Richard Feynman
Az anyag atomokból épül fel

Ha egy világkatasztrófa következtében minden tudományos ismeretanyag megsemmisülne és csak egyetlenegy mondat maradna örökségül a következő civilizációra, mi lenne az a mondat, amely a legtömörebb megfogalmazásban a legtöbb inforinációt sűritené magában? Úgy vélem, ennek a mondatnak az atomok hipotézisét (vagy ha úgy tetszik, az atomok létezésének tényét) kellene tartalmaznia: azt, hogy minden dolog atomokból épül fel - állandóan mozgó kis részecskékből, amelyek vonzzák egymást, ha kis távolságra vannak, és taszítják egymást, ha egyiket a másikba préselik. Mint látni fogjuk, ez a megállapítás hihetetlen mennyiségű információt tartalmaz a világról, csupán egy kis logika és fantázia kell hozzá.

Az atomi világkép akár egy csepp vizben is tükröződik. Képzeljünk magunk elé egy fél centiméter átmérőjű vizeseppet. Bármily közelről vizsgáljuk, semmi egyebet nem látunk, csak vizet, sima, folytonos vizet. Ha a rendelkezésünkre álló legjobb optikai mikroszkóppal kb. 2000-szeresére felnagyitjuk - ekkor a csepp átmérője 10 m, tehát kb. akkora, mint egy nagyobb terem -, még mindig viszonylag folytonos vizet látunk melyben itt-ott különös, futball-labda alakú képződmények úszkálnak. Ezek a furcsa képződmények: paraméciumok. Itt meg is állhatnánk egy pillanatra, mert kiváncsivá tett bennünket a paramécium az ő tekergőző testecskéjével és sajátosan izgő-mozgó nyúlványaival. Ez azonban már a biológia tárgykörébe vágna. Erőt véve kiváncsiságunkon, hagyjuk most a paraméciumot, inkább figyeljük meg a viz anyagát még közelebbről, újabb kétezerszeres nagyitásban. Most már a vizesepp mérete 20 kilométer. Valamiféle nyüzsgés észlelhető, de ez már nem kelti a folytonosság benyomását, inkább olyan, mintha futballmérkőzést látnánk nagy távolságból. Hogy kifürkészhessük, miféle nyüzsgés ez, alkalmazzunk még egy 250-szeres nagyítást; ekkor olyasféle látvány tűnik elő, mint amilyent az 1.1 ábra mutat: egy milliárdszorosára nagyitott vizesepp több szempontból is idealizált képe. Elsősorban azért idealizált, mert a részecskéket leegyszerűsitett formában, határozott kontúrral rajzoltuk meg, ami pontatlan megközelitése a valóságnak. Másodsorban az egyszerűség kedvéért kétdimenziós elrendezésben, sematikusan vázoltuk őket fel, holott a valóságban természetesen három dimenzióban mozognak. Az ábrán kétféle jel - "paca", illetve kör - van feltüntetve, az egyik (fekete) az oxigénatomot, a másik (fehér) a hidrogénatomot képviseli. Látható, hogy minden oxigénatomhoz két hidrogénatom

1.1 ábra Vízcsepp egymilliárd szoros nagyításban
tapad. (Az egy oxigén- és két hidrogénatomból álló csoportot vizmolekulának nevezzük.) E kép még azért is idealizált, mert a természetben a valódi részecskék állandóan sürögnek-forognak, kergetőznek egymás körül, ide-oda ugrálnak, összetapadnak, majd szétválnak. Sztatikus kép helyett dinamikus képet kell elképzelnünk. Az sem tűnik ki a rajzból, hogy a részecskék "ragadnak egymáshoz" - itt az egyik részécske vonzza azt a másikat, ezt meg magához rántotta amaz stb. Az egészet együtt, hogy úgy mondjuk, "rugalmas szálak" tartják össze. Másrészről viszont ezek a részecskék nem préselődnek egymásba. Ha megpróbálnánk kettőt közülük összepréselni, taszítanák egymást. Az atomok sugara (1.. .2)-10-8 cm.

A 10-8 cm távolság egyenlő egy angströmmel, vagyis azt mondjuk, hogy az atomok sugara 1...2 Å. Az atomok nagyságréndjét más módon is emlékezetben tarthatjuk: ha egy almát a földgolyó méretére megnagyttanánk, atomjai kb. az eredeti alma nagyságára nőnének.

