AZ ATOMFOGALOM TÖRTÉNETÉBŐL

Radnóti Katalin
ELTE Tanárképző Főiskola

Közel húsz éve már annak, hogy harmadéves voltam az egyetemen amikor örömmel fedeztük fel évfolyamtársaimmal, hogy atom- és elméleti fizikából Marx György fog minket tanítani. Rendkívül izgatottan, nagyon kíváncsian vártuk a találkozást, hogy miként látja az atomokat egy világhírű fizikus, mivel kémia-fizika szakosok lévén azt gondoltuk, hogy a legfontosabb tudnivalókat mi már a kémiából megtanultuk. Az előadások élményszerűek voltak. Már eleve érdekes volt az, hogy egy félévben tanultuk az atomfizikát és annak elméleti megalapozásaként a kvantummechanikát. Ezt még fokozta az is, hogy ugyanebben a félévben jártunk Tóth Eszter tanárnőhöz a József Attila Gimnáziumba óralátogatásokra, ahol ő ugyanezt a témát tanította. És ez így történt a modern fizika többi fejezete, a statisztikus fizika és a magfizika esetében is. Ennél mintaszerűbb tanárképzést, hogy egy adott téma elméleti alapjait és egyben középiskolai taníthatóságának megvalósítását egy hallgató egyszerre kapja kézhez, nem tudok elképzelni. Ez azóta is példaértékű minta számomra. Köszönet érte!

Ezekben az években folytak a Magyar Tudományos Akadémia által irányított kísérletek, amelyek a természettudományos oktatás megújítását célozták. Így első kézből kaphattuk az információkat. Sőt, ezekbe a munkálatokba, még, ha szerény mértékben, de mi hallgatók is bekapcsolódhattunk. Néhányunknak szakdolgozati témája volt egy-egy terület feldolgozása. Elmehettünk a tanárok részére szervezett felkészítő táborokba, tanári ankétokra, versenyekre. Ekkor tapasztaltam azt, hogy Marx György valójában sokkal több "egyszerű" egyetemi oktatónál, tudósnál, hanem globális szemlélete következtében a szó legnemesebb értelmében iskolateremtő egyéniség a pedagógia területén is. Szinte csodálatos módon mindig van ideje és energiája arra, hogy meghallgassa tanítványait, vagy volt tanítványait. Segítsen a tudományos életben tanácsaival, ötleteivel, melyek számomra munkám során meghatározóak, amelyért külön köszönettel tartozom. Büszke vagyok arra, hogy tanítványa lehettem, hogy tanulhattam és ma is tanulhatok tőle, hogy a sok fizikai és pedagógiai ismeretet, amit tőle kaptam, továbbadhatom tanítványaimnak.

Óriási hatása van a tanárokra. Hatalmas energiákat fordít napjainkban is arra, hogy saját eszközeivel minél jobban elősegítse a természettudományos kultúra terjesztését, annak pedagógiai reprezentációját. Sikeres hazai és nemzetközi konferenciák tucatjait szervezi, amelyeken a szakmai programok közt mindig szerepelnek olyan látogatások is, amelyek kuriózumoknak számítanak.

Mivel köszönthetem kedves professzoromat hetvenedik születésnapja alkalmából? Először is még legalább ugyanennyi boldog, dolgos évet kívánok, de talán örülni fog néhány kiragadott szemelvénynek a tudomány történetéből, amelyek az atomokkal kapcsolatosak, virágcsokor helyett.

Először Démokritosz ránk maradt töredéke:

Az atomisztikus elképzelések termékeny talajra találtak Lucretius Carus római költőnél, akitől a következő idézetek származnak:

Máshol így ír:

(Tóth Béla fordítása)

Jan Batiste van Helmont (1577-1644) jött rá arra, hogy az anyagoknak különböző halmazállapotai vannak és az ezekbe való átváltozások nem változtatják meg a minőségüket, és hogy nem minden, ami légnemű, azonos a levegővel. Felfedezte, hogy különböző gázok vannak, továbbá vizsgálta az oldódás folyamatát is.

Daniel Sennert (1572-1637) német orvos a kémiai és fizikai jelenségek oldaláról vetette fel az atomok létének kérdését. Elképzelése szerint az anyag igen kicsi, egyszerű, tovább már nem osztható részecskékből áll és ennek segítségével magyaráz számos jelenséget, mint például a párolgást, szublimációt, az oldódást. Ilyenkor az anyag összesűrített atomjai kiterjednek, szétoszlanak, míg kondenzáció esetében összesűrűsödnek. A fémek és a sók oldódása esetében az anyag olyan kis részecskékre oszlik, amelyeket már nem tudunk érzékelni. Az anyagok szaga is szükségszerűen feltételezi, hogy az igen kicsi részecskék elszabaduljanak belőle. Elképzelése az arisztotelészi és a démokritoszi kép között van, miszerint vannak elsőrendű atomok, a tűz, a levegő, a víz és a földatomok. (Figyeljük meg, hogy nemhogy a vizet elemnek tekintik még mindig, de még a levegőt is.) Vannak másodrendű atomok, ezekből állnak a négy elemből képzett összetett testek. A másodrendű atomok vegyüléseiből képződhetnek újabb testek. (Ebben akár az atomok és a molekulák megsejtését is láthatjuk.) Ezek a jelenségek azért érdekesek számunkra, mivel a tanítás során magyarázatuk közben megkérdőjelezhető a kisgyermekek fejében jelenlévő folyamatos anyagkép, amelyet a 6. évfolyam végére kell átalakítani a részecskeszemléletnek megfelelően.

