A Hét 1985/2 (30. évfolyam, 27-52. szám)
1985-10-11 / 41. szám
Tudomány-technika MILYENEK AZ ATOMOK? (Száz éve született Niels Bohr) Az anyag szerkezetének és összetételének kérdése legalább háromezer esztendeje foglalkoztatja a tudomány embereinek képzeletét. E hosszú idő alatt számtalan elképzelés és elmélet látott napvilágot, többségük azonban meglehetősen rövid életűnek bizonyult; akadt viszont néhány, amely szívósan állta az évszázadok ostromait, s még az egyre tökéletesedő vizsgálati módszerek sem tudták térdre kényszeríteni. Közülük is kiemelkedik az atomelmélet amelyet vagy 2300 esztendeje a nagy görög természetfilozófus, Démokritosz alapozott meg és indított el a „világsiker" útján. Hosszasan taglalhatnánk ennek a teóriának a fejlődését, sorsának alakulását és hányattatásait az egyes történelmi korok folyamán, de erre most nincs elegendő helyünk, mindenesetre leszögezhetjük, hogy az atomok ideája — ha olykor búvópatak módjára is, de — mindig jelen volt a tudományos gondolkodásban, s az idő múlásával egyre nagyobb szerephez jutott. A 19. század vegyészei és fizikusai közül sokan már természetesnek tartották az atomok létezését, elméleteik megfogalmazása közben számoltak velük, noha határozottabb elképzelésük még nemigen lehetett róluk. Akadtak természetesen psökönyös — bár korántsem rendíthetetlen — ellenzői is az atomelméletnek, köztük olyan hírességek is mint Ernst Mach (1838—1916), osztrák fizikus és filozófus, akinek retrográd nézeteit Lenin bírálta élesen a Materializmus és empiriokriticizmus c. müvében, de aki bizonyos vonatkozásban mégis nagy hatással volt a századforduló fizikusainak gondolkodására, vagy pl. a Nobel-díjas Wilhelm Ostwald (1853—1932), német fizikus, ciki az 1880-as évek fizikájának egyik vezéralakja volt. Az elmélet hívei (élükön Ludwig Boltzmann-na\) és ellenzői 1895-ben, Lübeckben egy tudományos tanácskozáson heves szópárbajt vívtak a kérdésről, s noha a küzdelem alakulását elsősorban a résztvevők szónoki képessége határozta meg, egyre több fizikus számára nyilvánvalóvá vált, hogy a legújabb, a hagyományos elképzelések alapján nehezen megmagyarázható tények és megfigyelések (röntgensugárzás, rádioaktivitás. Színképvonalak stb.) olyan új elméletért kiáltanak, amelyben az atomoknak meghatározó szerep jut. Izgalmas vállalkozás lenne lépésről-lépésre nyomon követni az atomelmélet diadalának útvonalát, sajnos ezúttal be kell érnünk a legfontosabb részeredmények ismertetésével. Az atomszerkezet vizsgálatának első fontos cselekedete az elektron felfedezése volt. E negatív töltésű részecske létezésével már Michael Faraday (1791 — 1867) emlékezetes 1834-es elektrolízis-kísérletei óta számoltak. de évtizedeken át önálló „negatív töltésű atomként" képzelték el és nem gondoltak arra, hogy az elektron esetleg az atom egyik alkotórésze is lehetne. A múlt század második felében az ún. katódsugárzás tanulmányozása volt a fizikusok egyik kedvelt témája. Ha az üvegcsőbe két elektródot helyezünk, majd kiszivattyúzzuk a levegőt és légmentesen leforrasztjuk a cső két végét, s ezek után áramot vezetünk a két elektród segítségével a „ritkított gázzal" töltött térbe, érdekes Niels Bohr fényjelenségeket figyelhetünk meg. Tüzetesebb vizsgálattal megállapíthatnánk, hogy a negatív pólusú elektródról — a katódról — valamilyen sugárzás áramlik a másik elektród (az anód) felé. Közben a gázmolekulák ionizálódnak, gázkisülés játszódik le, amelyet fényjelenség kísér. Azt a valamit katódsugárzásnak nevezték el, s fokozatosan kiderítették róla, hogy; — egyenes vonalban terjed; — bizonyos anyagokat fluoreszkálásra késztet; — elhajlik a mágneses térben — energiát visz magával (pl. az útjába helyezett fémfólia izzani kezd) stb. Mindezeket figyelembe véve végülis Joseph John Thomson (1856—1940) 1897-ben megállapította, hogy a katódsugárzás független a katód anyagától és a kisülési csőben található gáztól, ezért minden atomnak tartalmaznia kell. A katódsugárzás nem más mint az áramló elektronok tömege. S ha ezek a negatív töltésű részecskék megtalálhatók az atomban — okoskodott tovább J. J. Thomson —, akkor kell ott még lennie egy pozitív töltésű valaminek is, ami ellensúlyozza a negatív töltéseket. így született meg a „mazsolás puding" — modell, amely szerint az egész atomot kitöltő pozitív masszában apró pontocskákként mozognak a negatív töltésű elektronok. Thomson még azt is feltételezte, hogy ezek az elektronok ott az atom belsejében különböző sugarú körpályákon keringenek. Egy modell tehát volt már, de ennek alapján sok jelenséget (pl. a színképek vonalas szerkezetét) nem lehetett megmagyarázni. Közben a fizika más területein is új eredmények születtek, pl. a radioaktivitás felfedezése, a kvantumelmélet kidolgozása, a speciális relativitáselmélet megalkotása stb., s ezek