Most próbáljuk magunk elé képzelni ezt az óriás vizcseppet a benne ugrándozó, egymáshoz tapadó, fogócskát játszó részecskékkel. A viz megtartja térfogatát, nem esik szét, mert a molekulák kölcsönösen vonzzák egymást. Ha a vizcsepp lejtős helyre kerul, ahol egy pontból a másik pontba átgördülhet, lefolyik, de azért nem tűnik el, mint ahogyan általában a tárgyak nem foszlanak szerte, mivel a molekuláik közti vonzás összetartja őket. Az imént emlitett ugráló mozgás nem más, mint a hő: ha növeljük a hőmérsékletet, egyúttal fokozzuk a mozgást. Ha melegitjük a vizet, az ugráló mozgás fokozódik, s ezáltal nő az atomok közötti térfogat is, ha pedig a melegítést sokáig folytatjuk, elkövetkezik egy időpont, amikor a kölcsönös vonzás már nem elegendő a molekulák összetartásához, s igy azok egymástól teljesen különválva szerterepülnek.

Ez nyilvánvaló, hiszen ily módon állitunk elő vizből gőzt: a hőmérséklet növekedésévei a részecskék fokozódó mozgásuk következtében egymástól szerterepülnek.


Vízpára felnagyított vázlata
1.2 ábra
Az 1.2 ábra a gőz sematikus vázlata. A vázlat egy szempontból nem állja meg a helyét: az általunk választott nagyitás esetén pl. egy nagy teremben közönséges légköri nyom áson csupán néhány molekula található, vagyis biztosan kevesebb annál, hogy a rajzméretre három darab jusson.

A legtöbb - az ábrával azonos méretű négyzetecske a valóságban nem tartalmazhat semmit, s mi csak a szemléltetés kedvéért mutatunk be olyan négyzetecskét, ahová véletlenül jutott kéj és fél vagy három molekula (üres ábrát értelmetlen lett volna bemutatnunk !). A gőz esetében a molekulák jellegzetességeit tisztábban látjuk. Az egyszerűség kedvéért úgy rajzoltuk fel őket, hogy a három atom 120°-os szöget zárjon be egymással. Ez a szög ténylegesen 105°3', az oxigén- és a hidrogénatom középpontja közötti távolság pedig 0,957 Å. Mindebből látható, hogy ezt a molekulát elég jól ismerjük.

Forditsuk most figyelmünket a gőznek vagy általában a gázoknak néhány tulajdonságára. Az egymástól elkülönült molekulák, állandó mozgásuk közben a terem falának ütköznek. Az egészet úgy képzelhetjük el, mintha a teremben mondjuk száz teniszlabda pattogna szüntelenül ide-oda. Amikor a falhoz csapódnak, löknek egyet rajta. (Természetesen arról gondoskodtunk, hogya fal ne mozduljon el.) Ez azt jelenti, hogy a gáz a falra vibráló, szabálytalanul ismétlődő lökésekkel hat, amelyeknek durva érzékelésünkkel - csak átlagát észleljük (minthogy nem nagyitottuk fel magunkat is milliárdszorosan). Ahhoz, hogy a gázt valamilyen térfogatba bezárjuk, nyomást kell rá gyakorolnunk. Az 1.3 ábra gázok tárolására általánosan elterjedt edényt mutat (minden tankönyvben ilyen található): egy hengert a benne elhelyezett dugattyúval.

Jelen esetben a vizmolekula alakja nem lényeges, az egyszerűség kedvéért teniszlabdának vagy pontnak ábrázoltuk. Ezek a pontocskák minden irányban állandóan mozognak. Sokan közülük felül nekiütköznek a dugattyúnak; az állandó lökdösés következtében a dugattyú szép lassan kilökődhet. Ennek megakadályozására, egy bizonyos erővel lefelé kell nyomnunk. Ezt az erőt nyomásnak nevezzük (ténylegesen a nyomás szorozva a felülettel adja az erőt).

Világos, hogy ez az erő a felüllettel arányos, mert ha a felületet megnöveljük, miközben

1.3 ábra
az egy köbcentiméterre eső molekulák számát állandónak tartjuk, ezzel megnöveljük a dugattyút érő ütközések számát, mégpedig olyan arányban, ahogy a felület megnagyobbodott. Tegyünk most kétszer annyi molekulát a tartályba, vagyis duplázzuk meg a sűrűséget, de legyen a molekulák sebessége az 'előbbihez képest változatlan, vagYls maradjon a hőmérséklet azonos. Ekkor az ütközések száma jó közelitéssel megkétszereződik, tehát azt mondhatjuk, hogy a nyomás arányos a sűrűséggel, minthogy minden ütközés ugyanolyan "energikus", mint előbb. Figyelembe véve az atomok között fennálló erők tényleges természetét, arra következtethetünk, hogy a nyomás a kölcsönös vonzás miatt csekély mértékben csökkenni, míg az atomok rendelkezésére álló térfogat véges volta miatt csekély mértékben növekedni fog. Mindazonáltal - elég alacsony nyomás esetén, vagyis ha a gáz kevés atomot tartalmaz - kitűnő közelités az, hogya nyomás a sűrűséggel arányos.

