Príbeh atómov Juraj Tekel Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky FMFI UK Mlynska Dolina 842 48 Bratislava juraj(a)tekel(b)gmail(c)com http://fks.sk/~juro Aktualizované 26. septembra 2017 Krátky text o histórií atomizmu a o neľahkom procese, na konci ktorého ľudia odhalili exitenciu atómov bez toho, aby ich priamo videli. Atómy sú presne ako pixle na predchádzajúcom obrázku. Ten z diaľky vyzerá pekný a hladký, ale keď ho priblížime zistíme, že sa skladá z veľa malých štvorčekov. O atómoch Naše rozprávanie začneme na jeho konci a na úvod si povieme, čo to vlastne tie atómy sú. Atómy sú všade. Všetko sa z nich skladá. Podstatné ale je, ako sa to z nich skladá. Podobne sa náš svet skladá z atómov. Atómy pre nás budú malé guličky vyskytujúce sa v rôznych druhoch, rôznej veľkosti a hmotnosti. Na základe nejakých pravidiel 1 sa medzi sebou vedia spájať a vytvárať komplikovanejšie zlúčeniny. Napríklad dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka sa vedia spojiť a vytvoriť molekulu vody. Z takýchto komplikovanejších molekúl sa potom všetko skladá. V skutočnosti je stavba atómov a atomárne procesy o čosi zložitejšia, ale pre nás to nebude dôležité. Okrem toho sú atómy veľmi malé. Ale ozaj veľmi malé, až nepredstaviteľne malé. Veľkosť atómov je približne 10 10 m a veľkosti molekúl sú podobné. Čo ale znamená veľkosť 10 10 m? Keby bol atóm veľký ako jablko, tak jablko by bolo veľké ako Zem. Iné prirovnanie hovorí, že v pohári vody 1 Týmto pravidlám hovoríme chémia. 1
je 1000 krát viac molekúl vody, ako pohárov vody na svete. Najväčšie veci ktoré dokážeme ešte ako tak vnímať majú zhruba 10 km, najmenšie zhruba 0, 1 mm. To je pomer 10 8, takže veľkosť atómu k metru 2 presahuje sto násobne naše hranice vnímania vzdialeností. Atómy sú naviac tak malé, že sa ich principiálne nedá vidieť. Pozeranie sa na veci je totiž ako hádzanie loptičkou. Fotón, a teda svetlo, letí zo zdroja, odrazí sa od objektu do nášho oka a podľa toho vieme, že tam tento objekt je. Ale veľkosť fotónu je približne 10 7 m, čo je asi 1000 krát viac ako veľkosť atómov a molekúl. Pohyb fotónu sa na tak malom objekte nijak nezmení a jednotlivé atómy pre nás zostávajú neviditeľné. Snažiť sa uvidieť atóm je ako hádzať futbalovú loptu o plot. Napriek tomu, že sú v ňom diery, futbalka je príliš veľká na to, aby to jej odraz nejak ovplyvnilo. Spojitý vs. diskrétny Častejšie budeme v texte spomínať pojmy spojitý a diskrétny, preto si ešte predtým vyjasnime čo to presne znamená. Spojitá vec je taká, ktorá sa dá do nekonečna približovať a stále v nej nevidieť medzery. Pri približovaní diskrétnej veci ale narazíme časom na medzery a teda na situáciu : bodka, nič, bodka, nič,.... Dostatočne husto diskrétna vec sa z diaľky zdá spojitá, podobne ako dostatočne husté pixely vyzerajú z diaľky ako pekný obrázok. Prečo práve o atómoch? Prečo sa budeme vôbec rozprávať o atómoch a o príbehu ich existencie? Potrebovali by sme čosi menšie, napríklad pingpongovú loptičku. Takto sa atómy predsa len dá vidieť, aj keď trikom. Ako oveľa menšia loptička poslúžia elektróny, prípadne čosi iné. Na základe toho potom vizualizujeme obrázok, akoby pochádzal zo svetla. Takto vyzerá zložitejšia molekula zobrazená pomocou atómového tunelovacieho mikroskopu Lebo existencia atómov je veľmi dôležitá a objasňujúca. Viac-menej všetkému rozumieme na základe existencie atómov. Všetky procesy okolo nás sú jednoducho popísateľné v termínoch atómov a len ťažko im konzistentne rozumieť bez nich 3. Cieľom vedy je stláčanie informácie, zabaliť do čo najmenšieho počtu slov čo naviac vedomostí. Poznatok o existencií atómov je stláčanie informácie par excellence. Ako autoritu si 2 A teda približne k nám. 3 Ono sa to vlastne nedá, tak boli atómy objavené. 2
