Istota gazów

Z Wikiźródeł, wolnej biblioteki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
<<< Dane tekstu >>>
Autor William Bragg
Tytuł Istota gazów
Podtytuł o istocie materji
Pochodzenie Tajemnice atomu
(o istocie materji)
Wydawca Trzaska, Evert i Michalski S. A.
Data wydania 1933
Druk Drukarnia Narodowa w Krakowie
Miejsce wyd. Warszawa
Tłumacz Karol Szlenkier
Źródło Skany na Commons
Inne Pobierz jako: Pobierz jako ePub Pobierz jako PDF Pobierz jako MOBI
Cały tekst
Pobierz jako: Pobierz Cały tekst jako ePub Pobierz Cały tekst jako PDF Pobierz Cały tekst jako MOBI
Indeks stron


WYKŁAD DRUGI
ISTOTA GAZÓW

Widzieliśmy, że wszystkie ciała materjalne składają się z dziewięćdziesięciu dwu rodzajów atomów i że w tych to atomach kryje się tajemnica i nieskończona różnorodność świata materjalnego. Każdy atom posiada jądro, naładowane dodatnio; dookoła jądra znajdują się elektrony, będące jednostkami elektryczności ujemnej. Ładunek dodatni jądra jest wielokrotną pewnego ładunku jednostkowego, równego ładunkowi elektronu, ale przeciwnego znaku. Ilość elektronów, którą posiada każdy atom w warunkach normalnych, stanowi dokładny równoważnik ładunku dodatniego jądra tak, że atom, wzięty w całości, nie jest naładowany; ładunki jego dodatni i ujemny wzajemnie się równoważą. Czy elektrony krążą dookoła centralnego jądra, jak planety dookoła słońca, czy też wykonywują one inne bardziej złożone ruchy są to sprawy, nie posiadające dla nas w danej chwili szczególniejszego znaczenia. Poznano już coś nie coś w tej dziedzinie, całe zagadnienie jest jednak zawiłe. Następstwa, wynikające z tego osobliwego układu jądra i elektronów, które nas obecnie obchodzą, dadzą się wywnioskować bez uwzględniania wszystkich możliwych ruchów w układzie. Jednem z tych następstw jest stwierdzenie, że atomy w warunkach zwykłych nie wkraczają nawzajem do swych odnośnych obszarów. Każdy posiada zewnętrzny pancerz czy też powłokę z elektronów, i gdy dwa atomy zbliżą się do siebie dostatecznie, zaczyna działać siła, przeciwstawiająca się dalszemu zbliżeniu atomów, której źródła doszukiwać się możemy we wzajemnem odpychaniu się powłok obydwu atomów. Gdy jednak obydwa atomy zderzą się ze sobą z dostateczną szybkością, zewnętrzne mury obronne mogą być zburzone i atomy przenikają się nawzajem. Gdy to się zdarzy, atomy mogą następnie wyswobodzić się i lecieć dalej bez żadnej zmiany, bez żadnych śladów wzajemnego zderzenia; jeden z nich lub oba mogły przytem stracić po elektronie, lecz strata ta niebawem zostaje wyrównana. Jedynie wtedy, gdy jądro jednego atomu dostatecznie przybliży się do jądra drugiego, następuje zmiana ruchu podobnie, jak przy spotkaniu dwóch kul bilardowych. Zmiany tego rodzaju zdarzają się tak rzadko i wymagają tak bezpośredniego i ścisłego zbliżenia, że zmuszeni jesteśmy wyobrażać sobie jądro atomu, jako coś niezmiernie małego. Te przenikania obszarów atomowych dają się spostrzec dzięki działaniu radu i podobnych substancyj, jak wyjaśniliśmy w poprzednim wykładzie; mają one dla nas duże znaczenie, gdyż wykazują nam wielkie rozrzedzenie materji w budowie atomu oraz podobieństwo tegoż do układu słonecznego. Nie zdarzają się one w warunkach, w jakich znajdują się zazwyczaj atomy, gdyż szybkości są wówczas o wiele za małe. Obszar, zajmowany przez atom z wyłączeniem atomów sąsiednich, ma około jednej stumiljonowej centymetra w przekroju; w tej to tak znikomo małej przestrzeni wykonywują swe ruchy względem siebie jądro i elektrony. Atomy lekkie posiadają obszary mniejsze, atomy cięższe nieco większe; mnożnik, wynoszący od trzech do czterech, wystarczy, abyśmy, znając obszar najmniejszy, obliczyć mogli obszar największy.

