Rozwój poglądów na budowę materii

ODKRYWANIE MATERII

400 r.p.n.e.
- Filozofowie greccy Demokryt i Epikur twierdzą, że materia składa się z małych, twardych, niewidzialnych cząstek zwanych atomami.
- Przez setki lat panuje teoria Arystotelesa, według której istnieją cztery podstawowe elementy: ziemia, ogień, powietrze i woda.

300 r.p.n.e.
- Filozofowie greccy Platon i Arystoteles twierdzą, że można bez końca dzielić materię na coraz mniejsze części.

1500 - 1700
1661 r.
- Fizyk i alchemik Robert Boyle twierdzi, że zakładając istnienie małych cząstek można lepiej wytłumaczyć reakcje chemiczne niż opierając się na czterech elementach Arystotelesa.

1700 - 1800
- Fizyk angielski sir Izaak Newton (1642 - 1727) opisuje przyciąganie się i odpychanie małych cząstek.
- Reakcje chemiczne tłumaczy się przyjmując istnienie flogistonu, niewidzialnej substancji wydzielanej w procesach spalania.
- Przedmiotem zainteresowania badaczy jest ciepło i nowo odkryte gazy, na przykład dwutlenek węgla.
- Antoine Levoisier (1743 – 1794) tłumaczy procesy spalania istnieniem tlenu, odrzuca hipotezę flogistonu.

1800 – 1900
1808 r.
- Chemik angielski John Dalton formułuje nowoczesną koncepcję pierwiastków i związków chemicznych zbudowanych z atomów i cząsteczek.

1830 r.
- Chemicy niemieccy skupiają uwagę na węglu jako podstawowym pierwiastku chemii organizmów żywych.

1869 r.
- Chemik rosyjski Dymitr Mendelejew ogłasza układ okresowy pierwiastków; uszeregowane są one według wzrastającej masy atomowej.
- W Niemczech powstają nowe gałęzie przemysłu chemicznego – produkcja leków i barwników syntetycznych. 1897 r.
- Odkrycie elektronów przez fizyka angielskiego Josepha J. Thomsona wskazuje, że atomy nie są najmniejszymi cząstkami materii.

1900 – 2000
- Potencjalnie szkodliwe promienie rentgenowskie wykorzystuje się w medycynie do uzyskiwania cennych informacji. Te promienie umożliwiają lekarzowi wgląd we wnętrze organizmu pacjenta.
- Masowo wytwarza się telefony z tworzywa sztucznego – bakelitu. Produkcja tworzyw sztucznych staje się jednym z największych przemysłów na świecie.
- Fizycy badając wnętrze jądra atomu, odkrywają cząstki mniejsze od niego – protony i neutrony.

1939 – 1945 r.
- Podczas II wojny światowej prowadzono intensywne badania nad bombą atomową i ratującym życie lekiem – penicyliną.
- Z nowych materiałów syntetycznych, na przykład nylonu produkuje się tanią odzież.
- Fizycy odkrywają jeszcze mniejsze cząstki subatomowe, zwane kwarkami.
- Badacze nadal usiłują zrozumieć, w jaki sposób powstał Wszechświat.

MATERIA

Wszystko, co nas otacza – książka, którą czytamy, krzesło na którym siedzimy, woda, którą pijemy – jest zbudowane z materii. Materia jednak to nie tylko rzeczy, których można dotknąć. To także powietrze, którym oddychamy. Planety we Wszechświecie, istoty żywe, na przykład owady, i twory martwe, jak skały – są także zbudowane z materii. Wszelka materia składa się ze znikomo małych cząstek, zwanych atomami, które są zbudowane z jeszcze mniejszych cząstek subatomowych. Chemia bada budowę materii oraz sposoby łączenia się ze sobą atomów tworzących różne rzeczy.

Powstanie materii
Większość uczonych uważa, że cała materia Wszechświata powstała w wyniku eksplozji zwanej Wielkim Wybuchem. Towarzyszyło mu uwolnienie dużych ilości ciepła i energii.
Po upływie niewielu sekund część energii przekształciła się w znikomo małe cząstki. Te zaś utworzyły atomy, z których jest zbudowany nasz dzisiejszy Wszechświat.