v tomto vezmeme Richarda Feynmana, jedného z najvplyvnejších fyzikov 20. storočia "Keby pri nejakej katastrofe zanikli všetky vedecké poznatky a nasledujúcim generáciam by mala zostať len jediná veta, ktorá v najmenšom počte slov obsahuje najmenšiu informáciu,... že všetky veci sa skladajú z atómov." Lebo prísť na existenciu atómov bolo ťažké. Z jednoduchého dôvodu, že atómy sú maličké a pre technológie do roku 1910 sú úplne neviditeľné. Ich existenciu bolo treba uhádnuť z veľa nepriamych dôkazov a náznakov. Uvidíme, že to trvalo vcelku dlho (1805-1909). Lebo príbeh objavenia existencie atómov je sám o sebe zaujímavý. Debata o existencií atómov je jedna z najzapálenejších a najpodstatnejších v histórií vedy. Nejakým spôsobom sa do nej zapojil takmer každý, kto v tom čase vo vede niečo znamenal. Na dejinách vedy sa dobre učí aj samotná veda a možno sa pri tomto príbehu naučíme niečo nové aj z fyziky alebo chémie. V poslednom rade preto, lebo tento príbeh nie je vo vede vôbec ojedinelý. Veľmi dobre ilustruje to, že veda a poznanie len málokedy napreduje jednoducho a nikdy nie priamočiaro. Uvidíme, že nepriame dôkazy sú dobré až vo veľkom množstve a musia byť veľmi presvedčivé. Na potvrdenie a všeobecné uznanie treba aj tak priamy dôkaz alebo aspoň novú predpoveď. Vedecká komunita je veľmi konzervatívna. A to je dobre, lebo neskočí na každú novinku a ak sa medzi vedcami čosi univerzálne uchytí, asi to bude pravda. Antický atomizmus Prvý krát sa idea, že svet nie je spojitý ale diskrétny objavila v antickej filozofií. 4 Niekedy v piatok storočí pred našim letopočtom prišli grécky filozofia Leukipos a Démokritos s myšlienkou, že všetko sa skladá z atómov, ktoré sú nedeliteľné a nezničiteľné. 5 Názov atóm pochádza z gréckeho slova ατ oµoν - nedeliteľný. Podľa ich teórie sa atómy vedia spájať do komplikovanejších útvarov a tak vznikajú rôzne makroskopické látky. K tomuto nápadu ich viedol filozofický dôvod. Verili, že na najhlbšej úrovni sú zákony prírody jednoduché a rozmanitosť a komplikovaná štruktúra ktorú pozorujeme je dôsledkom týchto jednoduchých princípov. História ukázala, že mali (tak trochu náhodou) pravdu. Na podobnom princípe je založená myšlienka komerčne o čosi úspešnejšieho projektu Lega. Okolo roku 330 pred našim letopočtom grécku filozofiu, alebo aspoň tú časť ktorú nazývame dnes prírodnými vedami, ovládol Aristoteles. Ten povedal, že všetky myšlienky treba založiť na empirickom základe a pozorovaní. Tým dal základ modernej vede tak, ako ju poznáme a na veľmi dlhú dobu rázny koniec akýmkoľvek atómovým hypotézam. Existencia atómov zostane ešte veľmi dlho mimo pozorovaciu schopnosť človeka. 4 Podobné myšlienky sa objavili aj v indickej a arabskej filozofií. Tam však boli založené na iných princípoch a preto a im nevenujeme. Aj grécky nápad o existencií atómov je v modernom ponímaní vedy výstrel od pása, "Gréci boli veľmi dobrí v sedení pri ohni a uvažovaní, ale nie až veľmi dobrí v stavaní prístrojov na testovanie svojich myšlienok.". Ale ako uvidíme, filozofický dôvod, ktorý ich viedol má v tomto prípade čosi do seba. 5 Démokritos bol Leukipovim žiakom, avšak ich spisy sa zachovali v stave, z ktorého je ťažké určiť kto je autorom ktorej z myšlienok a tak sa zvyknú uvádzať spoločne. 3
