Forrás: Középiskolai Mathematikai és Fizikai Lapok I. éf. 2. szám

Az atomok világában.

A mai tudomány molekula- és atomfogalma lényegesen különbözik attól, amelyet még apáink tanultak az iskolában. A halmazállapottal kapcsolatos jelenségek, a hőjelenségek, a gázak viselkedése és főképen a vegyi folyamatok magyarázatára alkották meg a molekula és atom fogal­mát, azonban az egész gondolatkör áthatolhatatlan, sűrű homályba volt burkolva. A molekulát sehol sem lehetett igazán megfogni. Elég jól és szemléletesen lehetett vele a jelenségeket megmagyarázni, nyújtott sok érdekes és értékes szempontot, azonban nagyjában úgy voltunk vele, mint pl. a kétfolyadékos Symmer-féle elektromos hipotézissel. A XIX. század végén egynéhány igen jelentékeny gondolkodó (Mach, Stall, Ostwald stb.) a leghatározottabban állást foglal ellene. Rossz hipotézisnek tartják, amelynek alapján megmaradunk, mert nincs jobb. A molekuláris elmélet egyszerű munkahipotézis és semmi egyéb, nem vezet bennünket igazán közelebb a természet nagy misztériumainak megfejtéséhez.

Az utolsó évtizedek azonban lényegesen megváltoztatták ezt a felfogást. A mai atomelmélet már nem az a határozatlan, félig metafizikai koncepció, amely oly élénken emlékeztet Demokritos vagy Lucretius atomizmusára, hanem a szó legszorosabb értelmében vitt természettudományi fiziko-kémiai elmélet. Midőn ma a hidrogénatomról beszélünk, egész pontosan és határozottan tudjuk, mit kell rajta érteni : ismerjük a tömegét, a térfogatát, tudjuk, hogy pl. 1 liter gázban hány van belőle, tudjuk, hogy milyen sebesen mozog, hányszor ütközik össze egy másod­perc alatt, szóval nem vértelen absztrakció többé, hanem megfogható, érzékelhető valóság.

Kétségtelen, hogy ez az állításom mindenkit, aki azt először hallja, bámulatba fog ejteni. És valóban csodálatos az az éleselméjűség, amellyel a kutatók ezt a rendkívül bonyolódott, finom, kényes probléma­kört megvilágították. A természettudományok heroikus korszaka nem ért véget. Nekünk is megvannak a magunk Galileijei és Newtonjai, akikre késő évszázadok múlva is csodálattal vegyes tisztelettel fognak emlé­kezni. És amidőn fesztelen megbeszélések kapcsán olvasóinkat vázlatosan megismertetjük az itt felmerült kérdésekkel, módszerekkel és eredmé­nyekkel, kettős célt akarunk elérni. Nemcsak új ismeretanyagot akarunk nyújtani, hanem egyben fel akarjuk a lelkekben kelteni a lelkesedést, a tiszteletet, a szeretetet a nagy emberek és a nagy gondolatok, a munka, a kitartó küzdelem, az igazság, a szellem, szóval ama logikai, esztétikai és etikai kategóriák iránt, amelyek érdemessé teszik az életet arra, hogy végigéljük.

Különös tekintettel akarok lenni a módszerekre, mert hisz a ma eredményeit mindenesetre túlszárnyalják a holnap vívmányai. Ellenben a tudomány élő, fejlődő organizmus és az élet, a fejlődés lehetőségei a módszerektől függenek. Úgy, hogy tulajdonképeni problemánk az lesz, hogy mily módszerekkel sikerült a végtelen kicsinyek világába behatolni. A rendelkezésemre álló tér szűk volta következtében természetesen csak vázlatot nyújthatok, ellenben elértem célomat, ha olvasóim e sorok hatása alatt tanulmányozni fogják az idevonatkozó irodalmat, amelynek főbb termékeire a megfelelő helyekén mindenkor utalni fogok.

Első kérdésünk tehát a következő: a bevezetésben úgy beszéltünk a hidrogénatomról, mint megfogható egyedről. Hát igazán lehet a hidrogén­atomot látni? Az ember rögtön arra gondol, hogy talán jó mikroszkóppal célt fogunk érni, vagy ha ezzel nem, talán az ultramikroszkóppal?

Hogy a kérdésre felelhessünk, becsüljük előbb meg a molekulák nagyságát. Vegyünk valamilyen anyagot és bontsuk oly kicsiny részekre, amint csak lehet. Ha nem is jutunk ily módon el a molekulákhoz, meg fogunk tudni számukra állapítani egy felső határt, ami viszont direkt láthatóságukra vonatkozólag közvetlen felvilágosítást fog adni.