Feleletet kaphatunk egy másik kérdésre is: mi lesz a nyomással, ha a hőmersékletet a gáz sűrűségének megváltoztatása nélkül megnöveljük, vagyis megnöveljük az atomok sebességét? Az atomok, mivel gyorsabban mozognak, erőteljesebben s ráadásul gyakrabban ütköznek a dugattyúhoz, tehát a nyomás megnövekszik. Látható, milyen egyszerűen következik mindez az atomi szemléletből.

Vegyünk egy másik esetet. Tételezzük fel, hogy a dugattyú befelé mozog, s így az atomokat lassacskán kisebb térfogatra szorítja össze. Mi történik, amikor egy atom a mozgó dugattyúba ütközik? Nyilvánvalóan sebességet nyer az ütközés során. Gondoljunk csak arra, hogy ha például egy pingpong-labda a vele szembe haladó ütőbe ütközik, nagyobb sebességgel pattan le az ütőről, mint amivel nekiüt között. (Speciális eset: ha egy nyugvó atom ot ér a dugattyú, az atom mozgásba jön.) Az atomokat a dugattyúval való találkozás "forróbbá" teszi, s ily módon az edényben található valamennyi atom sebessége megnövekszik.

Ez azt jelenti, hogy ha a gázt lassan összenyomjuk, hőmérséklete megnő. Vagyis lassú összenyomás közben a gáz hőmérséklete megnő, lassú kitágulás közben pedig csökken. Térjünk vissza vízcseppünkhöz, vizsgáljuk most más szemszögből. Csökkentve hőmérsékletét, tételezzük fel, hogy hűlés közben az atomok alkotta vízmolekulák ugrándozása is alábbhagy. Tudjuk, hogy az atomok között ható vonzóerő miatt a molekulák egy idő múlva már kevésbé élénken mozognak. Az 1.4 ábrán látható, mi történik majd egeszen alacsony hőmérsékleten: a molekulák egy új alakzattá kapcsolódnak - s ez a jég. A jégnek fenti vázlatos képe nem helytálló abból a szempontból, hogy kétdimenziós, de kvalitatíve helyes. A jelenség érdekessége az, hogy ez esetben az anyag minden atomjának meghatározott helye van, s könnyen ellenőrizhető, hogy ha valamilyen módon a csepp egyik végén az atomokra valamilyen elrendezést kényszeritünk, minden atomot bizonyos helyre ültetve, a közöttük fennálló merev kapcsolat következtében a csepp másik végén kilométernyi távolságban is (felnagyitott méretekben gondolkodunk!) meghatározott elrendezés alakul ki. Az egyik végén befogott tűalakú jégkristály másik vége ellenáll az oldalirányú kitéritő erőnek, ellentétben a vízzel, ahol az atomok nagymérvű ugrándozása folytán a szerkezet lazább, s így az atomok a legkülönbözőbb irányokban mozoghatnak. A szilárd anyagok és a folyadékok közötti különbség az, hogy a szilárd anyagokban az atomok bizonyos alakzatba, ún. kristályos alakzatba rendeződnek, és hosszú távon nem véletlenszerűen helyezkednek el; a kristály egyik végén levő atomok helyzetet meghatározzák a tőlük millió atomnyi távolságra, a kristály másik végén elhelyezkedő atomok.

Az 1.4 ábrán a jégkristály egy elképzelt elrendeződése látható, s jóllehet az ábra számos vonatkozásban helytálló, mégsem ez a valóságos elrendeződés. Helytálló pl. az, hogy az elrendeződés bizonyos szimmetriát mutat, azaz hexagonális. Látható, hogy

jégkristály
1.4 ábra
ha ezt a képet egy tengely körül l20o-kal elforgat juk, önmagába tér vissza. A jég tehát bizonyos fajta szimmetriát rejt magában, ami egyben a hópehely hatszögletü alakját magyarázza. Egy másik jelenség is megérthető az l4. ábra nyomán, ti. hogy az olvadással miért lesz kisebb a jég térfogata.

