משתמש:טוקוני/מבנה החומר ואיך הוא התגלה/אטומים ומולקולות

עקרון הרציפות

במתמטיקה קיים עקרון הקרוי 'עיקרון הרציפות' הקובע שכאשר עוברים מנקודה א' לנקודה ב' עוברים דרך כל הנקודות שבדרך. העקרון הזה נשמע פשוט אך הוא מאוד שימושי. כך לדוגמא בעזרתו ניתן להוכיח שניתן לחלק כל צורה לשני חלקים שווי שטח. ההוכחה מתבססת על כך שמציירים קו במישור משמאל לצורה - ומחליקים אותו ימינה דרך הצורה. בתחילה, כל שטח הצורה נמצא מימין לקו, ולבסוף כל שטח הצורה נמצא משמאל - בהכרח לאורך הדרך, בדיוק חצי משטח הצורה יהיה מימין לקו.

האם היקום שלנו רציף? האם כאשר אנחנו הולכים ממקום למקום אנחנו באמת מתקדמים בצורה רציפה, או שאנחנו מתקדמים בקפיצות קטנות, נעלמים ממקום אחד ומופיעים במקום אחר? האם חומרים הם רציפים, כלומר ככל שנסתקל עליהם בהגדלה גדולה יותר, הם עדיין ייראו לנו אותו דבר, בדיוק כמו קו מתמטי? או האם חומרים יותר דומים לקו שמצויר על מסך המחשב, שבעצם בנוי מהרבה יחידות בסיס, נקודות, ורק נראה לנו כמו קו כאשר מסתכלים עליו מרחוק?

עד לסוף המאה ה-18 לא היה לעולם המדעי שום סיבה לחשוב שהעולם איננו רציף. כל התצפיות על תנועת הכוכבים, על תנועת הנוזלים, על אור ועל חומר, לא נתנו לאנושות שום סיבה לחשוב אחרת. בהעדר סיבה אחרת, אכן התפיסה המקובלת היתה שהעולם הוא רציף, תפיסה שהיא הגיונית לפי חוק הנקרא 'התער של אוקום'. חוק זה קובע שהמדע תמיד צריך לבחור את ההסבר הפשוט ביותר שתואם את כל התצפיות הניסיוניות. ואולם במאה ה-19 החלו להתגלות עוד ועוד רמזים שלא הכל רציף בעולם שלנו, ובפרט שהחומר איננו רציף. העדויות הראשונות באו מענף מדעי שנולד באותה המאה, ענף הקרוי כימיה.

הולדת הכימיה

בימי הביניים באירופה ובארצות ערב היה עיסוק נרחב בתחום הקרוי 'אלכימיה'. אלכימיה היתה ענף חצי מדעי וחצי רוחנו שעסק בחיפוש אחר 'אבן החכמים'- תרופה לכל המחלות כולם, וכן במציאת דרך להפוך מתכות פשוטות לזהב. בין האלכימאים המפורסמים של ימי הביניים נמנה רופא שוויצרי בשם פאראצלסוס, ובין השאר הוא גילה שכאשר שופכים חומצות על מתכות, אזי נפלטים גזים, שאינם אוויר. בסוף המאה ה-18 החלו מדענים לפתח כלים שאיפשרו להם לאסוף את אותם גזים ולחקור אותם. הניסוי המפורסם הראשון היה של מדען אנגלי בשם הנרי קוונדיש שהצליח לאסוף גז הנוצר כאשר חומצה מעכלת מתכת, והוא גילה שכאשר חושפים גז זה לאויר אזי נוצר פיצוץ אז, והתוצר המפתיע של הפיצוץ הוא מים. קוונדיש קרא לגז המוזר הזה 'אוויר נפיץ' (inflammable air) ואנחנו קוראים לגז הזה היום חמצן. מדען אנגלי אחר בשם גוז'ף פירסטלי גילה את החמצן, גילה שאפשר להשתמש בגזים בשביל ליצור משקאות מבעבעים, וגם גילה גז הקרוי היום חמצן דו-חנקני, או בשם הפחות מדעי - גז צחוק.

