ΑΤΟΜΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

ΤΟ 4% ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ - Η ΥΛΗ- ΕΙΝΑΙ ΦΤΙΑΓΜΕΝΗ ΑΠΟ ΑΤΟΜΑ

Εάν σε κάποιο κατακλυσμό, όλη η επιστημονική γνώση επρόκειτο να χαθεί, και μόνο μια φράση περνούσε στις επόμενες γενιές, ποιά θα ήταν αυτή , ώστε να περιείχε την μεγαλύτερη δυνατή πληροφορία ,σε λίγες λέξεις; Αναμφίβολα αυτή θα ήταν η ατομική υπόθεση (ή το ατομικό γεγονός ή όπως αλλιώς θα το αποκαλούσατε), ότι όλα τα πράγματα είναι φτιαγμένα από άτομα- δηλαδή από μικρά σωματίδια πού κινούνται διαρκώς έλκοντας το ένα με το άλλο όταν βρίσκονται σε μικρή απόσταση με το άλλο, αλλά και αλληλοαπωθούμενα, αν συμπιεζόταν το ένα με το άλλο μεταξύ τους.

Σήμερα σύμφωνα με τελευταίες διαπιστώσεις θεωρούμε ότι το σύμπαν στο οποίο ζούμε αποτελείται μόνο κατά 4% από ύλη όπως την γνωρίζουμε ,από 23% από σκοτεινή ύλη (δηλαδή δεν μπορούμε να την δούμε καθώς δεν αλληλεπιδρά με το φώς ,αλλά την βαρυτική της αλληλεπίδραση την αισθανόμαστε) και κατά 73% από σκοτεινή ενέργεια (την οποία ακόμη δεν μπορούμε να κατανοήσουμε).

Επομένως μόνο το 4% του σύμπαντος αποτελείται από υλικά άτομα (ατομική υπόθεση). Εάν παρατηρούσαμε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μια σταγόνα νερού σε μεγέθυνση 1.000.000.000 φορές θα βλέπαμε  2 είδη σωματιδίων, τα μεγαλύτερα από αυτά τα άτομα οξυγόνου και τα μικρότερα  τα άτομα υδρογόνου με 2 άτομα υδρογόνου κολλημένα σε ένα κάθε άτομο οξυγόνου. Κάθε οξυγόνο με τα 2 του υδρογόνα προσκολλημένα σε αυτό αποτελεί ένα μόριο νερού. Γενικά τα πραγματικά μόρια – σωματίδια στην φύση κινούνται και περιστρέφοντα συνεχώς προς κάθε κατεύθυνση αλληλοσυγκρουόμενα, ελκόμενα μεταξύ τους σε μικρές αποστάσεις το ένα από το άλλο ενώ, αν προσπαθούσαμε να τα συμπιέσουμε φέρνοντας σε ακόμη μικρότερες αποστάσεις το ένα με το άλλο, αυτά απωθούνται βιαίως μεταξύ τους.

Οι ατομικές ακτίνες είναι 1 με 2Χ10^-10 m. Τώρα 10^-10 m ονομάζεται angstrom, έτσι οι ατομικές ακτίνες είναι 1 με 2 angstroms (A) η κάθε μία. Ένας άλλος τρόπος να θυμούμαστε το μέγεθός τους είναι ο ακόλουθος: Εάν ένα μήλο μεγεθυνθεί στο μέγεθος της Γης, τότε τα άτομα στο μήλο έχουν προσεγγιστικά το μέγεθος του μήλου.

Τώρα φαντάσου αυτή τη μεγάλη σταγόνα νερού με όλα αυτά τα κινούμενα σωματίδια σε αυτή. Το νερό διατηρεί τον όγκο του, δεν διαχωρίζεται σε άλλες μικρότερες εξ αιτίας της έλξης των μορίων μεταξύ τους. Εάν την σταγόνα νερού την  βάλουμε σε επίπεδο υπό μικρή κλίση όπου αυτή μπορεί να μετακινηθεί από το ένα σημείο στο άλλο, η σταγόνα θα ρέει, αλλά δεν θα εξαφανιστεί ακριβώς, τα μόρια της δεν παύουν να είναι μαζί, εξ αιτίας της μοριακής έλξης. Τώρα η ακανόνιστη κίνηση των μορίων, είναι αυτό πού λέμε θερμότητα. Όταν αυξάνουμε την θερμοκρασία, αυξάνουμε το πλάτος της ακανόνιστης κίνησης των μορίων στην σταγόνα. Εάν θερμάνουμε την σταγόνα του νερού, η ακανόνιστη κίνηση των μορίων γίνεται πιο έντονη, και ο όγκος μεταξύ των ατόμων αυξάνεται, και εάν η θέρμανση συνεχιστεί, τότε έρχεται μία στιγμή πού η έλξη μεταξύ των μορίων δεν είναι αρκετή για να τα κρατά μαζί, και τότε πραγματικά διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Φυσικά αυτή η διαδικασία, είναι ο τρόπος για να φτιάξουμε ατμό από το νερό, αυξάνοντας την θερμοκρασία τα μόρια ξεφεύγουν το ένα από το άλλο λόγω αύξησης του πλάτους της ακανόνιστης κίνησης των μορίων πέρα από ένα οριακό σημείο.