Atomizmus chemikov Ako prví si v moderných časom všimli existenciu atómov chemici. To preto, že chemická reakcia je v konečnom dôsledku veľmi veľa rovnakých procesov priamo na atomárnej úrovni. Napríklad 2 H 2 + O 2 2 H 2 O. Na existenciu diskrétnej štruktúry týchto reakcií poukázalo to, že chemické recepty sú veľmi iné ako kuchynské recepty. Zákony chemických receptov Ako príklad kuchynského receptu zoberme Gin& Tonic. Podľa receptu na najlepší GT potrebujeme ľad po okraj pohára, 0, 5 dl gin, 1 dl tonik, 1 rez limetky. Ako príklad chemického receptu zoberme už spomínanú vodu, na prípravu ktorej potrebujeme 88, 81 g kyslík, 11, 19 g vodík. Kľúčové je teraz nasledovné. Ak v recepte pre GT zmeníme množstvo ginu, stále dostaneme GT. Trochu silnejší alebo slabší, asi už nie najlepší, ale recept bude stále fungovať. Ak však v recepte na výrobu vody pridáme 10 g kyslíka, nedostaneme kyslíkovejšiu vodu. Dostaneme stále deci vody a zvyšný kyslík. Zozbieraním množstva rôznych chemických výsledkov si v roku 1805 všimol Dalton, že chemické reakcie sa riadia týmito zákonmi : 1. Zákon zachovania hmotnosti Tento je priamočiary, hovorí že pri chemických reakciách je hmotnosť látok ktoré vstupujú rovnaká, ako látok ktoré vystupujú. Pre nás je to už samozrejmosť ale je zaujímavé si uvedomiť, že to zďaleka také samozrejmé nebolo a nemuselo byť. 2. Zákon stálych hmotnostných pomerov Tento zákon hovorí to, čo sme už povedali pri popise receptov a teda že chemikálie sa pri reakciách nemôžu miešať ľubovoľne. Ak pridáme jednej, musíme v patričnom pomere pridať aj ostatné. 88, 81 g kyslík + 11, 19 g vodík = 100 g voda 177, 72 g kyslík + 22, 28 g vodík = 200 g voda 98, 81 g kyslík + 11, 19 g vodík 110 g kyslíkovejšia voda = 100 g voda + 10 g kyslík Všimnite si, že pomery hmotností nemusia byť pekné čísla. 3. Zákon množných hmotnostných pomerov Ak dva prvky vedia reagovať viac ako jedným spôsobom, potom pomery hmotností prvkov v reakciách sú v pomeroch malých celých čísel. Napríklad kyslík a vodík 88, 81 g kyslík + 11, 19 g vodík = 100 g voda 94, 07 g kyslík + 5, 93 g vodík = 100 g peroxid a teda 88, 81 g / 94, 07 g 11, 19 g 5, 93 g = 1 2. vodíka Podobne to funguje aj pre iné prvky v ich reakciách. Poznamenajme, že Dalton nepoznal peroxid vodíka a jeho závery pochádzajú z reakcií iných prvkov. Tiež poznamenajme, že sú prvky pre ktoré toto neplatí. Ide zväčša o komplikovanejšie atómy, kde začnú hrať úlohu veci, o ktorých sme na začiatku povedali že nás trápiť nebudú. A preto nás trápiť nebudú ani tieto prvky. 4