Az itt bemutatott sajátos kristályalakzatban sok "üreg" található, akár csak a valódi jég kristályszerkezetében. Ha a szerkezet bomladozni kezd, ezeket az üregeket elfoglalják a. molekulák. A legtöbb anyag - a viz és a betüfém kivételével - olvadáskor kiterjed.. a szilárd kristályban szorosan elhelyezkedő atomok olvadás után nagyobb teret igényelnek mozgásukhoz. Ezzel szemben egy üreges szerkezet összeesik olvadáskor, mint a jég. Bár a jégnek "merev" kristályos szerkezete van, hőmérséklete mégis megváltozhat - a jégben szintén van hőmennyiség. Mi a hő a jég esetében? Az atomok nincsenek nyugalomban. Ugrálnak és rezegnek. Jóllehet a kristályban meghatározott rend van - hiszen meghatározott szerkezete van -, minden atomja "helyben" vibrál. Amint növeljük a hőmérsékletet, rezgésük amplitúdója hasonló mértékben nő, mig végül is kiszakadnak helyükről. Ezt nevezzük olvadásnak. Amint a hőmérsékletet csökkentjük, a vibrálás egyre jobban csökken, mig az abszolút nulla hőmérséklet körül el nem ér egy minimális - de nem nulla - értéket.

Ez a minimális mozgás egyetlen anyagnak, a héliumnak kivételével nem elegendő az olvadáshoz. A héliumban pusztán az atomok mozgása csökken le amennyire csak tud, de még az abszolút nulla hőmérsékleten is marad annyi mozgás, amennyi elegendő a fagyás megakadályozásához. A hélium még az abszolút nulla fokon sem fagy meg, hacsak nem alkalmazunk olyan nagy nyomást, amely az atomokat egymáshoz tudja préselni. A nyomás növelésével héliumot szilárd alakban is előállíthatunk.

Atomi folyamatok

Az előbbiekben szilárd anyagokat, folyadékokat és gázokat írtunk le az atomi szemlélet segitségével. Az atomi szemlélet azonban folyamatok leírására is alkalmas, most tehát néhány folyamatot az atomok nézőpontjából mutatunk be. Az első ilyen folyamat, amelyet érdemes megvizsgálnunk, a viz felszinévei kapcsolatos. Mi megy végbe a víz felszinén? A képet bonyolultabbá, de egyben valószerübbé is tesszük, ha elképzeljük, hogy a vizsgált vízfelszin levegővel érintkezik (1.5 ábra). Itt is, mint előbb, jelen vannak a viztestet alkotó vizmolekulák, de most a viz felszínét is látjuk. Utóbbit szemlélve sok mindent észrevehetünk : mindenekelőtt vizmolekulákat gőz formájában. Ez a vízpára, amely mindig megtalálható a víz felett. (A viz és a vizpára között egyensúly áll fenn, erről később még szó lesz.) A párán kivül másfajta molekulákat is látunk, itt pl. két oxigénatom tapadt össze, oxigénmolekulát képezve, amott meg két nitrogénatom, szinténösszetapadva, nitrogénmolekulát képez. A levegő csaknem teljes egészében nitrogénből, oxigénből és valamelyes vizpárából áll, de kisebb mennyiségben széndioxidot,

1.5 ábra
argont és egyéb anyagot is tartalmaz. Tehát a viz felszine felett található levegő: gáz, amely némi vizpárát tartalmaz.

Lássuk, mi is történik ezen a képen? A viz molekulái állandóan "ugrándoznak", mozgásban vannak. Előfordul időnként, hogy egyik-másik a felszin közelében egy kicsit nagyobb lökést kap és kilökődik. Nehéz észrevenni az ábrán, hogy valójában mi játszódik le, mivel képünk álló. De azért el tudjuk képzelni, hogy az egyik molekula, eltalálva a többiektől, éppen kifelé tart, majd talán az a másik is kap egy lökést, az is tovarepül. Vagyis molekuláról molekulára eltűnik a viz: elpárolog. De ha lezár juk felülről az edényt, egy idő múlva nagyszámú vizmolekulát fogunk találni a levegőmolekulák között. Időről időre egy-egy gozmolekula a vizbe csapódik vissza, s ott fogva marad. Ez a látszólag érdektelen, mozdulatlan, eseménytelen valami - egy pohár lefedett viz, amely talán már húsz éve itt áll a helyén valójában mozgalmas, érdekfeszitő, soha meg nem szűnő jelenséget tartalmaz. Szemünkkel, ezzel a durva optikai eszközzel ugyan semmi változást nem észlelünk, de milliárdszoros nagyitásban már észrevennénk, hogy a molekulák saját kis világa szűntelen változások szinhelye : molekulák távoznak a vizfelszinből és molekulák érkeznek vissza oda. Miért nem látunk mi változást? Mert amennyi molekula eltávozik, ugyanannyi érkezik vissza! Hosszú időtávlatban "semmi nem történik". De ha az edény fedőjét levéve elfújjuk a párával telt levegőt és szárazat engedünk a helyébe, a távozó molekulák száma nem változik (ez csak a vizmolekulák mozgásától függ), de a visszatérő molekulák száma nagymértékben csökken, minthogy most sokkal kevesebb vizmolekula található a viz felszine felett. Tehát több molekula megy el, mint amennyi érkezik, és igy a viz elpárolog. Ezért kapcsoljuk be a ventillátort, ha vizet akarunk elpárologtatni!