Αν είχαμε ατμό σε ένα δωμάτιο, σε συνηθισμένη ατμοσφαιρική πίεση, τότε θα βλέπαμε μόνο μερικά μόρια  ατμού ελεύθερα και μακριά το ένα από το άλλο, και θα τα διακρίναμε πιο καθαρά από ότι στο υγρό νερό. Πιο απλά, τα άτομα σε κάθε μόριο νερού, θα σχημάτιζαν γωνία 120⁰ μεταξύ τους. Ακριβέστερα η γωνία είναι 105⁰3^’, και η απόσταση μεταξύ του κέντρου ενός ατόμου Υδρογόνου και του κέντρου ενός ατόμου Οξυγόνου είναι 0.957 Α, έτσι γνωρίζουμε αυτό το μόριο πολύ καλά.

Ας δούμε ποιες είναι οι ιδιότητες του ατμού ή ενός άλλου αερίου. Αν είχαμε ένα αέριο μέσα σε ένα κυλινδρικό δοχείο κλεισμένο με ένα πιστόνι ικανό να κινείται πάνω-κάτω σε αυτό, τότε τα μόρια του αερίου όντας ελεύθερα και χωρίς τη μοριακή έλξη θα κτυπούσαν τα τοιχώματα του δοχείου σε τυχαίες διευθύνσεις συνεχώς. Αυτά, όταν χτυπούν  τα τοιχώματα του δοχείου τείνουν να απωθήσουν τα τοιχώματα, άρα και το πιστόνι προς τα έξω. Φυσικά, πρέπει εμείς να πιέζουμε το πιστόνι προς την αντίθετη κατεύθυνση, προς τα μέσα. Δηλαδή για να περιορίζουμε σε μικρό χώρο ένα αέριο πρέπει να  του ασκούμε πίεση. Στην περίπτωσή μας δεν παίζει ρόλο πιο είναι το σχήμα των μορίων του ατμού, θα θεωρήσουμε ότι τα μόρια έχουν το σχήμα μικρών σφαιρών σαν τις μπάλες του τένις. Αυτά τα μόρια αερίου είναι σε διαρκή τυχαία κίνηση προς όλες τις κατευθύνσεις. Τόσο πολλά από αυτά χτυπούν τα τοιχώματα και το πιστόνι όλη την ώρα, πού είμαστε αναγκασμένοι υπομονετικά για να αποφύγουμε ένα πιθανό πέταγμα του πιστονιού προς τα πάνω, πρέπει να κρατούμε σταθερά πιέζοντάς το προς τα κάτω, με ορισμένη δύναμη, ασκώντας του δηλαδή πίεση (πίεση Χ επιφάνεια = Δύναμη). Πιο ξεκάθαρα, η δύναμη είναι ανάλογη με την επιφάνεια, γιατί εάν αυξήσουμε την επιφάνεια, αλλά κρατήσουμε τον αριθμό των μορίων/κυβικό εκατοστό σταθερό, αυξάνουμε τον αριθμό των ελαστικών κρούσεων των μορίων του αερίου με το πιστόνι στην ίδια αναλογία με αυτήν της αύξησης της επιφάνειας.
Τώρα ας βάλουμε διπλάσιο αριθμό μορίων στο δοχείο, έτσι ώστε να διπλασιασθεί η πυκνότητα του αερίου και ας θεωρήσουμε τα μόρια του αερίου έχουν την ίδια μέση ταχύτητα, δηλαδή την ίδια θερμοκρασία. Τότε κατά προσέγγιση, ο αριθμός των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων θα διπλασιασθεί, και αφού κάθε μόριο είναι το ίδιο δραστήριο όπως και πριν, η πίεση του αερίου είναι ανάλογη της πυκνότητας. Αν εξετάσουμε την φύση των δυνάμεων μεταξύ των ατόμων, θα περιμέναμε μια μικρή μείωση στην πίεση λόγω της έλξης μεταξύ των ατόμων, και μια μικρή αύξηση σε αυτή λόγω του πεπερασμένου όγκου τον οποίο αυτά καταλαμβάνουν. Έτσι, σε μεγάλη προσέγγιση, εάν η πυκνότητα είναι μικρή αρκετά, ώστε να μην υπάρχουν πολλά άτομα, τότε η πίεση είναι ανάλογη της πυκνότητας.

