MODUŁ 01 · CZĄSTECZKOWA BUDOWA MATERII

Materia wokół nas — z czego zbudowany jest świat?

PPrezentacja dla nauczyciela

Ogrzewasz wodę w czajniku, oddychasz powietrzem, trzymasz w ręku ołówek — za każdym razem masz do czynienia z materią. W tym module zastanowimy się, czym różni się materia od substancji i ciała, z jakich cząstek zbudowany jest świat oraz skąd wiemy o istnieniu atomów, których nikt nie widział gołym okiem.

Materia, substancja i ciało

Materia to w szkolnym ujęciu wszystko, co ma masę i zajmuje objętość. Materią jest więc skała, woda w szklance, powietrze w pokoju i Ty sam. Nie każdej materii możemy dotknąć: powietrza nie widać, ale ma masę i wypełnia całą dostępną przestrzeń.

Substancja to rodzaj materii o określonych właściwościach. Woda, żelazo, tlen i cukier to substancje. Każda z nich ma charakterystyczne cechy: gęstość, temperaturę topnienia, barwę, zapach czy rozpuszczalność. To dzięki nim potrafimy odróżnić jedną substancję od drugiej. Uwaga: powietrze nie jest jedną substancją, lecz mieszaniną gazów, głównie azotu i tlenu.

Ciało fizyczne to konkretny przedmiot zbudowany z materii: łyżka, kubek, kamień, gwóźdź. Ciało może być wykonane z jednej substancji, ale może też składać się z kilku — długopis ma obudowę z plastiku, wkład z metalu i tusz. W fizyce słowo „ciało” nie oznacza wyłącznie ciała człowieka; to po prostu przedmiot, który badamy.

To rozróżnienie ma praktyczne znaczenie. Dwie łyżki mogą mieć identyczny kształt, ale jedna będzie stalowa, a druga plastikowa. Ich masa, wytrzymałość i temperatura topnienia będą inne, bo różni się substancja, z której je wykonano. Z kolei stal może tworzyć łyżkę, gwóźdź i garnek — to ta sama substancja w różnych ciałach.

Atomy, cząsteczki i jony

Materia nie jest ciągła. Zbudowana jest z niezwykle małych cząstek — atomów, cząsteczek i jonów. Atom jest najmniejszą częścią pierwiastka. Pierwiastek to substancja, której atomy mają tę samą liczbę protonów. Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczających je elektronów. Jądro zawiera protony (ładunek dodatni) i najczęściej także neutrony (bez ładunku). Atom jako całość jest obojętny elektrycznie, bo liczba protonów równa się liczbie elektronów.

Atomy są niewyobrażalnie małe. Ich średnica to około $10^{-10}\ \text{m}$, czyli $0{,}1\ \text{nm}$. Jądro jest jeszcze około 10 000 razy mniejsze. Gdyby atom powiększyć do rozmiarów stadionu, jądro byłoby ziarnkiem grochu w jego środku. Dlatego mówimy, że atom jest prawie pusty — niemal cała jego masa skupiona jest w jądrze.

Cząsteczka to dwa lub więcej atomów połączonych wiązaniem. Cząsteczką jest tlen $O_2$, woda $H_2O$ i dwutlenek węgla $CO_2$. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Nie wszystkie substancje są zbudowane z cząsteczek: sól kuchenna tworzy kryształ złożony z jonów, a metale — sieć atomów.

Jon to atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym. Powstaje, gdy atom straci lub zyska elektrony. Atom, który oddał elektron, staje się jonem dodatnim (np. $Na^+$); atom, który przyjął elektron, staje się jonem ujemnym (np. $Cl^-$). W krysztale soli jony $Na^+$ i $Cl^-$ są ułożone naprzemiennie. Po rozpuszczeniu w wodzie mogą się swobodnie poruszać, dlatego słona woda przewodzi prąd elektryczny.

Na lekcjach posługujemy się modelami: modelem planetarnym, kulkami i patyczkami albo modelem wypełnionych kul. Każdy z nich coś upraszcza. Model planetarny jest wygodny, ale nie oznacza, że elektrony naprawdę krążą wokół jądra jak planety. To tylko sposób pokazania budowy i ładunków.

Skąd wiemy, że cząstki istnieją?

Skoro atomy są tak małe, jak możemy mieć pewność, że istnieją? Nie musimy ich widzieć bezpośrednio. Wystarczą nam skutki, które można obserwować, a które daje się wyjaśnić tylko ruchem cząstek.

Dyfuzja to samorzutne mieszanie się cząstek różnych substancji. Gdy otworzysz butelkę perfum, zapach rozchodzi się po całym pokoju. Kropla atramentu wrzucona do wody zabarwia ją stopniowo, bez mieszania. Cząsteczki poruszają się chaotycznie i przemieszczają się między sobą, dlatego z czasem rozkładają się równomiernie. W wyższej temperaturze dyfuzja zachodzi szybciej, bo cząsteczki poruszają się szybciej. Dyfuzja zachodzi także w ciałach stałych, choć bardzo wolno.

Ruchy Browna to chaotyczny ruch drobnych cząstek zawieszonych w cieczy lub gazie, np. pyłków kwiatowych w wodzie albo cząstek dymu w powietrzu. Cząstki te nie poruszają się same z siebie — są popychane nierównomiernie przez cząsteczki cieczy, które z nimi zderzają się z różnych stron. To właśnie ten nieregularny ruch jest widoczny pod mikroskopem. Ruchy Browna odkrył Robert Brown w 1827 roku, a w 1905 roku Albert Einstein wyjaśnił je ruchem cząsteczek. Nie potrzebujemy do tego żadnego wzoru: sam zygzakowaty tor cząstki jest dowodem, że coś ją popycha.

Mikroskop pozwala zobaczyć to, co niewidoczne gołym okiem. Zwykły mikroskop optyczny pokazuje ruchy Browna, ale nie rozdziela pojedynczych atomów. Mikroskop elektronowy potrafi obrazować atomy, a mikroskop skaningowy tunelowy (STM) pozwala obserwować pojedyncze atomy na powierzchni metalu. To nie znaczy, że widzimy „kuleczki” w rodzaju modeli — obrazy są wynikiem oddziaływania elektronów lub igły z powierzchnią, ale potwierdzają, że materia ma ziarnistą budowę.