Következő kérdésünk: Mely molekulák távoznak el? Mikor egy molekula kirepül, véletlenül az átlagosnál egy kicsit több energia halmozódik fel benne, éppen annyi, amennyi ahhoz szükséges, hogya szomszédos molekulák vonzását legyőzze. Tehát ha a kirepülők az átlagosnál több energiával rendelkeznek, akkor a visszamaradottak átlagos energiája kisebb lesz. Ezért a folyadék párolgás közben fokozatosan lehűl.

Természetes viszont, hogy' amikor a gőzmolekula a levegőből a vizbe érkezik, a felszinhez közeledve alulról hirtelen nagyfokú vonzás támad feléje. Ez felgyorsitja a beérkező molekulát, aminek eredményeként hő fejlődik. Tehát a távozó molekulák hőt visznek magukkal, a visszatérők hőt fejlesztenek. Nyilvánvaló, ha nincs valódi párolgás, ez a jelenség sem következik be - a viz hőmérséklete nem változik. Amikor ráfújunk a viz felszinére, és ezáltal biztositjuk a távozó molekulák túlsúlyát, hűtjük a vizet. Fújd a levest, ha hűteni akarod!

Ne feledjük azonban, hogy ezek a folyamatok a valóságban sokkal bonyolultabbak, mint amilyennek ábrázoltuk őket. Nemcsak a vizmolekula jut ki a levegőbe, hanem olykor az oxigén- vagy nitrogénmolekulák egyike-másika is behatol a vizbe, "betéved" a vizmolekulák közé, utat vágva magának a vizben. Vagyis a levegő feloldódik a vizben; az oxigén- és nitrogénmolekulák utat törnek maguknak és a vizben levegő gyűlik fel. Ha most hirtelen eltávolitjuk az edény feletti levegőt, a vizből sokkal gyorsabban távoznak el a levegőmolekulák, mint ahogy oda behatolnak, s eközben buborékok keletkeznek. Bizonyára sokan tudják, hogy ez a jelenség a búvárok ellensége.

Térjünk át egy másik folyamatra. Az 1.6 ábrán atomi szempontból mutatjuk be egy szilárd test feloldódását vizben. Mi történik, ha egy sókristályt vizbe helyezünk? A só szilárd anyag, kristály, vagyis a "sóatomok" egy szervezett elrendeződése. Az 1.7 ábra a közönséges só, vagyis nátriumklorid háromdimenziós szerkezetének vázlata. .Pontosabban szólva: a kristály nem atomokból, hanem ún. ionokból épül fel. Az ion a semleges atomhoz képest néhány elektronnyi

1.6 ábra
hiánnyal vagy felesleggel rendelkezik. A sókristályban kloridion (klóratom egy többletelektronnal) és nátriumion (nátriumatom egy elektron hiányával) található. A sóban az ionok elektromos vonzás hatására egymáshoz vannak tapadva, de a kristályt vizbe helyezve azt tapasztaljuk, hogy a negativ oxigénnek és a pozitiv hidrogénnek az ionokra gyakorolt vonzása következtében néhány ion elszabadul. Az 1.6 ábrán látható egy kloridion, amint éppen leszakad, valamint több olyan atom, amely már ion formájában lebeg a vizben. Nézzük meg figyelmesen a rajzot. Észre kell vennünk például, hogya vizmolekula hidrogén-oldala nagyobb valószinűséggel a kloridionhoz van közel, mig az oxigén felőli vége közelében nagyobb gyakorisággal találhatók nátriumionok, minthogy a nátrium pozitiv, a viz oxigén felőli vége pedig negativ, és igy ezek elektromosan vonzzák egymást. Meg tudnánk-e állapitani a képről, vajon a só éppen oldódik, vagy kikristályosodik? Természetesen nem, mert mig néhány atom a kristálytól eltávozik, néhány másik éppen visszacsatlakozik hozzá. A folyamat dinamikus, ugyanúgy, mint a párolgás esetében, és attól függ, hogy több vagy kevesebb sót tartalmaz-e a viz annál a mennyiségnél, amennyi az egyensúlyhoz szükséges. Egyensúlyon azt az állapotot értjük, amikor a távozó és visszatérő atomok száma megegyezik. Ha alig van só a viz ben , több atom távozik, mint amennyi visszaérkezik, ezért a só feloldódik. Viszont ha túl sok "sóatom" van a vfzben, azaz több érkezik, mint amennyi távozik, a só kikristályosodik.