Mówiliśmy, że wszystkie atomy znajdują się w nieustannym ruchu i że zachodzi nieustanna walka między pewnego rodzaju siłą przyciągającą, która dąży do skupienia wszystkich atomów razem, a owym ruchem, który utrzymuje je w pewnem od siebie oddaleniu. Istnienie siły przyciągającej, z którą się liczymy jako z czemś bardzo istotnem, nie daje się na pierwszy rzut oka pogodzić z rozpatrywaną tylko co przez nas budową atomów, gdyż przyjmowaliśmy w niej działanie zewnętrznych powłok elektronów, przeciwstawiających się zbytniemu zbliżeniu się atomów. Jest to sprawa zawiła, gdyż niewątpliwie obydwa poglądy są
TABLICA V

A. Pływające magnesy.
Gdy liczba magnesów jest niewielką, tworzą one jeden pierścień, gdy jednak liczba ich zostanie zwiększoną, układają się one w parę lub kilka pierścieni koncentrycznych.



B. Kryształki w rurce, zawierającej emanację radu.
(Według prof. Soddy’ego).

TABLICA VI

A. Kamerton, umieszczony nad otwartem naczyniem.



B. Przyrząd do wytwarzania mgły.
Długa rura szklana wypełniona jest mgłą.


słuszne. Bezwątpienia ścisłemu jej ujęciu stoi na przeszkodzie brak dostatecznego dotychczas poznania istoty tych sił. Widzieliśmy, jak zdarzyć się może, że, dwa atomy, gdy zbliżą się do siebie z wielką szybkością, przenikają się nawzajem, gdy jednak szybkość ich jest umiarkowaną, odskakują od siebie, jak kule bilardowe. Musimy posunąć się o krok dalej i przekonać się, jak, w razie szybkości bardzo nieznacznych, atomy mogą istotnie przylgnąć do siebie. Każdemu z nas zdarzało się widzieć rozkołysane wrota, które, przy dostatecznie silnym rozpędzie, poruszają się tam i zpowrotem, nie zamykając się. Gdy jednak rozpęd się zmniejszy, wrota raptownie się zatrzaskują, ruch ich po krótkiem drganiu zostaje całkowicie wstrzymany. Musimy wytłumaczyć nieco podobne zjawisko. Gdy dwa atomy się spotykają, odpychanie się wzajemne ich powłok elektronowych powoduje, że atomy odbijają się od siebie; gdy jednak ruch jest powolny i atomy przebywają dłużej w bezpośredniem ze sobą sąsiedztwie, jest dosyć czasu na to, aby w wewnętrznych układach obydwu atomów zaszły pewne zmiany, przypominające zamknięcie się zatrzasku we wrotach, i atomy zostają ze sobą związane. Wszystko zależy od pewnej właściwości w budowie atomu, która wymaga jednostajności na powierzchni atomu tak, że zazwyczaj ma miejsce odpychanie; odpychanie to jednak zamieni się w przyciąganie, gdy czas będzie dostateczny, aby w atomach mogły zajść konieczne zmiany układów, albo nawet, gdy od samego początku spotkania atomy położone były względem siebie we właściwy sposób. Zobaczymy później kilka bardzo ciekawych przykładów tego zjawiska.
W niniejszym wykładzie rozpatrywać będziemy ten wypadek, kiedy niema istotnego działania sił przyciągających między atomami, czy to z powodu braku czasu, czy to z powodu znikomości tych sił, czy to z jakiegokolwiek innego powodu. Ciżba atomów w takim wypadku jest gazem.
