Polityka - nr 38 (2470) z dnia 2004-09-18; Polityka. Niezbędnik Inteligenta; s. 22-26

Fizyka

Sławomir Mizerski

Stwórcy materii

Rozmowa z profesorem Adamem Sobiczewskim

Sławomir Mizerski: – Panie profesorze, siedzimy sobie obaj, obok jest stół, książki, lampa, dyktafon. Obiekty zupełnie różne, chociaż wszystkie je łączy fakt, że podobnie jak my dwaj są zbudowane z atomów różnych pierwiastków. Skąd się wzięły pierwiastki?

Adam Sobiczewski: – Te najlżejsze (wodór i hel) powstały prawdopodobnie bezpośrednio w wyniku Wielkiego Wybuchu. Cięższe zaczęły być wytwarzane wewnątrz gwiazd dużo później, około miliarda lat po Wielkim Wybuchu, gdy powstały gwiazdy. Właśnie gwiazdy są „wytwórniami” pierwiastków.

Czy wszędzie we Wszechświecie występują te same pierwiastki?

To było kiedyś bardzo ważne pytanie. Odpowiedź na nie uzyskano, gdy zaczęły się badania spektroskopowe pierwiastków, które jak wiadomo emitują fale różnej długości, co – w zakresie widzialnym – oznacza różne barwy. Badając widmo promieniowania, np. gwiazdy, możemy powiedzieć, jakie tam są pierwiastki. I w tym promieniowaniu obserwujemy te, które znamy, bo występują one na Ziemi. Mogą jedynie w różnych miejscach Wszechświata występować w odmiennych proporcjach. We Wszechświecie najwięcej jest wodoru i helu. Na Ziemi jest także dużo wodoru, podstawowego składnika wody, więcej jednak jest takich pierwiastków jak tlen i krzem.

W szkole uczyliśmy się, że w przyrodzie istnieją 92 pierwiastki usystematyzowane w tablicy Mendelejewa.

Owszem, chociaż jeśli idzie o ścisłość, to na Ziemi nie występują w sposób naturalny technet i promet. Trzeba było te pierwiastki wytworzyć sztucznie, na drodze przemian jądrowych. Kiedy Mendelejew tworzył swoją tablicę, sporo z tych 92 pierwiastków nie było jeszcze znanych. Badając empirycznie własności pierwiastków i układając swoją tablicę zorientował się on, że są w niej miejsca, których nie umie wypełnić żadnym ze znanych mu pierwiastków. To zachęciło naukowców do ich poszukiwania, zwłaszcza że według Mendelejewa miały one dobrze określone własności. Były zatem wskazania, gdzie, w jakich związkach ich szukać. No i znaleziono. Dzisiaj tablica Mendelejewa nie ma „dziur”.

Dlaczego na Ziemi występuje te 90 pierwiastków? Czy wynika to z ich trwałości?

Dokładniej z trwałości jąder ich atomów. Trwałe są wszystkie z wyjątkiem technetu i prometu, a także z wyjątkiem pierwiastków znajdujących się w tablicy powyżej ołowiu. Jeszcze trzy lata temu powiedziałbym, że powyżej bizmutu, ale w międzyczasie zaobserwowano, choć bardzo powolny, rozpad bizmutu.

Na drugim biegunie są pierwiastki o niezwykle trwałych jądrach?

Tak. Np. rozpadu ołowiu 208 nikt nigdy nie widział. Tu mamy do czynienia z czasem życia dłuższym niż wiele miliardów bilionów lat. W stosunku do takich okresów całe istnienie Wszechświata to tylko mgnienie oka. Trzeba jednak dodać, że trwałe jądra mają tylko określone izotopy tych pierwiastków. Bo każdy pierwiastek ma też wiele nietrwałych izotopów (izotopy to odmiany tego samego pierwiastka różniące się od siebie liczbą neutronów – przyp. red.). Trwałych pierwiastków na Ziemi jest 80, a razem z torem i uranem – 82. Natomiast wszystkich znanych izotopów, w większości wytworzonych sztucznie przez człowieka, jest obecnie ok. 3 tys.

Jądro daje znać

Istnienie jądra atomu jako pierwszy wykazał w 1911 r. fizyk Ernest Rutheford. Jak doszło do tego odkrycia?

Jego eksperyment polegał na bombardowaniu cienkiej metalowej folii naładowanymi dodatnio cząstkami alfa, emitowanymi przez substancje radioaktywne. W trakcie doświadczenia stwierdził, że cząstki przechodzą przez foliową tarczę niemal bez przeszkód, jednak niektóre z nich są rozpraszane przez bardzo małe centrum atomu. Rutheford zaproponował model atomu, w którym lekkie, ujemnie naładowane elektrony krążą niby planety wokół dodatnio naładowanego jądra. To właśnie w tym jądrze skupia się prawie cała masa atomu, chociaż jest ono bardzo małe.

Jak się ma jego wielkość do rozmiarów całego atomu?

Gdyby atom powiększyć do rozmiarów boiska piłkarskiego, jego jądro będzie miało wielkość zaledwie ziarenka ryżu. Krążące wokół jądra elektrony, ich układ i liczba, a także ich oddziaływanie z elektronami innych atomów decydują o całym bogactwie materii, jaką mamy wokół siebie.

Skoro atom jest wielką pustką z malutkim jądrem w środku, dlaczego stół, przy którym siedzimy, pozostaje mimo wszystko twardy?

Właśnie dzięki oddziaływaniom między sobą elektronów poszczególnych atomów. Inaczej mówiąc, dzięki siłom elektromagnetycznym, które są wystarczające, aby materia miała właś...

[pełna treść dostępna dla abonentów Polityki Cyfrowej]

Tagi

Sobiczewski Adam, rozmowa, fizyka jądrowa, "Niezbędnik inteligenta"