Materia nieożywiona
Materia Wszechświata jest głównie materią nieożywioną, czyli nie mającą zdolności wzrostu, reprodukcji i poruszania się. Przykładem materii nieożywionej mogą być skały tworzące Ziemię.

Materia ożywiona
Ziemia jest domem dla wielu istot żywych, w tym wszystkich gatunków roślin i zwierząt. Chociaż motyl wydaje się czymś zupełnie odmiennym niż skała, jest podobnie jak ona zbudowany z atomów. Atomy, łącząc się w różny sposób, mogą tworzyć wiele różnych rzeczy.

STANY MATERII

Wyobraźmy sobie górę, jezioro i otaczające je powietrze. Przedstawiają one trzy stany skupienia materii. Góry są zbudowane ze skały, stanowiącej ciało stałe. Jezioro to zbiornik wody, która jest cieczą. Powietrze natomiast, którym oddychamy to gaz. Ciała stałe mają określoną objętość i kształt, lecz kształt niektórych, na przykład przedmiotów gumowych, może się zmieniać. Większość ciał stałych odznacza się twardością. Ciecze mają stałą objętość, nie mają jednak określonego kształtu i wykazują zdolność płynięcia, czyli płynność. Gazy nie mają ani określonej objętości, ani określonego kształtu i także płyną. Większość gazów jest niewidziana. Ze względu na zdolność płynięcia ciecze i gazy nazywa się płynami.
Niejednakowe zachowanie się materii w trzech stanach skupienia wynika z różnych sposobów poruszania się cząstek materii.

Ciało stałe
Książka na przykład ma określony kształt, który trudno zmienić. Cząstki ciała stałego bowiem są ze sobą połączone silnymi wiązaniami i tworzą trwałą strukturę.

Ciecz
Pijąc herbatę zwróćmy uwagę, że ciecz przybiera kształt szklanki. Jeżeli jednak ją rozlejemy, kształt cieczy zmieni się. Gdy przelejemy ją do innego pojemnika, kształt znowu się zmieni, lecz objętość pozostanie taka sama.

Gaz
Szybko wypełnia każą przestrzeń, w której się znajduje, ponieważ jego cząsteczki są bardzo ruchliwe. Oznacza to, że gaz nie ma własnego kształtu ani objętości, lecz przybiera kształt zbiornika. Na przykład balony są wypełnione gazem – helem. Przedmioty mogą łatwo przemieszczać się w gazie ze względu na duże odległości między cząsteczkami gazu. Gdy spacerujemy, nie odczuwamy działania otaczającego nas powietrza.

Plazma
Istnieje czwarty stan materii, zwany plazmą, nie obserwujemy go jednak często. Występuje głównie w wysokich temperaturach we wnętrzu Słońca i innych gwiazd. Na Ziemi można otrzymać plazmę w gazie pod niskim ciśnieniem. W tym stanie atomy są zjonizowane w wyniku działania wysokiej temperatury lub pola elektrycznego.

WŁAŚCIWOŚCI MATERII

Ze zrozumiałych względów rondel wykonuje się ze stali i tworzywa sztucznego. Rączka jest z plastiku, gdyż ten materiał to dobry izolator, zapobiegający nadmiernemu nagrzewaniu się, a zatem chroni przed oparzeniem. Garnek jest ze stali, która dobrze przewodzi ciepło i przekazuje je przyrządzonej potrawie. Złe i dobre przewodzenie ciepła to konkretny przykład
Właściwości materii. Niektóre właściwości, takie jak przewodzenie ciepła, można zmierzyć. Inne, jak zapach substancji, tylko opisać. Naukowcy mierzą właściwości wielu różnych materiałów. Pomiarów dokonują w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem, co umożliwia ich porównywanie.

Zmysłowa percepcja materii
W życiu codziennym nie opisujemy przedmiotów tak jak w nauce. Korzystamy w większym stopniu z naszych zmysłów niż z przyrządów pomiarowych. Wrażenia zmysłowe nie są jednak dokładne. Nie określają w sposób ilościowy zapachu ani smaku, każdy człowiek może postrzegać rzeczy zupełnie inaczej.

Gęstość
Różne materiały o jednakowej objętości mają inne masy. Gęstość materiału jest to masa jednego centymetra sześciennego tego materiału. Niekiedy podaje się gęstości względne ciał stałych, cieczy i gazów, czyli stosunki ich gęstości do gęstości wody.