Mint ismeretes, az aranyművesek kalapálással elő tudnak állítani oly vékony lemezeket, hogy az arany átlátszóvá lesz, a fény zöldesen hatol át rajta. A lemez vastagsága oly csekély, hogy 10,000 ily lemez tesz ki 1 millimétert és a réteg mégis folytonos, sőt ha a kalapálás nem szakítaná szét, még tovább is lehetne vékonyítani. Az aranymolekulák átmérője tehát mindenesetre kisebb, mint 1/10 mikron (µ), azaz a centiméter százezredrésze, tömege pedig mindenesetre kisebb, mint 10-14 gramm.

Ámde vannak anyagok, amelyelvnek oszthatósága még tovább fokoz­ható. Gondoljunk csak az illatszerekre vagy arra, hogy mily rendkívül kis mennyiségek elegendők arra, hogy a szpektroszkopban az illető anyag fényes csíkjai megjelenjenek. Az itt számbajövő jelenségek közül kettőről fogunk kissé részletesebben szólni: a szappanbuborékokról és a vízen elő­állítható vékony olajhártyákról.

A "vékony lemezek" színeinek ismertetésénél mindenki foglalkozott a szappanbuborékokkal. Tudjuk, hogy a buborékon szétszakadás előtt fekete foltok mutatkoznak. Ha pl. hüvelyk- és mutatóujjunkkal gyűrűt csinálunk és kezeinket szappanos vízbe mártjuk, a gyűrűn szappan­hártya fog kifeszülni. Ha most kezünket úgy tartjuk, hogy a gyűrű síkja függőleges legyen, a folyadék lassan le fog folyni és a hártya felső része folytonosan vékonyodik (Perrin). A vékonyodást színváltozás kíséri. El­szakadás előtt az egész felső rész feketének látszik és jelenlétét csak abból vehetjük észre, hogy a fényt gyengén visszaveri. Ezt a durva kísérletet J. Dewar végezte el nagy gonddal; finom keretekkel dolgozott zárt térben (hogy a párolgást megakadályozza) és sikerült elérni, hogy ezek a fekete hártyák napokig, sőt hónapokig megmaradtak. Perrin és Wells a visszavert fény mennyiségéből meghatározták a hártya vastag­ságát és azt találták, hogy a legvékonyabb hártya vastagsága nem több, mint 4 · 5 µµ (4 · 5.10-7 cm). Az aranylemez vastagsága tehát még nagyon messze volt a molekulaméretektől, a molekula átmérője a kísérlet tanú­sága szerint mindenesetre kisebb, mint 4 · 5 millimikron, tömege tehát kisebb mint a gramm trilliomodrészének a fele (1/2 · 10-18 gramm).

A másik idevonatkozó kísérletsorozat az olajhártyákra vonatkozik. Ismeretes, hogy a vízre öntött olaj azon rögtön szétterül és a felületen vékony hártyát ad. Lord Rayleigh foglalkozott ezekkel a vékony hártyákkal. Ha a tiszta víz felületére kis kámfordarabkákat dobunk, ezek (az oldás­nál fellépő felületi feszültségváltozások következtében) ide-odatáncolnak a felületen, ha azonban a felület zsíros vagy olajos, a kámfordarabkák nyugalomban maradnak. Mármost Lord Rayleigh akkora csepp olajat cseppentett egy nagy edényben levő tiszta víz felületére, hogy a kámfor­darabkák sehol se ugráljanak, vagyis hogy a hártya egyenletesen bevonja a felületet. Mivel ismerte az olajcsepp térfogatát és a víz felületének nagyságát, ki tudta számítani az olajhártya vastagságát. A legvékonyabb ily hártya vastagságát 2 millimikronnak találta. Későbben Devaux még tökéletesítette ezt az eljárást és előállított oly hártyákat, amelyeknek vastagsága nem volt több, mint 1 · 1 millimikron. A nagy olajmolekulák (C57 H104 C6) tömege tehát mindenesetre kevesebb, mint a milligramm trilliomodrésze és így az ezerszerte kisebb hidrogénatom tömege nem lehet nagyobb, mint a gramm kvadrilliomodrésze (10-24).

