Pojęcie atomu znane było już w czasach starożytnych, ale do nowoczesnej nauki wprowadził je dopiero w XIX wieku John Dalton (1766–1844), który stałe stosunki mas substancji tworzących rozmaite związki chemiczne wytłumaczył łączeniem się atomów różnych pierwiastków w molekuły.

Hipoteza o istnieniu atomów rozkwitła prawdziwie, gdy przekonanie utorowało sobie drogę, że ciepło polega na ruchu cząsteczek i atomów […]. Odtąd atomistyka w fizyce jest teorią atomów ruchomych, jest teorią kinetyczną. [1]

Do dzisiaj fundamentem wiedzy o tym, jak zbudowana jest materia, są dwa założenia:

• materia ma strukturę ziarnistą, czyli zbudowana jest z atomów i cząsteczek,
• cząsteczki te są w nieustannym ruchu.

Teoria kinetyczna posłużyła do wyjaśnienia empirycznie poznanych własności gazów: ściśliwości, rozszerzalności cieplnej, lepkości i dyfuzji, a także pozwoliła na przewidywanie pewnych faktów, które dopiero później potwierdzono doświadczalnie. Jednak w latach osiemdziesiątych XIX wieku w nauce pojawiły się głosy przeciwko atomistyce. Stosowane argumenty były dwojakiego rodzaju.

Pierwsze miały charakter filozoficzny. Nurt empiriokrytycyzmu, którego głównym przedstawicielem był Ernst Mach (1838-1916), nawoływał do usunięcia z nauki hipotez niedających się udowodnić, takich jak hipoteza o istnieniu atomów, których ze względu na bardzo mały rozmiar nie można zaobserwować. Wilhelm Ostwald (1853-1932) za realną uznawał tylko energię i w swoim nowoczesnym podręczniku chemii, wydanym w 1904 roku, ani razu nie odwołał się do pojęcia atomu lub cząsteczki.

Wilhelm Ostwald (1853-1935), chemik i filozof przyrody pochodzenia niemieckiego.
więcej… Profesor chemii na Politechnice w Rydze (1882-1887) i na Uniwersytecie w Lipsku (1887-1906). Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w roku 1909 za prace dotyczące katalizy, warunków równowagi chemicznej oraz szybkości reakcji chemicznych.
[Zwiń opis]

Drugi typ zarzutów dotyczył probabilistycznej natury teorii kinetycznej, w której prawa przyrody uważamy za rezultat tego, co się dzieje z pojedynczemi atomami, więc za wynik niezmiernie wielkiej liczby zdarzeń indywidualnych, z których każde podlega wpływom przypadkowym, ale które w całości ujawniają pewne prawidłowości. […] jak bankier w domu gry w Monte Carlo, fizyk-atomista opiera swe kalkulacje na ocenie prawdopodobieństwa. [1]

Zatem jeśli makroskopowe obserwacje w gazach są wynikiem zdarzeń losowych, to czasem powinniśmy być w stanie zaobserwować zjawiska o bardzo małym prawdopodobieństwie – np. jeżeli przypadkiem w małym obszarze cieczy cząsteczki miałyby prędkość skierowaną do góry, to kropelka tej cieczy powinna wyskoczyć ponad jej powierzchnię.

Zderzenia i oddziaływania pomiędzy cząsteczkami gazu w skali mikroskopowej są odwracalne, jednak wynikające z nich zdarzenia makroskopowe są często nieodwracalne. Ta sprzeczność była jednym z najważniejszych zarzutów wobec teorii atomistycznej. Ludwig Boltzmann (1844-1906) w latach dziewięćdziesiątych XIX wieku przedstawił dowód matematyczny pokazujący, że z racji tego, iż w tworzeniu makroskopowego obrazu zjawiska biorą udział olbrzymie liczby cząstek (większe niż 10²⁰), to zjawiska mniej prawdopodobne będą praktycznie niedostrzegalne. Jednak ten wywód nie przekonał oponentów i w wydanym pod koniec XIX wieku podręczniku teorii kinetycznej Boltzmann stwierdził, iż pisze go, aby uratować od zapomnienia to, co jest znane, bo teoria atomistyczna wyszła z mody.

Wystarczyło zaledwie 10 lat, aby smutna konstatacja Boltzmanna straciła aktualność. W latach 1905 i 1906 Albert Einstein (1879-1955) i Marian Smoluchowski, niezależnie od siebie, przedstawili teorię ruchów Browna opartą na teorii kinetycznej. Obaj uczeni prowadzili również prace mające na celu wyjaśnienie zjawiska opalescencji krytycznej. Zjawiska tego nie dało się wytłumaczyć na gruncie klasycznej termodynamiki. Gdy w roku 1908 teoria ruchów Browna zyskała potwierdzenie doświadczalne, nawet jej główny oponent, Wilhelm Ostwald, uznał, że hipoteza atomistyczna jest prawdziwa.

Ludwig Boltzmann (1844-1906), fizyk austriacki, absolwent Uniwersytetu Wiedeńskiego, profesor w Grazu, Wiedniu i Lipsku, twórca fizyki statystycznej.
więcej… Do jego najważniejszych osiągnięć należą:

• wyprowadzenie wzoru na rozkład prędkości poruszających się cząstek (rozkład Maxwella-Boltzmanna),
• teoretyczny dowód słuszności empirycznego prawa Stefana T⁴ opisującego promieniowanie ciała doskonale czarnego
• wyprowadzenie II zasady termodynamiki z zasad mechaniki.

[Zwiń opis]

James Clerk Maxwell (1831-1879), szkocki fizyk i matematyk.
więcej… Absolwent Edinburgh Academy a następnie Trinity College na Uniwersytecie Cambridge. Profesor w Marischal College w Aberdeen a następnie w King's College w Londynie. W 1871 został pierwszym profesorem w nowo utworzonej katedrze fizyki eksperymentalnej w Cambridge.

Jego największym osiągnięciem było udowodnienie, że elektryczność i magnetyzm to dwa przejawy tego samego zjawiska. Opublikowany przez niego w 1861 roku zestaw równań pokazał, że pole elektryczne i magnetyczne rozchodzi się w próżni z prędkością światła. W 1866 roku na podstawie rozkładu Boltzmanna przedstawił rozkład prędkości cząsteczek gazu doskonałego w ustalonej temperaturze.
[Zwiń opis]

Literatura:

1. 1. Smoluchowski M. (1911) Ewolucja teorii atomistycznej. Wiadomości Matematyczne, vol. XV, s. 201–216.