Svět molekul a atomů

Předměty okolního světa nazýváme ve fyzice tělesa a ta jsou vytvořena z látek různého skupenství - pevného skupenství, kapalného skupenství, plynného skupenství a plazmy. Tělesa se nám jeví jako spojitá, nepozorujeme žádnou vnitřní strukturu a lze je dělit na menší a menší části.

Příklady těles: krystal, kovový drát, voda v nádrži, neon v zářivce, plamen svíčky, …

Uvedená čtyři skupenství mimochodem velice dobře odpovídají čtyřem živlům antických myslitelů - země, voda, vzduch a oheň.

Při zmíněném dělení těles dospějeme k jisté technické mezi. Naše oko ještě rozliší tělíska pod zorným úhlem , tj. tělísko o velikosti 0,07 mm pozorované z konvenční zrakové vzdálenosti 25 cm. Koncem 16. století byl v Holandsku vynalezen mikroskop, který dnes umožňuje dosáhnout až 2000-násobné zvětšení. Jeho rozlišovací schopnost je silně omezena difrakcí použitého elektromagnetického záření, takže mikroskopem rozeznáme nejmenší předměty o velikosti řádově , kde  je vlnová délka viditelné části spektra. Mikroskop tedy odhalí svět bakterií, ale svět atomů a molekul zůstává skryt.

Kvantová fyzika zjistila, že i částice (např. elektrony nebo ionty) projevují vlnové vlastnosti. To umožnilo konstrukci elektronového mikroskopu a iontového mikroskopu, v němž je světelný paprsek nahrazen svazkem urychlených částic. Díky tomu tyto mikroskopy dosahují až 100000-násobeného zvětšení. Elektronové mikroskopy umožnily pozorovat viry. Pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu se podařilo dosáhnout rozlišení 0,2 nm, pozorovat jednotlivé atomy v krystalech a dokonce jimi i manipulovat. Tak bylo možné ověřit řádovou velikost atomu.

Schématicky je tento stav poznání zobrazen na obr. 2. V horní části obrázku jsou uvedené rozměry, pod nimi přístroj, který je schopen objekty s těmito rozměry dobře rozlišit, a příklady objektů s danými rozměry.

Obr. 2

První zmínky o struktuře hmoty se objevují u řeckých filosofů, kteří svým učením vytvořili nový filosofický směr - atomismus: Leukippos z Mílétu, Démokritos z Abdéry a Epikúros ze Samu.

Démokritos na myšlenku atomismu přišel údajně tak, že ležel v posteli a ve vedlejší místnosti pekla jeho sestra chléb. A on přemýšlel, jak je možné, že se vůně chleba dostala až k němu. Představoval si bochníky chleba složené z drobných částeček, které se od celku odtrhnou a pohybují se vzduchem, až doputují k němu.

Atomisté vycházeli z předpokladu, že látku není možné dělit do nekonečna a že musí existovat konečné, nepatrné, okem neviditelné, kompaktní, tvrdé a dále nedělitelné částečky - atomy (atomos = nedělitelný), které se nacházejí v prázdném prostoru. Obě tyto složky jsou věčné a přechod mezi nimi není možný. Veškeré přírodní, psychické a společenské dění spočívá ve spojování, srážení, postrkávání a rozpojování atomů lišících se navzájem tvarem (kulaté, hranaté, udicovité, …) a hmotností. Vlastnosti látek závisejí na druhu atomů, z nichž jsou složeny, i na jejich uspořádání. Na antický atomismus navázali někteří fyzici a filozofové novověku, ale protože neexistoval žádný experimentální důkaz existence atomů, šlo o přírodně filozofickou spekulaci.

Na učení atomistů později navázal římský básník Lucretius Cara (asi 97 - 55 př. n. l.), který soustředil nejúplnější výklad starověkého atomismu ve svém díle De rerum natura (O přírodě).

Téměř 2000 let zůstal Lucretiův epos o stavbě hmoty nepřekonán. Proti atomům jako pevným částicím, které se při svém pohybu nikdy neopotřebují, nenamítal nic ani Isaac Newton. Teprve na přelomu osmnáctého a devatenáctého století byl antický model zpřesněn anglickým fyzikem a chemikem Johnem Daltonem (1766 - 1844) a vzniká tzv. atomismus chemický. Dalton zjišťuje, že se chemické prvky neslučují v libovolných množstvích, ale jen v určitých stálých hmotnostních poměrech. To lze vysvětlit tak, že se atomy jednotlivých prvků spojují v molekuly jakožto nejmenší částice chemických sloučenin.

Např. molekula vody  vznikne sloučením dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. Z 51 atomů vodíku a 30 atomů kyslíků vznikne pouze 25 molekul vody. Vždy musí být zachován poměr počtu atomů vodíku a kyslíku 2:1.

Makroskopická tělesa nejsou spojitá, ale mají přetržitou strukturu. Skládají se z molekul, jako nejmenších částic chemických sloučenin. Molekuly se skládají z atomů, jako nejmenších částic chemických prvků.

Studiem chemických reakcí je možné stanovit relativní atomové hmotnosti prvků , relativní molekulové hmotnosti molekul . Vztahujeme je k atomové hmotnostní konstantě (tzv. mass unit) , která je definována jako jedna dvanáctina klidové hmotnosti nuklidu uhlíku . Platí: .

Klíč do světa atomů a molekul poskytuje Avogadrova konstanta. Na základě ní je možné vypočítat rozměry a hmotnosti atomů a molekul, elektrický náboj iontů, energii uvolňovanou při chemických reakcích mezi jednotlivými atomy a tím i velikost sil, které drží atomy v molekulách. Umožňuje udělat si představu o obrovském počtu částic, z nichž se látka skládá a tím i o měřítcích mikrosvěta.

Pro získání velmi hrubé představy, kolik částic makroskopická tělesa obsahují, několik příkladů:

bude-li se z kapky vody o objemu  odpařovat každou sekundu milion molekul, bude se celá kapka odpařovat déle než milion let;

seřadíme-li všechny atomy obsažené v 1 kg železa těsně vedle sebe do řady, bude délka této řady bilion kilometrů;

vlijeme-li jeden litr označených molekul vody do světového oceánu a důkladně zamícháme, nalezneme v každém litru oceánské vody 30 tisíc původních molekul (objem vody v oceánech se odhaduje na );

vypustí-li motýlí sameček 1 mg feromonu () do vzduchu o objemu , najde samička v každém litru vzduchu milion molekul této látky;

…