Az atomok kémiájának története

Hogyan képzelsz el egy atomot? Mint ez, vagy ez, esetleg ezek közül valamelyik? Ha eleget tudsz az atomokról ahhoz, hogy bármelyiket magad előtt lásd, akkor többet tudsz az atomokról, mint a tudósok száz évvel ezelőtt. És sokkal többet, mint amiről 2500 éve gondolták, hogy tudják. Ekkor született meg Leukipposz görög filozófus és tanítványa, Démokritosz fejében az az elképzelés, hogy az anyagok apró részecskékből állnak. Nem tudjuk, hogy jutottak erre, de semmi különöset nem gondoltak a részecskékről. Csak úgy vélekedtek, hogy ha valamit elég sokszor félbevágunk, végül eljutunk egy tovább nem osztható részecskéig. Ezeket nevezték el atomosznak, azaz vághatatlannak, oszthatatlannak. Úgy gondolták, hogy a vas vasrészecskékből áll, az agyag agyagrészecskékből, a sajt meg sajtrészecskékből. Az atomok tulajdonságait az anyagokéhoz gondolták hasonlónak. Például úgy vélték, hogy a vasatomok kemények, és kampókkal kötődnek egymáshoz. Az agyagatomok puhábbak és rugalmasak, mert gömbcsuklószerűen kapcsolódnak össze. A sajtatomok pedig lágyak és finomak. Egész értelmes ötlet, ha nem áll az ember rendelkezésére elektronmikroszkóp, katódsugárcső vagy korábbi tudósgenerációk munkája. A ma ismert atomelmélet több száz, vagy talán több ezer különböző elképzelés alapján állt össze. Egyes modellek, mint Leukipposzé, csak véletlen találgatások voltak. Ahogy múlt az idő, egyre több modell precíz kísérletek alapján született meg. De ahogy a tudományban mindig, minden tudós építhetett a korábbiak munkájára. Sokat beszéltünk mostanában a kémia finom részleteiről, és ezt folytatni is fogjuk, ahogy a magkémia, majd a szerves kémia alapjai felé haladunk. De előtte egy kis időt szeretnék arra áldozni, hogy elmondjam, honnan tudjuk mindazt, amit ma az atomokról tudunk, és honnan tudjuk, hogy még nem jöttünk rá mindenre. VILLÁMKURZUS Az atomelmélet története Gondolhatnád, hogy miután Leukipposz és Démokritosz előállt az atomok általános ötletével, valaki más elég könnyen vehette volna a kis oszthatatlan golyót, és továbbgondolhatta volna. De tévednél. Az atomelmélet továbbfejlesztésére kb. 2300 évet kellett várni. Meséltem már többek közt a francia vegyészről, Antoine Lavoisier-ről, akinek nevéhez fűződik a tömegmegmaradás törvénye, mely szerint még ha meg is változik az anyag állapota vagy formája, a tömege nem változik. Ne feledkezzünk meg az angol tanárról, John Daltonról sem, aki rájött, hogy az elemek különálló részecskék formájában léteznek. Nekik és más kiváló koponyáknak köszönhetően az 1800-as évekre már jobban értettük az atomok viselkedését, mint korábban. A következő logikus kérdés a „Miért?” volt. Miért viselkednek az atomok úgy, ahogy? Így elkezdték az atomok szerkezetét vizsgálni. Az 1870-es években a tudósok kisülési csövekkel kezdték vizsgálni az anyagok felépítését. Ezek gázzal töltött csövek, a két végükön elektródokkal, melyek elektromos áram hatására fényt bocsájtanak ki. Gyakorlatilag ennyi egy neoncső. Mivel a sugárzást a negatív elektród, azaz a katód bocsájtotta ki, katódsugárnak nevezték el. Ez negatív töltésű. 1886-ban Eugen Goldstein német fizikus rájött, hogy a csövek pozitív elektródján is keletkezik fény, egy, a másikkal ellentétes irányba tartó sugár. Ez azt jelenti, hogy az anyagban pozitív töltésnek is lennie kell. Goldstein nem egészen értette meg, mit fedezett föl. A tudósok még azt sem tudták, mi volt felelős a sugarakban a negatív töltésért. Az angol fizikus, J. J. Thomson lépett tovább a kisülési cső kutatásában. Megmérte, mennyi hőt hoz létre a katódsugár, illetve mennyire lehet eltéríteni pl. mágnessel, és ebből megbecsülte a sugárzás részecskéinek tömegét. Kb. 1000-szer könnyebbnek bizonyultak a hidrogénnél, a legkönnyebb ismert anyagnál. Arra következtetett, hogy a katódsugarak nem sugarak vagy hullámok, hanem nagyon apró, könnyű, negatív töltésű részecskék. Korpuszkuláknak nevezte el őket. Ma elektron a nevük. Bár még nem tudták, milyen formát öltenek, azt tudták, hogy az anyagoknak negatív és pozitív alkotóik is vannak. A következő kérdés az volt, hogy ezek hogyan helyezkednek el az atomon belül. Thomson tudta, hogy az atom semleges, és arra gondolt, hogy a negatív töltésű elektronok egy pozitív mátrixban véletlenszerűen oszlanak el. Thomson, aki ízig-vérig angol volt, a közismert angol desszertet, a mazsolás pudingot látta maga előtt. A pozitív mátrix a sütemény, az elektronok pedig a véletlenszerűen elhelyezkedő gyümölcsdarabok. A Thomson-féle atommodellt a mai napig is emlegetik mazsolás puding-modellként. Míg egy elektron mozgása valóban