczyste nawet dla bardzo silnego światła widzialnego i pozostawia na kliszy fotograficznej wyraźny ślad. Jako pierwsze wykonał zdjęcie rentgenowskie dłoni swojej żony; wyraźnie było na nim widać kości.

Małgosia: Czytałam, że żona Röntgena powiedziała wtedy: „Boże, zobaczyłam własną śmierć!”.

Jaś: Dzisiaj przywykliśmy do zdjęć rentgenowskich, wtedy jednak było to odkrycie zdumiewające. Ciekawe, że już po trzech tygodniach znalazło zastosowanie w diagnostyce medycznej.

Małgosia: Możemy zatem widzieć rzeczy, które są ukryte na co dzień przed naszymi oczami. Ciekawa jestem, jak by wyglądał świat, gdybyśmy go postrzegali w promieniach Röntgena…

Jaś: Mogłabyś na przykład usłyszeć, że podoba mi się Twój prosty kręgosłup…

Małgosia: Co?

Jaś: Podobno Röntgen zapytany przez pewnego dziennikarza „Co pan wówczas myślał?” odpowiedział: „W ogóle nie myślałem. Badałem!”.

Małgosia: Dzisiaj wiemy, że promienie Röntgena to promieniowanie elektromagnetyczne, tak samo jak światło, tylko o znacznie mniejszej długości fali i dlatego niedostępne dla naszego wzroku. A co z promieniotwórczością, o której wspominałeś?

Jaś: Odkrycie promieniotwórczości miało decydujący wpływ na odrzucenie poglądu o niezmienności atomów, sięgającego starożytnej filozofii przyrody. Zjawisko to odkrył w 1896 r. Antoine Henri Becquerel w przypadku uranu, następnie Pierre Curie i Maria Skłodowska-Curie w przypadku toru. A w 1898 r. odkryli oni również pierwiastki radioaktywne polon i rad. Następnie Ernest Rutherford w 1899 r. wyodrębnił w promieniowaniu radu dwie składowe, które nazwał α i β , a rok później Paul Willard odkrył promienie γ. Zjawisko promieniotwórczości polega na tym, że niektóre atomy pierwiastków, zwanych promieniotwórczymi, samoczynnie przemieniają się w inne atomy, emitując promienie α (obecnie wiemy, że są to jądra helu), promienie β (czyli elektrony) i promienie γ (wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne).

Małgosia: Czy to znaczy, że mamy do czynienia z transmutacją?

Jaś: Alchemicy przez wieki marzyli o przemianie pierwiastków nieszlachetnych w złoto. Z punktu widzenia fizyki współczesnej jest ona w zasadzie możliwa, tylko że zupełnie nieopłacalna…

Małgosia: Szkoda, ale nie mówiliśmy jeszcze o Thomsonie.

Jaś: Joseph John Thomson również prowadził badania nad wyładowaniami w gazach i próbował ustalić, czym są promienie katodowe. W 1897 r. odkrył elektron, pierwszą cząstkę materii drobniejszą niż atom.

Małgosia: Czytałam jednak, że jest to uproszczenie, ponieważ przekonanie o istnieniu elektronu torowało sobie drogę w fizyce przez ponad pół wieku i związane było, oprócz badań nad promieniami katodowymi, z pracami Michaela Faradaya nad zjawiskiem elektrolizy i badaniami zjawisk elektromagnetycznych (prowadzonymi przez Hendrika Antoona Lorentza).

Jaś: Zgoda, ale na samo omówienie historii odkrycia elektronu musielibyśmy poświęcić całą rozmowę. W każdym razie Thomson, badając zachowanie promieni katodowych, postawił śmiałą hipotezę, że są to cząstki materii o ujemnym ładunku elektrycznym i określonej masie (sam zmierzył stosunek ich masy do ładunku), będące „atomami”, czyli najmniejszymi porcjami elektryczności.

Małgosia: A zatem odkrycie Thomsona było empirycznym dowodem na to, że atomy nie są najmniejszymi, elementarnymi składnikami materii, lecz że mają jakąś strukturę wewnętrzną.

Jaś: Tak. W ten sposób pytanie o to, w jaki sposób materia zbudowana jest z atomów, prowokuje nowe pytanie dotyczące głębszej natury rzeczywistości: „W jaki sposób zbudowane są same atomy?”.

Małgosia: Ale o tym porozmawiamy już innym razem.

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.