Akonáhle sa v prírode stretneme s celými číslami, takmer vždy to poukazuje na nejakú diskrétnosť. Je veľmi tažké dostať celočíselné hodnoty zo spojitého základu. Ako atómy vysvetľujú tieto dva zákony? Predpoklady atómovej hypotézy atómy rovnakého prvku sa správajú vždy rovnako, atómy sa v chemických reakciách nemenia, atómy sa v chemických chytajú za ruky podľa nejakých pravidiel, tieto zákony celkom jednoducho vysvetľujú. Ak niektoré atómy zvýšia, môžu sa pochytať až keď ich je dosť na iné pravidlo, inak zostanú mimo hru. častica kyslíka je 88, 81 94, 07 = 7, 94 11, 19 2 5, 93 krát ťažšia ako častica vodíka. Ako teda prídeme k správnej hodnote. Kľúčom je ešte jeden zákon chemických reakcií. Zákon stálych objemových pomerov Ak máme dočinenia s plynmi a pozeráme sa na objemy, objavia sa pomery malých celých čísel priamo. Toto si v roku 1809 všimol Gay-Lussac, ktorý považoval objem za primárnu vlastnosť objektov, nie ich hmotnosť. Objemy plynov v chemických reakciách už sú v pomeroch malých celých čísel, čo u nás dá 1 l kyslík plyn + 2 l vodík plyn = 2 l voda plyn 1 l kyslík plyn + 1 l vodík plyn = 1 l peroxid vodíka plyn Toto pozorovanie sa dá priamočiaro vysvetliť, ak predpokladáme, že rovnaký objem plynu obsahuje rovnaký počet častíc bez ohľadu na ich hmotnosť (pri tých istých podmienkach). To ale znamená že častica kyslíka sa musí dať roztrhnúť, aby vedela vytvoriť dve častice vody, a teda molekula kyslíka sa musí skladať z aspoň dvoch atómov. Ilustrácia toho, ako z atómov vznikajú molekuly vody, molekuly vody a zvyšný kyslík a molekuly peroxidu vodíka. Takto dostávame kyslík + vodík voda 2 kyslík + vodík peroxid vodíka Tu nepíšeme O ani H lebo vieme dnes už vieme, že to takto nie je. Dalton ale predpokladal, že častice v plynoch sú tie nedeliteľné atómy. Na základe údajov o reakciách sa podujal určovať relatívne hmotnosti atómov. Takto by sme dostali, že Vznik dvoch molekúl vody z dvoch molekúl vodíka a jednej molekuly kyslíka a vzniku dvoch molekúl peroxidu vodíka z molekúl kyslíka a vodíka. To, že aj molekula vodíka sa skladá z dvoch atómov chemici zistili z iných reakcií, kde by jednoduchý vodík nefungoval. 5
Určenie relatívnych atómových hmotností je teraz komplikovaná hádanka, v ktorej treba robiť predpoklady o mocnosti prvkov v zlúčeninách a testovať konzistentnosť. Trochu sa to podobá na Einsteinove hádanky typu : ten čo býva vedľa Nemca nechodí na hokej,.... Vstupom sú hmotnosť a objem látok pri reakciách, výstupom sú relatívne atómové hmotnosti látok, avšak tieto informácie sú neúplne (lebo nevieme, či náhodou neexistuje reakcia, ktorú sme ešte nepozorovali), nepresné (systematicky lebo izotopy a jednoduchá chyba merania) a je ťažké ich získať (je cca 1820 a technológie sú tam kde sú). Atomizmus fyzikov Fyzika sa v tomto čase zaoberala javmi na oveľa väčších škálach. Avšak ukázalo sa, že aj tu existujú situácie, kde sa existencia atómov prejavuje nepriamo. V hre sa objavia opäť plyny. 6 Termodynamika Tlak plynu je totiž makroskopickým prejavom mikroskopického pohybu molekúl. Napriek tomu sa ľudia dopracovali k niektorým celkom prekvapivo presným výsledkom. Uhlík Olovo Meď Ortuť Berzelius 1826 12,24 207,4 63,4 202,8 Súčasná hodnota 12,0 207,2 63,5 200,6 Úplne konzistentne sa to podarilo až Cannizarovi v roku 1858. Nakoniec celá táto snaha vyvrcholila Mendelejevovim pozorovaním, že prvky možno zorganizovať do tabuľky, v ktorej sú vlastnosti prvkov dané ich pozíciou v nej. To bolo v roku 1869. Skonštatujme teda, že atómová hypotéza bola silná vo vysvetlení už pozorovaných procesov. V chémií však nepriniesla žiadne nové predpovede a tak zostala len na úrovni užitočnej hypotézy a pracovného nástroja. Skutočná existencia atómov ako reálnych objektov