Sennert nyomán egyre több híve lett az atomelméletnek, ám a hivatalos tudomány továbbra is az arisztotelészi tanokat hirdette. Érdekességként említjük meg, hogy 1624. augusztus 24-én Párizsban néhány tudós vitaülést akart szervezni, amelynek épp az atomelmélet védelme lett volna a célja. Azonban e tanokat a ma is híres párizsi egyetem, a Sorbonne tanári kara hamisnak nyilvánította. A kitűzött helyre a megadott időpontban már mintegy ezer érdeklődő gyűlt össze, a vita viszont elmaradt, mivel a megelőző éjszaka a rendező tudósok egy részét letartóztatták, más részük pedig elmenekült. A párizsi bíróság később kitiltotta őket a városból. A Sorbonne-on pedig még közel egy évszázadon keresztül esküt kellett tenni a tanároknak, hogy nem fognak a katedráról Arisztotelésszel ellentétes nézeteket hirdetni.

John Dalton (1766 -1844) jön rá arra, hogy ha két elem többféle vegyületet alkothat egymással, akkor az egyik elem azon mennyiségei, amelyek a másik elem ugyanazon mennyiségeivel képesek vegyülni, úgy aránylanak egymáshoz, mint a kicsiny egész számok. És ennek indoklására nyúl az atomelmélethez. Dalton atomelmélete azonban különbözik minden addigi atomelmélettől, mivel az mennyiségi értelmezést is ad!

Nézzünk egy egyszerű példát, mégpedig a szén kétféle oxidját! Az egyik vegyületben az oxigén tömegaránya 57,1 %, míg a másikban 72,7 % minden esetben. Köztes, avagy más arány nem található. Nézzük meg azonban azt, hogy azonos mennyiségű szenet alapul véve mekkora a kétféle vegyületben az oxigén mennyisége. Az azonos mennyiségű szén az egyszerűség kedvéért legyen éppen 12 g. Az egyik vegyületben ehhez 16 g oxigén kapcsolódik, míg a másikban 32 g. Vegyük észre, hogy ebben a felírási módban azonnal látszik az 1:2 arány!

Az atomok Dalton szerint az anyag legkisebb részecskéi. Ugyanazon elem atomjai minden tulajdonságban hasonlítanak egymáshoz, a különböző elemek atomjai azonban különbözőek. A vegyületek pedig az atomok egyesülésével jönnek létre és csak egész atomok egyesülhetnek. Ezzel válik érthetővé az állandó tömegarányok törvénye! A különböző elemek atomjainak tömege különböző. A vegyületek képződésénél megállapított tömegarányok nyilván az egyes atomok eltérő tömegének következményei.

A hidrogénre vonatkoztatott relatív atomtömegek jó közelítéssel egész számok. William Prout (1786-1850) angol orvos 1815-ben terjeszti elő azt az elképzelését, hogy a hidrogén ősanyag lehet. Hipotézise szerint ebből képződött a többi elem, mégpedig úgy, hogy azok atomjait több, minden esetben meghatározott hidrogénatom alkotja. Az elképzelés sokaknak tetszett, mai tudásunk szerint is nagyon közel jár a valósághoz, ám saját korában mégis feledésbe merült.

A 19. század második felében már sok elemet ismertek, amelyeket családokba rendeztek, de a családok egymással való kapcsolatáról nem sokat tudtak. A választ a napjainkban már jól ismert periódusos rendszer felismerése mutatta meg. Határozottan Mengyelejev mondta ki először 1869-ben kéthónapi töprengés után hipotézisét. A periódusos törvény rendívül merész általánosítás volt, miszerint az akkor még éppen elfogadott atomsúlyok és elemek természete közti összefüggést alapvető természeti törvényként állította be. Több addig fel nem fedezett elem tulajdonságait "jósolta" meg hipotézise alapján, amelyek később helyesnek bizonyultak.

Az atomelmélet legtöbb követője Dalton nyomán az atomokat oszthatatlan és változatlan részecskéknek, azaz egymásba semmiképpen át nem alakítható és kisebb részekre nem bontható egységeknek tartotta. Viszont a periódusos rendszerben mutatkozó szabályos ismétlődések nyilván csak úgy képzelhetők el, hogy az atomok kisebb alkotórészekből épülnek fel, valamilyen törvényszerűen ismétlődő csoportosulás szerint. Ugyanakkor még ezekben az évtizedekben vannak olyanok, akik kételkednek az atomok létében is, és vannak akik tovább akarják osztani még elemibb részekre. Végül is ez utóbbiaknak lesz igaza, hiszen a 19. század végén felfedezik az elektront, majd néhány évtized alatt megismerik az atom szerkezetét, amelynek alapgondolatai napjainkban már minden iskolában tananyag Magyarországon. Sőt a kvantummechanika alapgondolatát és annak alkalmazását, a leptonszám és a barionszám megmaradási törvénnyel együtt, is ott találjuk több tankönyv lapjain, amely az ünnepelt érdeme!

További jó egészséget és boldog születésnapot kívánok