Ciężar, masa i objętość
Miarą ilości substancji może być jej objętość lub masa. Miarą ilości benzyny jest jej objętość, czyli przestrzeń, jaką zajmuje, a miarą ilości ziemniaków – masa (w kilogramach), czyli ilość materii zawartej w ziemniakach. Objętość substancji można zmienić ogrzewając ją lub wywierając na nią ciśnienie, masa pozostaje jednak stała. Działająca na ciało grawitacją powoduje powstanie siły zwanej ciężarem ciała, zależnej od jego masy.

Wytrzymałość
Większość metali wykazuje wytrzymałość podczas rozciągania, można więc je stosować do budowania takich konstrukcji jak most wiszący. Pomost utrzymują stalowe liny, które nie ulegają rozerwaniu pod ciężarem pomostu. Filary są wykonane z betonu; jest on tak mocny, że wytrzymuje ciężar mostu.

Plastyczność
W wyniku ściskania niektórych materiałów na przykład ciasta lub plasteliny, następuje trwała zmiana ich kształtu. Są to materiały plastyczne. Istnieją różne rodzaje plastyczności, między innymi kowalność czy ciągliwość. Metal, który można rozklepać na cienkie blaszki bez jego rozerwania, jest kowalny. Jeżeli zaś można wyciągnąć metal w cienki drut, jest on ciągliwy.

Sprężystość
Guma ma interesującą właściwość. Daje się rozciągać, po czym powraca do pierwotnych wymiarów. Właściwość tę nazywa się sprężystością. Wiele materiałów, w tym metale, odznacza się sprężystością. Niektóre z nich mają granicę sprężystości; oznacza to, że nie powracają do pierwotnego kształtu, jeżeli zostaną rozciągnięte zbyt silnie.

Kruchość
Guma jest sprężysta w normalnych temperaturach. Balon gumowy jednak, zanurzony
W ciekłym azocie o temperaturze –1960C, staje się kruchy i rozpada się na kawałki po uderzeniu. Niektóre substancje, na przykład szkło, są kruche w zwykłych temperaturach. Inne substancje, jak glina, które normalnie są plastyczne, stają się kruche po wypaleniu w piecu.

Rozpuszczalność
Wiele substancji stałych, cieczy i gazów rozpuszcza się w wodzie i innych cieczach, tworząc roztwór; te substancje są rozpuszczalne. Cukier rozpuszcza się w herbacie, sól w wodzie. Ciecze, w których rozpuszczają się substancje, noszą nazwę rozpuszczalników. Wodę często nazywa się rozpuszczalnikiem uniwersalnym, rozpuszcza bowiem bardzo wiele substancji. Ta właściwość wody ma podstawowe znaczenie dla organizmów żywych: woda transportuje substancje rozpuszczone w krwi i soku roślinnym. Zwierzęta żyjące w wodzie pobierają rozpuszczony w niej tlen.

Przewodzenie ciepła
Metale dobrze przewodzą ciepło. Mają one duże przewodnictwo cieplne ze względu na swą
strukturę atomową. Takie materiały, jak tworzywa sztuczne i drewno, źle przewodzą ciepło, są zatem dobrymi izolatorami. Nadają się więc do pokrywania powierzchni przewodników ciepła. Właśnie dlatego uchwyty naczyń kuchennych są zwykle wykonane z tworzyw sztucznych.

Przewodzenie elektryczności
Elektryczność łatwo przepływa przez metale, co oznacza, że przewodzą one prąd elektryczny. Jest to spowodowane obecnością w metalach swobodnie poruszających się elektronów. Tworzywa sztuczne, szkło, drewno i większość innych materiałów stałych, z wyjątkiem węgla, są bardzo złymi przewodnikami. Są to izolatory; tworzywa sztuczne stosuje się jako powłoki izolacyjne drutów w przewodach elektrycznych.

Temperatura topnienia i wrzenia
Każda czysta substancja ma stałą temperaturę topnienia i stałą temperaturę wrzenia pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym. Jeżeli jednak substancja nie jest czysta, temperatury topnienia i wrzenia zmieniają się. Sól na śniegu obniża jego temperaturę topnienia, śnieg topi się więc tworząc wodę, i temperatura powietrza musi się znacznie obniżyć, by woda ponownie zamarzła.