Ezekből az előzetes kísérletekből láthatjuk, hogy a molekulaméretek mindenesetre rendkívül kicsinyek, nagyságrendjük kevesebb a milli­mikronnál, vagyis a milliméter milliomodrészénél. Úgy hogy most már határozott választ tudunk adni arra a kérdésünkre, hogy vajjon a mikrosz­kópok folytonos tökéletesbedésével nem fogjuk-e valaha a molekulákat és az atomokat közvetlenül láthatni. Az eredmény - sajnos - nem­leges. Soha sem leszünk abban a helyzetben, hogy közvetlenül észlel­hessük a molekulát a mikroszkóp látómezejében. És pedig nem azért, mert a mikroszkóp nem elég hatékony, hanem, mert ez egyszerűen a fény mivoltánál fogva lehetetlen. A testek u. i. azáltal válnak láthatókká, hogy optikai tulajdonságaik (elnyelőképesség, törésmutató s, i. t.) külön­böznek a környezet optikai tulajdonságaitól. A mikroszkóp látómezejében levő sejt vagy más apró tárgy átlátszatlan és így akadályul szolgál a fény számára, visszaveri, szétszórja, elhajlítja a reáeső fényt és azáltal lesz láthatóvá. Azonban, mint tudjuk, a fény hullámokban terjed tova, oly hullámokban, amelyeknek nagyságrendje 1/2 mikron körül fekszik. Világos tehát, hogy ha az akadály jóval kisebb, mint a fény hullám­hossza, úgy a fény egyszerűen megkerüli és így a tárgy láthatatlan marad. A mikroszkópban tehát az 1/10 µ nagyságú tárgyak már nem lát­hatók többé.

Az ú. n. ultramikroszkópikus eljárással (Siedentopf-Zsigmondy) jóval kisebb tárgyak jelenlétét is ki lehet mutatni. Hogy miben áll az ultramikroszkóp lényege, könnyen megérthetjük. A világos szobában nem látjuk a levegőben úszkáló porszemeket, ellenben, ha a nap besüt, a napsugarakban egészen jól követhetjük oly kicsiny porszemek mozgását is, amelyek kicsinységüknél fogva szabadszemmel egyáltalán nem volná­nak láthatók. A porszemcsék u. i. elhajlítják a reájuk eső napsugarakat és ha ez az elhajlított fény a szembe jő, a szemcse láthatóvá lesz. Ezt a jelenséget használjuk fel az ultramikroszkópnál. Erős fénynyalábot vetünk a megvizsgálandó térbe és az esetleg elhajlított sugarakat az eredeti fénysugarakra merőleges irányban, mikroszkópon át szemléljük. Ilyen berendezés mellett rendkívül kis tárgyak jelenlétét is kimutathatjuk. Természetesen a tárgyat nem látjuk, sem alakját, sem nagyságát nem vesszük ki, csak jelenlétéről veszünk ily módon tudomást. Ezzel a be­rendezéssel jelentékenyen fokozhatjuk a láthatóságot, egészen 1/100 mikronig, ha azonban a test még ennél is kisebb, az elhajlított fény nem elég erős többé ahhoz, hogy a tárgy jelenlétét hírül adja.

Ezek alapján tehát kimondhatjuk, hogy mivel a molekulaméretek felső határa 1 millimikron, semmi kilátásunk sincs arra, hogy őket akár a mikroszkópban, akár az ultramikroszkópban direkte megfigyelhessük. Ennélfogva hosszú és fáradságos úton kell a közvetett bizonyítékokat összegyűjteni, felhalmozni, összehasonlítani. A módszerek általános jellem­zését nem nehéz megadni. Az egyes molekula rendkívül kicsiny, hatása nem észlelhető, ellenben sok molekula együttesen véges, mérhető hatá­sokat fejt ki. Ezek a hatások meghatározott törvények szerint mennek végbe. Világos tehát, hogy ha ismerjük a hatás törvényeit és megmérjük magukat a hatásokat, következtetést vonhatunk a ható egyedekre, azok­nak, minden tulajdonságára. A feladat természete olyan, mint amilyet Leverrier oldott meg, mikor az Uranus bolygó perturbációiból a gravi­tációs törvény alapján kiszámította a Neptun tömegét, helyzetét és pálya­elemeit. És amint ezen klasszikus probléma egyik legnagyobb eredménye az emberi elmének, úgy ez az új tudományos rendszer a maga szellemes nagyszerűségében méltó betetőzése annak a nagy fellendülésnek, amelyet a tudományok újjászületésének szoktak nevezni.

Budapest.

Erdős Lajos,
reálgimn, tanár.