Μπορούμε να δούμε ακόμη και κάτι άλλο: Αν αυξήσουμε την θερμοκρασία χωρίς να αλλάξουμε την πυκνότητα του αερίου π.χ., αν αυξήσουμε την μέση ταχύτητα των ατόμων, τότε τι θα συμβεί στην πίεση; Λοιπόν τα άτομα θα συγκρούονται πιο δυνατά γιατί κινούνται ταχύτερα, και επί πλέον συγκρούονται πιο συχνά, έτσι λοιπόν η πίεση αυξάνει. Βλέπουμε λοιπόν πόσο απλές είναι οι αρχές της ατομικής θεωρίας.

Ας θεωρήσουμε μία άλλη περίπτωση. Υποθέστε ότι το πιστόνι κινείται προς τα μέσα, έτσι ώστε τα άτομα συμπιέζονται αργά σε μικρότερο χώρο. Τι συμβαίνει εάν ένα άτομο κτυπήσει το κινούμενο πιστόνι; Προφανώς αυξάνει την ταχύτητά του μετά την σύγκρουση. Αν π.χ. πειραματιστείτε  ρίχνοντας μία μπάλα του πιγκ-πόγκ σε ένα κινούμενο τοίχωμα θα δείτε ότι αυτή ανακλάται με μεγαλύτερη ταχύτητα από εκείνη με την οποία προσέκρουσε στο κινούμενο τοίχωμα. (Ειδική περίπτωση: Εάν ένα άτομο συμβεί να είναι αρχικά ακίνητο, και το κινούμενο πιστόνι το κτυπήσει, βέβαιο είναι ότι το άτομο θα κινηθεί). Δηλαδή τα άτομα είναι πιο «θερμά» όταν απομακρύνονται από το πιστόνι, από ότι ήταν πριν το κτυπήσουν. Για αυτό, όλα τα άτομα που βρίσκονται μέσα στο δοχείο θα έχουν αποκτήσει ταχύτητα. Αυτό σημαίνει ότι εάν συμπιέσουμε αργά ένα αέριο, η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται. Έτσι κάτω από συνθήκες αργής συμπίεσης, ένα αέριο αυξάνει την θερμοκρασία του, ενώ εάν το αέριο εκτονωθεί αργά, τότε η θερμοκρασία του θα μειωθεί. 