אבל איך כל התגליות הללו קשורות לרציפות של הטבע ולמבנה החומר? ובכן הגדולה של הניסיונאים הקרויים היום כימאיים, היא לא רק בכך שהם הצליחו ליצור את כל הגזים והחומרים המוזרים הללו אלא גם שהם חקרו אותם בצורה יסודית. החלוץ הגדול של אותו מחקר יסודי היה מדען צרפתי בשם אנטואן לבואזיה. לבואזיה רצה להוכיח שמתקיים בטבע 'חוק שימור המסה' הקובה שלא משנה איך אנחנו משחקים עם חומרים, שופכים עליהם חומצה, שורפים או מפוצצים אותם, אנחנו לא יכולים לגרום לחומר להעלם. החומר תמיד נשאר. השיטה שבה לבואזיה הוכיח זאת היתה לשקול היטב את כל החומרים שהוא מתחיל איתם, ואחרי שעושים איתם פעולות, לשקול היטב את כל התוצרים - והפלה ופלא אכן חוק שימור החומר מתקיים.

לדוגמא בל"ג בעומר כאשר אנחנו עושים מדורות, לכאורה אנחנו גורמים להרבה מאוד חומר, עצים, להעלם. ואולם אם נאסוף את כל העשן שיוצא מהמדורה, נשקול אותו, וגם נשקול את הפחם שנשאר בתוך המדורה, נגלה שסכום המשקלים שווה בדיוק למשקל העצים ששרפנו + משקל החמצן שהשתתף בשרפה.

ואולם כאשר לבואזייר וכימאיים אחרים כגון __ הסתקלו על המשקלים שהם מדדו הם גילו תגלית מרתקת: המשקלים של החומרים תמיד מקיימים יחסים שלמים בינם לבין עצמם. כך לדוגמא לבואזייר שיחזר את הניסוף של הנרי קוונדיש, שבו הוא חושף את האוויר המתפוצץ (שלו אנחנו קוראים היום מימן, שם אותו לבואזייר המציא) לאוויר רגיל ונוצרים מים, אזי משקל המים שנוצרים הוא בדיוק פי תשע גדול יותר ממשקל המימן שאיתו התחלנו. אם נפרק מים ונקבל שני גזים: מימן וחמצן, נגלה שוב שמשקל המימן הוא בדיוק תשיעית ממשקל המים שהתחלנו מהם ובדיוק שמינית ממשקל החמצן שמתקבל. יחסים שלמים אלו מתקבלים בכל ניסוי שהתבצע, וזכו לשם 'חוק היחסים השלמים'. אבל איך מסבירים אותם?

הרעיון של לבואזייר ואחרים כגון __ להסבר של חוק היחסים השלמים נקרא היום התורה האטומית. הרעיון של התורה האטומית הוא שחומר בנוי מיחידות בסיס הנקראות מולקולות, וכל מולקולה בנויה מאטומים. כך לדוגמא מים בנויים ממולקולה המכילה שני אטומים של מימן, ואטום אחד של חמצן. מכיוון שאטום החמצן שוקל פי 16 יותר מאטום המימן, מתקבלים היחסים שאותם הזכרנו. מלח שולחן, לדוגמא בנוי ממולקולות המורכבות מאטומים של נתרן וכלור. אטום הנתרן שוקל פי __ מאטום הכלור __ ולכן אם נפרק מלח לרכיבים שלו נקבל נתרן, שהוא אגב מתכת נוזלית שמשקלו בדיוק __ ממשקל הכלור המתקבל.

מה שמעניין ב'חוק היחסים הקבועים' הוא שהוא אינו נותן לנו שום רמז לגודלם של אותם יחידות בסיס, אותם אטומים ומולקולות, שמרכיבות את החומר. ואולם חוק שימור החומר לא היה הרמז היחיד לקיומם של אטומים, והרמזים האחרים הגיעו ממקום עוד פחות צפוי - מחקר מנועי קיטור, ענף בפיסיקה שהתפתח באותה תקופה וזכה לשם 'תרמודינמיקה'.