Közbevetőleg megjegyezzük, hogy bármely anyagra nézve, a molekula fogalma nem általános érvényű, hanem az anyagoknak csak egy bizonyos osztályára alkalmazható. A viz esetében világos, hogya három atom valóban össze van tapadva. De már nem ennyire világos a szilárd állapotú nátriumklorid esete, itt csupán a nátrium- és kloridionoknak egy köbös elrendeződéséről beszélhetünk. Ugyanis természetes úton nem tudjuk "sómolekulákba" csoportositani őket.

Térjünk vissza az oldódás és ki kristályosodás kérdéséhez. A hőmérséklet növelésével mind a kristály ból eltávozó, mind pedig az oda visszatérő atomok száma növekszik. Általában nagyon nehéz előre megjósolni, a kettő közül melyik folyamat kerekedik a másik fölé, s hogy több vagy kevesebb só oldódik-e majd fel. A legtöbb anyag könynyebben, de néhány anyag nehezebben oldódik, ha a hőmérsékletet növeljük.

Kémiai reakciók

Az eddig leirt folyamatokban az atomok és ionok még nem cseréltek "partnert", de természetesen elő adódnak olyan körülmények is, amikor az atomok kombinációja megváltozik és egy új molekula jön létre.

Ezt mutatja be az 1.8 ábra. Azt a folyamatot, amelyben az atomi partnerek átrendeződnek, kémiai reakciónak nevezzük. Az eddig leirt folyamatokat fizikai folyamatoknak hivjuk,
ámbár a kettő között nincsen éles különbség. (A Természet nem törődik vele, milyen neveket adunk, csak csinálja a magáét.) Ábránkon szénnek oxigénben való elégését szeretnénk bemutatni. Az oxigénben két oxigénatom tapad egymáshoz igen szorosan. (Hogy miért nem három, vagy akár négy? Ez éppen az ilyen jellegű atomi folyamatok egy igen jellemző tulajdonsága. Az atomok nagyon sajátságosak: bizonyos meghatározott partnereket, meghatározott irányokat stb. előnyben részesitenek. A fizika feladata, hogy megvizsgálja, miért vágyódik egy atom éppen arra, amire vágyódik. - Szó, ami szó, két oxigénatom képez - boldogan és kölcsönösen kielégitve egymást - egy molekulát.) Az ábrán feltételeztük, hogyaszénatomok szilárd kristályban (ami lehet grafit vagy gyémánt (A gyémánt szintén el tud égni levegőben.)) foglalnak helyet. Ha most például egy oxigénmolekula közel férkőzhet a szénhez, mindegyik atom felkaphat egy-egy szénatomot, s aztán továbbálIhat egy új kombinációban - "szén-oxigén" a.lakjában -, amely a szénmonoxidnak nevezett gáz egy molekulája. A gáznak a CO kémiai elnevezést adták. Hogy miért, nagyon egyszerű: a "CO" betűk gyakorlatilag a molekula képét tükrözik. Ámde a szén sokkalta jobban vonzza az oxigént, mint az oxigén az oxigént, vagy a szénatom egy másik szénatomot. Épp ezért, bár a folyamatba belépő oxigénnek esetleg kicsi az energiája, az oxigén és szén olyan nagy hévvel, olyan vadul egyesül, hogy környezetükben minden feldúsul energiában. Vagyis nagy mennyiségű mözgási energia (kinetikus energia) szabadul fel. És ez nem más, mint az égés: az oxigén és szén kombinálódásából hőt nyertünk. A hő általában a forró gáz molekuláinak mozgásaként nyilvánul meg, de. bizonyos körülmények között oly hatalmas lehet, hogy fényt hoz létre. Így keletkezik a láng.

Ráadásul a szénmonoxid nem teljesen telitett. Lehetősége van még egy oxigén megkötésére, s ezáltal egy bonyolultabb reakció is végbemehet, amikor az oxigén a szénnel kapcsolatba lépve ugyanakkor egy másik szénmonoxid-molekulával összeütközik. Az egyik oxigénatom a CO-hoz köti magát, amellyel végül is egy molekulát alkot (amelyet CO2-vel jelölünk, és széndioxidnak nevezünk). Ha szenet nagyon kevés oxigénben és nagyon gyors reakció során égetünk el (pl. autó motorjában, ahol a robbanás olyan gyors, hogy nincsen idő széndioxidképződésre), jelentős mennyiségű szénmonoxid keletkezik.

Számos effajta átrendeződésben nagy menynyiségű energia szabadul fel és a reakciótól függően robbanás, láng stb. észlelhető. A vegyészek az atomok ilyen átrendeződéseit tanulmányozva megállapitották, hogy minden anyag: az atomok egy bizonyos tipusú elrendeződése.