Ας επιστρέψουμε στην σταγόνα νερού μας και ας εξετάσουμε κάτι άλλο. Ας υποθέσουμε ότι κατεβάζουμε την θερμοκρασία της σταγόνας νερού μας. Υποθέτουμε ότι η άτακτη κίνηση προς όλες τις διευθύνσεις των μορίων των ατόμων στο νερό, σταθερά μειώνεται. Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων, έτσι ώστε  μετά από λίγο δεν θα κινούνται τόσο έντονα άτακτα. Το τι συμβαίνει σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες το βλέπουμε, τα μόρια του νερού κλειδώνουν σε μια νέα μορφή πού είναι ο πάγος. Το ενδιαφέρον χαρακτηριστικό για τον πάγο είναι ότι κάθε άτομο σε αυτόν, έχει μία καθορισμένη θέση και ότι μπορούμε πολύ εύκολα να εκτιμήσουμε ότι με τον ένα η τον άλλο τρόπο, ότι κρατάμε όλα τα άτομα στην μια άκρη της σταγόνας σε μια ορισμένη διάταξη, κάθε άτομο σε μια ορισμένη θέση, και έτσι εξ’ αιτίας της κατασκευής των διασυνδέσεων, η οποία είναι σχετικά σταθερή στην θερμοκρασία πήξης του νερού τότε τα άτομα της άλλης άκρης του θα έχουν επίσης καθορισμένη θέση.  Η διαφορά μεταξύ υγρών και στερεών είναι ότι στα στερεά τα άτομα είναι διευθετημένα στην μορφή μιας κρυσταλλικής διάταξης με ορισμένη συμμετρία πού είναι χαρακτηριστική του εκάστοτε κρυσταλλικού στερεού υλικού, και έτσι δεν έχουν τα άτομά του τυχαία θέση, σε μεγάλες αποστάσεις έκτασης του κρυστάλλου. Η θέση κάθε ατόμου  στην μια άκρη του κρυστάλλου καθορίζεται από τις θέσεις των άλλων ατόμων, εκατομμυρίων ατόμων μακριά στην άλλη άκρη του κρυστάλλου. Ένα από τα χαρακτηριστικά του κρυστάλλου του πάγου είναι εξαγωνική συμμετρία της δομής του. Αν είχαμε μια φωτογραφία της και την στρέφαμε γύρω από κατακόρυφο άξονα κατά 120⁰, η εικόνα της δομής του δεν αλλάζει. Έτσι υπάρχει συμμετρία στον πάγο η οποία βασίζεται στην εξαγωνική διάταξη πού έχουν οι νιφάδες χιονιού. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του πάγου είναι ότι όταν λιώνει «μαζεύεται». Η χαρακτηριστική κρυσταλλική δομή του πάγου όπως περιγράφεται εδώ, έχει πολλές «τρύπες». Όταν η κρυσταλλική δομή καταρρέει λόγω τήξης του πάγου, αυτές οι «τρύπες» καταλαμβάνονται ή αλλιώς «γεμίζουν» από μόρια νερού. Οι περισσότερες απλές ουσίες με εξαίρεση το νερό «μεγαλώνουν» όταν λιώνουν γιατί τα άτομα είναι κοντά το ένα με το άλλο σε ένα στερεό κρύσταλλο και όταν λιώνει ο κρύσταλλος χρειάζονται περισσότερο χώρο για να κινηθούν ατάκτως προς όλες τις διευθύνσεις, αλλά μια ανοικτή κρυσταλλική δομή όπως του νερού καταρρέει όταν τήκεται ο πάγος.
Τώρα αν και ο πάγος έχει σταθερή κρυσταλλική δομή, η θερμοκρασία του μπορεί να αλλάζει – ο πάγος έχει θερμότητα (ενέργεια). Ένα το θελήσουμε μπορούμε να αλλάξουμε το ποσό της θερμότητας. Ποια είναι η θερμότητα στην περίπτωση του πάγου; Τα άτομα δεν είναι ακίνητα. Κινούνται ατάκτως και δονούνται. Έτσι ακόμη και αν υπάρχει μια ορισμένη τάξη στον κρύσταλλο, καθορισμένη κρυσταλλική διάταξη όλα τα άτομα δονούνται  και ταλαντώνονται γύρω από την καθορισμένη τους θέση. Καθώς αυξάνουμε την θερμοκρασία, τα άτομα ταλαντώνονται με ολοένα και μεγαλύτερο πλάτος και τελικά πέρα από ένα όριο ελευθερώνονται και εγκαταλείπουν την θέση τους. Τότε λέμε ότι ο κρύσταλλος έλιωσε

. Αντίθετα, εάν μειώσουμε την θερμοκρασία, το πλάτος ταλάντωσης μειώνεται συνεχώς, μέχρι η θερμοκρασία να πέσει στο απόλυτο μηδέν, εκεί υπάρχει ένα ελάχιστο πλάτος ταλάντωσης πού τα άτομα έχουν αλλά όχι μηδενικό πλάτος. Αυτή η πολύ μικρή κίνηση ή ταλάντωση πού τα άτομα μπορεί να κάνουν στο απόλυτο μηδέν, δεν είναι αρκετή για να λιώσει μια ουσία, αλλά με μια εξαίρεση: Το ήλιο. Το ήλιο κυρίως μειώνει τις ατομικές κινήσεις όσο πιο πολύ μπορεί αλλά ακόμη και στο απόλυτο μηδέν υπάρχει ακόμα μια μικρή κίνηση , αρκετή για να αποφύγει την πήξη. Το ήλιο ακόμη και στο απόλυτο μηδέν δεν παγώνει, εκτός και αν η εξωτερική πίεση είναι τόσο μεγάλη για να φέρει αρκετά κοντά μεταξύ τους τα άτομα. Έτσι αν αυξήσουμε την εξωτερική πίεση μπορούμε το ήλιο να το στερεοποιήσουμε.