BUDOWA ATOMU

Wszystko, co możemy zobaczyć, usłyszeć, dotknąć i wyczuć jest zbudowane z mikroskopijnych cząsteczek nazywanych atomami, których miliardy mieszczą się w kropce tego zdania. Atom zaś tworzą cząstki jeszcze mniejsze (subatomowe). W środku każdego atomu znajduje się jądro zbudowane z protonów i neutronów (nukleonów). Wokół niego krążą cząstki zwane elektronami, tworzące różne powłoki (warstwy). Protony i neutrony są znacznie cięższe niż elektrony, masa atomu jest więc praktycznie równa masie jądra. Większe grupy atomów łącząc się tworzą cząsteczki.

Obraz cząsteczki
To zdjęcie przedstawia 28 cząsteczek tlenku węgla. Ułożono z nich sylwetkę człowieka. Dopiero ponad 20 000 kolejno ułożonych takich postaci odpowiada grubości ludzkiego włosa.

Protony, neutrony i elektrony
Jądro każdego atomu zawiera dwa rodzaje cząstek – protony i neutrony. Liczba protonów nosi nazwę liczby atomowej. Protony mają dodatni ładunek elektryczny, natomiast neutrony są elektrycznie obojętne. Elektrony, które krążą wokół jądra podobnie jak planety wokół Słońca, mają ładunek ujemny; poruszają się niemal tak szybko jak światło. Atom zawiera zawsze jednakową liczbę elektronów i protonów.

Izotopy
Wszystkie atomy danego pierwiastka zawierają jednakową liczbę protonów, mogą jednak różnić się liczbą neutronów. W takim wypadku mamy do czynienia z izotopami. Izotop węgla, węgiel – 12, ma w jądrze sześć protonów i sześć neutronów. Jądro innego izotopu, węgla – 14, zawiera dwa dodatkowe neutrony. To jądro jest promieniotwórcze. Izotopy promieniotwórcze noszą nazwę radioizotopów.

Wielkość atomu
Atomy są znacznie mniejsze, niż to sobie można wyobrazić. 10 milionów atomów ułożonych obok siebie zmieściłoby się na długości jednego milimetra. Mimo swych znikomo małych rozmiarów atom stanowi głównie pustą przestrzeń, gdyż elektrony znajdują się bardzo daleko od jądra. Gdyby jądro miało rozmiary piłki tenisowej, cały atom byłby tak wielki jak budynek Empire State Building w Nowym Jorku.

Cząstki subatomowe
Protony, neutrony i elektrony, z których jest zbudowany atom, to tylko trzy spośród przeszło 200 znanych obecnie rodzajów cząstek subatomowych. Fizycy wciąż odkrywają nowe cząstki. Stosują oni potężne urządzenia, zwane akceleratorami cząstek, służące do bombardowania atomów naładowanymi cząstkami subatomowymi o dużej prędkości w celu otrzymania innych atomów lub cząstek subatomowych. Uczeni nadają odkrytym cząstkom tajemnicze i dziwaczne nazwy, takie jak kaony, ypsilony czy mezony powabne lambdy.

Akcelerator cząstek
W akceleratorach takich jak synchrotron wiązki cząstek subatomowych krążą pod wpływem potężnych elektromagnesów po orbicie kołowej i są przyspieszane przez impulsy elektryczne. Gdy cząstki osiągają dostateczną prędkość, wykorzystuje się je do bombardowania innych cząstek lub atomów. Fizycy następnie analizują powstałe cząstki.

Wnętrze jądra
Jądro każdego atomu zawiera protony i neutrony, które z kolei są zbudowane z mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Te zaś łączą inne cząstki, zwane gluonami.

Tory cząstek
Badacze często stosują detektory elektroniczne do wykrywania cząstek powstających w wyniku zderzeń w akceleratorach. Komputer przetwarza informacje i przedstawia tory na ekranie. Na ich podstawie badacze wyznaczają masy i ładunki elektryczne cząstek.

Wynalazcy
John Cockcroft i Ernest Walton skonstruowali w roku 1932 jako pierwsi akcelerator cząstek, za co otrzymali w 1951 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.