Szén égése oxigénben
1.8 ábra
Hogy a gondolatot illusztráljuk, tekintsünk egy másik példát. Ha virágzó ibolyák közelében járunk, könnyen felismerjük őket illatukról. Ez azt jelenti, hogy bizonyos fajtájú molekula, illetve atomokból álló rendszer az orrunkba hatolt. Mindenekelőtt, hogyan került oda? Meglehetősen egyszerű módon. Ha az illat nem más, mint valamilyen tipusú, a levegőben ide-oda cikázó molekula, amelyet minden irányból lökések érnek, véletlenül bekerülhet az orrunkba.

Természetesen nem volt szándékában odajutni. Az illat csupán a molekulák nyüzsgő sokaságának egy magatehetetlen része, és céltalan vándorlása közben az anyagnak ez a piciny töredéke egyszerre csak orrunk ban találja magát.

A kémikusok ezeket a speciális molekulákat is, mint például az ibolya illata, analizálni tudják, meg tudják mondani nekünk, milyen az atomok valóságos térbeli elhelyezkedése. Tudjuk, hogya széndioxidmolekula egyenes és szimmetrikus:O-C-O.

(Ez könnyen, fizikai módszerek kel is megállapítható.) A kémiában előforduló legbonyolultabb atomi elrendeződés is felderíthető, igaz, hogy csak hosszas detektivmunkával. Az 1.9 ábrán a levegő egy részlete látható az ibolya környezetében. Újra itt találjuk az oxigént, nitrogént és a vízpárát. (Miért van itt vízpára? Mert az ibolya nedves. Minden növény párát lehel ki magából.) De ezúttal látunk még egy szén-, hidrogén és oxigénatomokból kialakult "csodabogarat" is, amely különleges alakzatával ragadja meg figyelmünket. Ez a széndioxidnál sokkalta bonyolultabb elrendeződés, valóban hallatIanul bonyolult. Sajnos nem tudjuk mindazt bemutatni, amit kémiailag tudunk róla, mivel az atomok elrendeződését valójában három dimenzióban ismerjük, az ábránk pedig csak kétdimenziós. A hat szénatom nem lapos, hanem harmonika alakban összegyűrt. Ismert az összes szög és távolság.

Látható tehát, egy kémiai képlet az ilyenfajta molekulának csupán vázlata. Amikor a kémikus effajta dolgokat ír fel a táblára, megpróbál kétdimenzióban "rajzolni". Például

Az ibolya illata
1.9 ábra
látunk egy hat szénatomból álló "gyűröt", amelyen egy szénlánc függ. Utóbbi utolsó előtti tagján egy oxigén helyezkedik el. Aztán látunk három hidrogént, amely a szénhez kapcsolódik, majd megint két szénatomot és három hidrogént, és így tovább. Hogyan mutatja ki a kémikus az elrendeződést? Különböző anyagokkal telj üvegcsék tartaimát tölti egymásba, s ha a keverék vörös lesz, ez arról árulkodik, hogy itt egy szén és egy hidrogén van összekapcsolódva; ha viszont kék lesz, ez csak annyit mond, hogy másképp áll a helyzet. A szerves kémia: nagy képzelőerőt kívánó detektívmunka!

Hogy megállapíthassa az atomok elhelyezkedését ebben a rendkívül bonyolult elrendeződésben, a kémikus azt vizsgálja, mi történik, ha két különböző anyagot összekever. A fizikus sohasem tudta elhinni, hogya kémikus tudta miről beszél, amikor leírta az atomok elrendeződését. Körülbelül húsz éve vált lehetővé, hogy néhány fajta molekulát (nem olyan bonyolultakat, mint az előbbiek, hanem néhány olyat, amelyek az előbbinek egy részét alkotják) fizikai módszerekkel vizsgáljunk és meghatározzuk a molekula minden atomjának helyét - de nem a színeződés alapján, hanem megmérjük, hol vannak ténylegesen. És lám! A kémikusoknak majdnem minden esetben igazuk volt. Kiderült, hogy az ibolya illatában valóban három, egymástól csak a hidrogénatomok elrendeződésében különböző molekula foglal helyet.

A kémia egyik problémája, hogy olyan nevet adjon az anyagoknak, amelyből következtethetünk molekulaszerkezetükre. Találjunk ki nevet például az 1.10 ábrán látható molekula alakjára! De a névnek nemcsak az alakzatot kell leírnia, meg kell mondja azt is, hogy itt egy oxigén-, ott egy hidrogénatom, tehát pontosan hol és milyen atom foglal helyet. Láthatjuk, hogya kémiai nevek szükségképpen bonyolultak, mert másképp nem lehetnének tökéletesek. Az 1.10 ábra molekulájának neve pontosabb formában a molekula szerkezetéről is számot ad: 4-(2, 2,3,6-tetrametil-5-ciklohexil)-3-buten-2-on.