nebola ani zďaleka univerzálne prijatá. Ešte spomeňme, že vieme určiť iba pomery hmotností, pretože zatiaľ nevieme rozmery častíc a teda nevieme, koľko vodíkových atómov sa podieľa na vzniku 100 g vody. Plyn je zložený z veľkého množstva molekúl, z ktorých niektoré letia proti stene nádoby. Keď sa od nej odrazia, pôsobia na ňu silou a obrovské množstvo nárazov molekúl sa potom prejavuje ako tlak. Podobne teplota súvisí s kinetickou energiou pohybu molekúl plynu. V roku 1738 si Daniel Bernoulli všimol, že vtedajšie vedomosti o dejoch s plynmi sa dajú vysvetliť predpokladom, že plyn sa skladá z malých guličiek, že tlak je spôsobený odrazmi týchto guličiek od stien nádoby a že teplota súvisí s energiou ich pohybu. Napríklad ak pri rovnakej teplote zmenšíme objem plynu, zväčší sa jeho tlak, lebo sa zväčší frekvencia nárazov častíc na stenu. Alebo ak pri rovnakom objeme plyn ochladíme, zmenší sa jeho tlak lebo sa zmenší rýchlosť, ktorou častice na stenu narážajú. 6 Rovnako ako predtým, aj teraz je pri plynoch dôležité to, že častice sú v nich uložené veľmi riedko. 6
Do polovice 19. storočia zostala táto myšlienka nepovšimnutá. Za jej znovuobjavením sú dôkazy proti alternatívnym vysvetleniam týchto dejov (kalorikum), a v prvom rade čoraz väčšia popularita atómov medzi chemikmi (atómy sú tie guličky) 7 Z atómovej hypotézy sa dajú odvodiť pozorované vlastnosti plynov. Za týmto pokrokom sú najmä Joule a Clausiuss. Napríklad známa závislosť medzi tlakom, objemom a teplotou plynu (stavová rovnica) pv T = konštanta. Podobne je možné odvodiť iné termodynamické vlastnosti (tepelná kapacita) a tiež niektoré mechanické vlastnosti, ako napríklad viskozita (vnútorné trenie v plyne). Viskozita je dôležitá, lebo z nej sa prvý krát podarilo odhadnúť veľkosť molekúl. To vďaka tomu, že viskozita súvisí so strednou voľnou dráhou molekúl, ktorá súvisí s veľkosťou molekuly. Čim sú molekuly väčšie, tým jednoduchšie sa dve molekuly zrazia a teda medzi zrážkami preletia menšiu vzdialenosť. Pri tom rýchle molekuly strácajú energiu, čo sa prejavuje ako trenie v plyne. Na základe toho v roku 1865 Lochsmidt určil veľkosť molekúl vzduchu na približne 1 nm, čo je asi 4 krát viac ako súčasná hodnota. Štatistická fyzika V druhej polovici 19. storočia postupne vzniká štatistická fyzika. Jej hlavnými tvorcami boli Maxwell a Boltzman, ktorí boli súčasne aj najväčšími zástancami atómovej hypotézy. Za týmito vznešenými slovami sa skrýva snaha odvodiť makroskopické vlastnosti látok z hypotézy, že sa skladaj z atómov. Štatistická fyzika je založená na tom, že polohy a rýchlosti molekúl nemôžeme poznať presne, nakoľko ich je ohromne veľa. A že ani nepotrebujeme, nakoľko stav látky je zadaný iba niekoľkými veličinami 8, a teda ich môžeme považovať za náhodné a na určenie makroskopických vlastností látok stačí vedieť niektoré "priemerné" hodnoty. Okolo roku 1885 boli odhady veľkosti molekuly vodíka 1 2 10 10 m. Dôsledky a predpoklady štatistickej fyziky však neboli po chuti odporcom atómovej hypotézy, na čele ktorých boli Ostwald a Mach. Argumentom proti atómovej hypotéze už nebolo to, že atómy neboli pozorované. Vtedy už bolo jasné, že by na to boli príliš malé. Hlavným argumentom bola vratnosť mechanických dejov a nevratnosť dejov s plynmi. Je zaujímavé, že tento argument predniesol ako prvý práve