többsége valamilyen módon összefüggött az atomok problémájával is. J. J. Thomson egykori tehetséges tanítványa, Ernest Rutherford (1871 — 1937) is a radioaktivitás rejtélyeit kutatva jutott el az atomszerkezet kérdéséhez. A radioaktív anyagok bomlása során különböző sugarakat lehet megfigyelni. Ezek egyike az alfa-sugárzás, amelyről épp Rutherford derítette ki, hogy tulajdonképpen teljesen ionizált hélium atomokból (He2+) áll. Amikor egyszer alfa-sugarakkal egy fémfóliát bombázott, meglepődve tapasztalta, hogy a fólia visszaveri az alfa-részecskéket. „Határozottan ez volt a leghihetetlenebb esemény, amellyel életemben találkoztam — emlékezett később Rutherford Az atommagnak ütköző alfa-részecskék viszszaverődnek. Az ábrán Rutherford szóráskísérletének vázlata látható a kísérletre. — Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha valaki egy 15 hüvelykes gránáttal egy selyempapír darabkára tüzelne, és az visszatérve őt magát találná el." De Rutherford nem sokáig csodálkozott. Ha a pozitív töltésű alfa-részecskéket ilyen nagy erővel visszalöki valami, akkor a Thomson-modellel baj van. Kell az atomban lennie egy pozitív töltésű képződménynek, amely eltaszítja magától az ionizált hélium-atomokat, ez a képződmény pedig nem más mint az atom magja. Ebben a magban összpontoul az atom tömegének legnagyobb része, de mivel az atom külsőleg semleges, tehát a pozitív töltést a mag körül körpályán keringő elektronok negatív töltése kompenzálja. Közben bizonyos mérések alapján arra kellett következtetni, hogy az egyes atomfajták különböző mennyiségű elektront tartalmaznak. Charles Glover Barkta (1877 — 1944) Nobel-dijas angol fizikus 1911 -ben megállapította, hogy a könnyebb elemek atomjaiban kb. fele anynyi elektron található mint az atomsúlyuk értéke. Szinte ugyanekkor Rutherford azt állapítja meg, hogy az atommag pozitív töltéseinek száma egyenlő a fél atomsúllyal. Ezt a két állítást csak egymás mellé kell helyezni, s máris látható, hogy a pozitív és a negatív töltések száma egyenlő, s hogy ez az érték jellemzi az atomok fajtáit is. A Rutherfordféle atommodellnek — minden szépsége ellenére — azonban volt egy nagy hibája: ellentmondott a klasszikus elektrodinamikának. Más szóval: olyan mozgásokat és folyamatokat engedélyezett az elektronok számára, amelyek elméletileg elképzelhetetlenek voltak. Ekkor jelent meg a színen egy dán fiatalember, aki Koppenhágából érkezett Rutherdford manchesteri laboratóriumába, hogy ott gyarapítsa ismereteit. Niels Bohrnak hívták. Ő gondolt egy merészet és a Rutherford-féle atommodellbe beépítette Marx Planck (1858—1947) kvantum-hipotézisét, amely szerint az energia és a sugárzás csakis véges számú részre osztható (a legkisebb „adagot" energiakvantumnak nevezzük). Bohr szerint az elektronok nem tetszés szerint, hanem eleve meghatározott pályákon Ernest Rutherford keringenek az atommag körül, s ilyenkor nem sugároznak ki elektromágneses hullámokat (jóllehet a klasszikus elektrodinamika szerint ezt kellene tenniük). Ha viszont az egyik pályáról átugomak egy másik pályára, akkor ilyenkor egy meghatározott értékű energiamennyiséget (fotont) sugároznak ki egyenlet szerint: =/>v Az egyenletben szereplő Ef a kilépő foton energiája, az E2 az eredeti pályán mozgó elektron energiája, Et az új pályára került elektron energiája, h a Planck-állandó (értéke: 6,625.10-34 Jóul. secundum), av pedig a foton frekvenciája. Ezt az összefüggést Bohr-féle frekvenciafeltételnek is nevezik. Az állítás egyébként fordítva is igaz: ha egy atom fényt nyel el, csakis olyan energiájú fotonokat foghat be, amelyek a fenti egyenlet követelményeinek eleget tesznek. E modell segítségével már meg lehetett magyarázni az egyszerűbb szerkezetű vonalas-spektrumokat, hiszen a színképekben található vonalak tulajdonképpen az „elektronugrásokról" tudósítanak. A Bohr-féle atommodellt néhány év múlva Arnold Sommerfeld (1868—1951) tökéletesítette, s ez a Bohr- Sommerfeld féle atommodelJ került be a középiskolai fizikatankönyvekbe is, jóllehet csak első megközelítésben írja le kielégítően az atom szerkezetét. (Egész pontosan az elektronhéj szerkezetéről kellene beszélnünk, hiszen a modell semmit nem árul el az atommagban uralkodó viszonyokról.) A további pontosításokat és finomításokat a kvantummechanika végezte el, amelynek kidolgozásában maga Niels Bohr vezető szerepet játszott. Ma a köztudatban leginkább az atom model tjéről ismert a száz esztendeje született Nobel-díjas tudós, pedig valójában a modern fizika egyik meghatározó egyénisége volt, aki iskolát teremtett Koppenhágában. Az 1916-ban megfogalmazott korrespondenciaelve és a sokáig vitatott és félremagyarázott tétele a komplementaritásról termékenyítöleg hatott nemcsak a fizikai, hanem a filozófiai gondolkodásra is. LACZA TIHAMÉR 16