Ebből is fel tudjuk mérni, hogy a kémikusok milyen nehézséggel álltak szemben, s megérthetjük, mi az oka az effajta hosszú neveknek. Nem ködösíteni akartak az elnevezésekkel, hanem rendkívül nehéz feladatot oldottak meg: megpróbálták a molekulákat szavakkal leírni!

Honnan tudjuk, hogy vannak atomok? A már emlitett egyik logikai módszer segítségével: feltételezzük, hogy léteznek, és sorra pontosan olyan kisérleti eredmények adódnak, mint amelyeket azzal a feltételezéssel jósoltunk meg, hogy minden atomokból épül fel. Van azonban egy valamivel közvetlenebb bizonyitéka is az atomok létezésének, amelyre jó példa a következő: Az atomok olyan parányiak, hogy nem láthatók mikroszkóp segitségével, de még elektronmikroszkóppal sem. (Fénymikroszkóppal csak sokszorta nagyobb tárgyakat lehet látni.) Mármost ha az atomok állandóan mozgásban vannak, mondjuk pl. a vízben, és a vízbe

1.10 ábra.
Az ibolya illatának szerkezeti képlete
valamilyen labdát helyezünk, a labda ide-oda fog ugrálni, mint a "pushball" játékban, ahol egy óriási labdát rugdosnak a játékosok.

A játékosok különböző irányban rugdalják a labdát, ez teljesen szabálytalan mozgást végez a játéktéren. Hasonlóan mozog a "nagy labda" a vizben a különböző oldalait különböző mértékben érő, szüntelen lökések következtében. Tehát amikor mikroszkóp segitségével egészen parányi részecskéket (kolloidokat) vizsgálunk a vizben, az állandó, ide-oda ugrándozó mozgás, amit észlelünk, az atomok lökdösésének az eredménye. Ezt a jelenséget Brown-mozgásnak nevezik. A kristályok szerkezetében további bizonyitékokat is találunk az atomok létezésére. Számos esetben a röntgensugarak segitségével meghatározott szerkezet megegyezik a kristálynak a természetbenmegjelenő térbeli "formájával". A kristálylapok által bezárt szögek másodpercnyi pontossággal megegyeznek azokkal a szögekkel, amelyeket abból a feltételezésből kiindulva számítottak ki, hogy a kristály, atomok számtalan "rétegéből" tevődik össze.

Minden atomokból épül fel. Ez kulcsfeltevés. Az egész biológiának például legfontosabb feltevése az, hogy az élőlények minden életjelenségét atomok viszik végbe. Más szóval az élő anyagnak nincs olyan tevékenysége, amelyet ne lehetne megérteni annak a szemléletnek alapján, hogy minden atomokból épül fel és ezek a fizikai törvényeknek engedelmeskednek. Mindez nem volt kezdettől fogva ismert; sok-sok kisérletezés és elmélkedés előzte meg ezt a feltevést, amely ma már általánosan elfogadott, nagyon eredményes elmélet, és a biológia egész területén új gondolatokra vezet. Ha egy darab vasnak vagy sónak, amely egymással szomszédos atomokból áll, enynyire érdekes tulajdonságai lehetnek; ha a tengerviz - ami nem más, mint ugyanannak. a kis cseppnek ismétlődése megannyi kilométeren át - végig a Föld felszinén hullámokat és habokat formálhat, a part kövének ütközve robajt kelt s furcsábbnál furcsább alakzatokat vesz fel; ha mindaz az élet, amely egy folyamba szorult, atomoknak egy halmaza csupán, milyen hatalmas akkor a további lehetőségek száma? Képzeljük el, még mennyivel csodálatosabban viselkedne az anyag, ha atomjai nemcsak meghatározott alakzatokban, mindig ugyanazt a sorrendet ismételve, vagy az ibolya illatához hasonló kis összetett halmazokat formálva helyezkednének el, hanem úgy épitenénk fel, hogy mindenütt és mindig más lenne, a legkülönbözőbb atomok legkülönfélébb szerkezeti elrendeződése adódna, folytonosan változva és önmagát sohasem ismételve! Lehetséges, hogy az a "valami", ami Önök előtt fel-le járkál és magyaráz, atomoknak egy ilyesfajta összetett halmaza, amely olyannyira bonyolult, hogy már el sem lehet képzelni, mire is képes?

Mikor azt mondjuk, hogy mi is atomokból állunk, nem azt értjük alatta, hogy pusztán egy halom atom vagyunk, mivel az atomoknak egy olyan elrendezése, amelyben nincsen ismétlődés, nagyon is rendelkezhet olyan tulajdonságokkal, amelyeket Önök a tükörben láthatnak.

(Részlet Richard Feynman: Mai fizika című előadássorozatából.)