véletlenszerű, az elektronok eloszlása már nem az. A következő nagy lépést az új-zélandi Ernest Rutherford tette meg 1909-ben. Kísérletében egy nagyon vékony aranyfóliát és egy cink-szulfiddal bevont ernyőt használt. Alfa-részecskékkel bombázta a fóliát, melyekről nem tudta pontosan, mik, csak azt, hogy a rádium bomlásában keletkeznek, pozitív töltésűek és nagyon aprók. Azt várta, hogy csak átmennek a fólián anélkül, hogy eltérülnének, és sok így is tett. De egyes részecskék nagy szögben eltérültek, némelyik szinte visszapattant. Erre az egyetlen magyarázat az volt, hogy az atom pozitív töltése, amely taszítja az alfa-részecskét, igen kis térfogatban koncentrálódik. Ezt ő atommagnak nevezte el. Mivel az alfa-részecskék többsége simán átment az aranyatomokon, Rutherford asszisztense, Patrick Blackett arra jutott, hogy az atom nagy része üres. És igaza volt. Később azt is fölfedezte, hogy ha nitrogént bombáz alfa-részecskékkel, hidrogénionok keletkeznek. Helyesen következtetett arra, hogy ezek a parányi pozitív ionok elemi részecskék, protonok. Közeledünk a valósághoz. Ezeknek a kémikusoknak már egész jó elképzeléseik voltak az atom szerkezetéről. Csak ki kellett találniuk, hogy pontosan mit csinálnak az elektronok. Érkezik Niels Bohr. 1911-ben, mikor Rutherford aranyfóliás kísérletének eredményeit is publikálták, Bohr Angliába utazott, hogy nála tanuljon. Fizikusként érdekelték az elektromágnesesség Max Planck és Albert Einstein német fizikusok által felállított matematikai modelljei is. Előbb-utóbb Bohr rájött, hogy ezeket a matematikai elveket lehet alkalmazni Rutherford atommodelljére is. Az aranyfóliás kísérlet adataiból, a fólián átmenő, eltérülő, illetve visszapattanó alfa-részecskék arányából meg tudta határozni az elektronok legvalószínűbb elhelyezkedését az atomban. Erre alapozva alkotta meg Bohr a bolygómodellnek is nevezett atommodelljét, mely sokaknak ismerős lehet, talán neked is. Ebben az elektronok egy központi mag körül keringenek megadott pályákon. Minden pályán adott számú elektron lehet, ugyanezt adják meg a modern atommodell pályái és energiaszintjei is. Bár a modell nem tökéletes, de igen közel áll a valósághoz sok szempontból. De ahogy mindenki más is, akiket az előző percekben említettem, Bohr modellje is egyszerre volt nagyon igaz, és nagyon téves is. A problémát az elektronok jelentették. A német elméleti fizikus, Werner Heisenberg volt az, aki végül rájött, hogy milyen nagy probléma van az elektronokkal. De ő volt az is, aki rendet vágott ebben a káoszban. Cseles matematikai húzásokkal levezette, hogy nem tudhatjuk biztosan egyszerre az elektronnak vagy bármely részecskének a lendületét és a pozícióját. Minél pontosabban tudjuk az egyiket, annál nehezebb lesz megmérni a másikat. És ha nem tudjuk megmérni az elektron lendületét vagy pozícióját, nyilván nem mondhatjuk biztosra azt, hogy az atom elektronjai szabályos körpályákon helyezkednek el. Így ő és további fizikusok meg kémikusok előálltak egy új elmélettel, a kvantumelmélettel, mely szerint az elektronok nem részecskék és nem hullámok, hanem mindkettőre részben hasonlítanak. Ebben a gondolatmenetben az elektronok elrendeződését a mag körül csak valószínűségi fogalmakkal lehet leírni. Vannak bizonyos területek, ahol az elektront nagyobb valószínűséggel találjuk meg. Ezeket hívjuk atompályáknak. Ugyanazok a pályák, amelyekről korábban beszéltünk. Az s, p, d és f pályák, melyek a szigma- és pi-kötéseket létrehozzák. Ezeket jósolja meg Heisenberg elmélete. Ez adja az atomokról alkotott mai képünket. Mivel valószínűségen alapulnak, az atomokat gyakran felhőszerűen ábrázolják, ahol a szín intenzitása nem egyedi elektronokat jelöl, hanem annak valószínűségét, hogy egy adott helyen elektront találunk. Ezért az atom kvantummodelljét felhőmodellnek is nevezik. Az összes eddig felsorolt tudós, és sokan mások összedugták a fejüket az évszázadok során, hogy létrehozzák az aktuális, és mondhatjuk, hogy igen elegáns képet az atomokról. Most, 2500 év után, bár nem látjuk őket, de tudjuk, milyenek és hogyan működnek, mert tudósok hosszú sora apró részletekből összerakta a teljes, csodálatos képet. De fontos azt is értenünk, hogy talán most sem tudunk még mindent pontosan. Thomson kortársai meg voltak győződve arról, hogy a mazsolás puding-modell helyes. Bohr idejében tökéletesen jónak gondolták a bolygómodellt. Ma pedig biztosak vagyunk abban, hogy a kvantummechanikai modell helyes. De lehet, hogy nem tökéletes, és itt jön el a te időd. Az egyetlen mód a bizonyosság megszerzésére az, ha folyamatosan kérdezünk és kísérletezünk.