Loschmidt. Ak zmením rýchlosť guličky na opačnú, jej pohyb vyzerá presne rovnako ako pohyb pretým pustený na videu dozadu. Takže ak je plyn ozaj iba veľká kopa guličiek, mal by som obrátením ich rýchlostí časom dosať plyn v pôvodnom stave. Súvisiaci a podobne silný argument dokázal Poincaré. Ten bol v prvom rade matematikom 9, takže vidieť, že atomárna debata presiahla hranice fyziky. Ak mám guličku v nádobe a počkám, odrážaním sa dostane do stavu (poloha a rýchlosť) veľmi podobnému tomu, v ktorom začínala. Rovnako ak mám ľubovoľne veľa guličiek. Plyn v prechádzajúcom príklade by sa teda po čase mal určite dodať do pôvodného stavu s prázdnou polovicou nádoby. To je ale v rozpore s experimentom. Ak mám plyn iba v polovici nádoby, veľmi rýchlo sa rozptýli do celej nádoby, potom tak zostane a nejaví 7 Všimnite si, že ak učíme chémiu a fyziku úplne oddelene, náhle znovuobjavenie nápadu o časticovom zložení plynu vo fyzike nedáva žiadny zmysel. 8 Napríklad pre plyn je to teplota, objem a tlak. 9 A jedným z najlepších svojej doby. 7
známky vracania sa. Plyny vykazujú tendenciu zabúdať na svoju počiatočnú konfiguráciu a smerovať k ustálenému stavu bez ohľadu na to, v akom stave začínali. A v neposlednom rade samotná idea štatistickej fyziky, že nie všetko je exaktné a na isté veci sa treba pozerať v termínoch štatistiky bola mnohým, uznajme že právom, proti srsti. Ťažko sa zmieriť s takýmto prístupom v exaktnej fyzike. Posledným argumentom proti prijatiu atómovej hypotézy bola absencia javu, ktorý by existencia atómov predpovedala. Doteraz atómy veci iba vysvetľovali spätne, ale nič nové a priamo overiteľné z ich existencie nevyplývalo. Brownov pohyb Možno trochu prekvapujúco zohral kľúčovú úlohu v debate o existencií atómov Brownov pohyb. Práve v ňom sa našiel priestor pre overenie konkrétnej predpovede atómovej hypotézy. chaotické poskakovanie častice do všetkých smerov. Prvý krát to boli častice uhoľného prachu, ktoré pozoroval Ingenhousz koncom 18. storočia, neskôr zrniečka peľu práve v prípade botanika Browna. Ten si myslel, že objavil akúsi primitívnu formu života alebo životnú silu v peľových zrniečkach. Avšak potom ako pozoroval všetko možné, podľa vlastných slov "úplne všetko, čo sa dalo rozdrviť na prach" došiel k záveru, že pôvod pohybu nemôže byť v "živote" častíc. To bolo v roku 1827. Neskôr, okolo roku 1885 bolo jasné, že zdroj pohybu je v kvapaline. Bol to Einstein, kto v Brownovom pohybe uvidel príležitosť nájsť predpoveď atómovej hypotézy, ktorú bude možné otestovať 10. Idea je podobná ako pri narážaní molekúl na stenu nádoby a vzniku tlaku. Avšak ak je objekt dostatočne malý a dostatočne ľahký, sila ktorou budú molekuly pôsobiť na objekt nebude rovnovážna, nakoľko v niektorých momentoch bude na objekt narážať viac molekúl ako inokedy. Sila bude mať veľké fluktuácie a objekt bude dostávať kopance v rôznych smeroch, raz väčšie a raz menšie. Jeho celkový pohyb bude náhodný a neusporiadaný. Pripomeňme si o čo ide. Brownov pohyb je pohyb veľmi malých častíc na hladine kvapaliny pozorovaný pod mikroskopom. Ide o veľmi rýchle a 10 Eintein bol v tom čase mladým vedcom, ktorého zaujímali len tie najťažšie a najdôležitejšie otázky. K štúdiu Brownovho pohybu sa dostal práve preto, že sa pokúšal nájsť predpoveď atómovej hypotézy. 11 Pre znalcov poznamenajme, že bol kľúčovým v Einsteinovom prístupe presun od popisovania síl a zrýchlení priamo k popisovaniu samotnej polohy. 8
Einstein z predpokladov štatistickej fyziky a atómovej hypotézy odvodil kvalitatívny vzťah pre priemernú veľkosť kroku, ktorú za čas t malý objekt spraví 11 d = 2 Dt. V koeficiente D je ukrytá teplota prostredia, veľkosť objektu a vlastnosti kvapaliny. Toto bol jeden z jeho štyroch článkov, ktoré publikoval v roku 1905 (Annus mirabilis). Okrem toho publikoval články o špeciálnej teórii relativity a fotoelektrickom efekte. 12 Štvrtým článkom bola jeho dizertačná práca, v ktorej dvomi rôznymi spôsobmi odvodil veľkosť konštanty D. Tak podal kvantitatívnu predpoveď existencie atómov. Einstein v svojom článku píše : Ak bude tento pohyb pozorovaný... bude možné presné určenie atomárnych veľkostí... Ak sa ale predpovede tohto pohybu ukážu nesprávne, znamenalo by to silný argument proti molekulárno-kinetickej teórií tepla. A teda ozaj veda par excellence, tak ako má byť. Po publikácií Einsteinovho článku sa podujalo overiť jeho predpoveď niekoľko experimentátorov. Prvý úspešný bol Perrin. V roku 1909 precízne nameral rozdelenie veľkosti krokov v Brownovom pohybe, ktoré výborne korešpondovalo s Einsteinovou predpoveďou. A to bol chýbajúci záverečný argument v prospech atómovej hypotézy. Presvedčil väčšinu zvyšných odporcov, vrátane Ostwalda 13, a z atómovej hypotézy sa stala atómová teória. Einstein dostal Nobelovu cenu v roku 1922, Perrin v roku 1926. Namiesto záveru Text by sa dal zhrnúť do týchto niekoľkých viet, ktoré vyhlásime záver. Existencia atómov je zaujímavá a veľmi netriviálna. Kľúčové k objaveniu a prijatiu existencie atómov boli rozdiel medzi kuchynskými a chemickými receptami a ďalšia nečakaná štruktúra v chemických reakciách(atómy vysvetľujú kvantitatívne), fyzikálne vlastnosti plynov (atómy vysvetľujú kvantitatívne), Brownov pohyb (atómy vysvetľujú kvalitatívne a predpovedajú kvantitatívne). Príbeh objavenia a prijatia existencie atómov v sebe má veľmi veľa typických prvkov pokroku v poznaní. 12 Týmto Einstein v jednom roku prevrátil fyziku hore nohami. 13 Mach existenciu atómov do konca života odmietal. Použitá a odporúčaná literatúra Na internete je prakticky nekonečné množstvo materiálov na túto tému (ako inak na takmer každú tému). Okrem toho pred časom vyšla v slovenčine dvojdielna kniha autorov Rudolf Zajac a Juraj Šebesta Historické pramene súčasnej fyziky, prvý diel 1990 a druhý 1997 (spoluautorom druhého dielu je Ján Pišút). Dnes je už bohužiaľ vcelku ťažké ich zohnať. 9
Osoby a obsadenie Veľmi neúplný prehľad ľudí, ktorí sa v našom príbehu objavili. Aristoteles, 384-322 pr. n. l. Leukippos z Milétu, 5. storočie pr. n. l. John Dalton, 1766 1844 Démokritos z Abdér, približne 460-370 pr. n. l. Joseph Louis Gay-Lussac, 1778 1850 10
Amedeo Avogadro, 1776 1856 James Prescott Joule, 1818 1889 Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822 1888 Dmitrij Ivanovič Mendelejev, 1834 1907 Daniel Bernoulli, 1700 1782 Johann Josef Loschmidt, 1821 1895 11
James Clerk Maxwell, 1831 1879 Ernst Waldfried Mach, 1838 1916 Ludwig Eduard Boltzmann, 1844 1906 Robert Brown, 1773 1858 Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853 1932 Jan Ingenhousz, 1730 1799 12
Albert Einstein, 1879 1955 Jean Baptiste Perrin, 1870 1942 13