Wypadki takie są bardzo liczne. Są zwłaszcza atomy, które dostarczają wybitnych przykładów; są to numery 2, 10, 18, 36, 54, 86, inaczej mówiąc, są to te atomy, których jądra posiadają ładunki dodatnie, wielkość których da się wyrazić przez jedną z tych liczb; w warunkach normalnych atomy te posiadają również odpowiadającą jednej z tych liczb ilość elektronów. Atomy te mają litylko znikome pragnienie kojarzenia się między sobą. Nie kojarzą się również z atomami innych rodzajów; innemi słowy nie tworzą związków chemicznych. Możemy nazwać je „atomami-odludkami“. Nie biorą one widocznego udziału w tem, co dzieje się na świecie, a istnienie ich uszło całkowicie uwagi aż do ostatnich lat. Nastąpiło to wówczas dopiero, gdy lord Rayleigh, dokonywując dokładnych pomiarów ciężaru atomowego azotu, pochodzącego z rożnych źródeł, stwierdził małą, ale niewątpliwą rozbieżność między gęstością azotu, pochodzącego z rozkładu znanego związku azotowego, a gęstością części powietrza, pozostałej po usunięciu z tegoż wszelkich znanych wówczas gazów. Stosownie do ówczesnych poglądów, pozostałość ta powinna była być czystym azotem. W istocie jednak powietrze w atmosferze zawiera mały odsetek jednego z tych nietowarzyskich atomów względnie gazów; jest to numer 18, t. j. ten, który posiada ośmnaście jednostek elektryczności dodatniej w swojem jądrze. Tak więc nader staranne pomiary Rayleigh’a doprowadziły do odkrycia nieznanej przedtem substancji. Nazwana ona została argonem to znaczy „leniuchem“. Być może, że nazwa ta me uwydatnia najwybitniejszych jej cech; gdyż atom ten jest równie ruchliwy, jak każdy inny tej samej mniejwięcej wielkości. Powietrze, wypełniające audytorjum Instytutu Królewskiego waży około 750 kilogramów, zawiera zaś około ośmiu kilogramów argonu. Jeśliby gaz ten ujawniał jakiekolwiek, choćby najmniejsze dążenie do tworzenia jakichkolwiek związków chemicznych, ilość taka, chociaż względnie nieznaczna, z łatwością dałaby się była wykryć zapomocą czułych metod chemji analitycznej.
Atom helu, najmniejszy z tego szeregu, jest identyczny z atomem, wyrzucanym przez rad i inne substancje promieniotwórcze podczas rozpadania się ich atomów. Posiada on normalnie dwa elektrony; jakkolwiek, gdy przelatuje on poprzez materję — po wyrzuceniu go przez rad — elektrony jego łatwo ulec mogą czasowemu oderwaniu. Ładunek dodatni jądra nie podlega jakimkolwiek zmianom naskutek lotu tak, że po ukończeniu tegoż brak ten szybko zostaje uzupełniony, zawsze znajdą się bowiem zabłąkane elektrony, które to ułatwią. Wówczas atom powraca znowu do niczem niezakłóconego i niezależnego bytowania, które stanowi jego cechę znamienną. Być może, że przeważająca część helu, znajdującego się na świecie, powstała kiedyś z atomów, wystrzeliwanych jeden po drugim przez substancje promieniotwórcze. W każdym razie znajdujemy go w miejscach, gdzie takie zjawiska musiały się zdarzać. Hel zbierany jest obecnie w dużych ilościach w Stanach Zjednoczonych i w Kanadzie, gdzie wydobywa się z niektórych źródeł wód mineralnych. Używa się do napełniania balonów-sterowców, gdyż ze względu na swe główne własności najbardziej się do tego celu nadaje. Jest lekkim, a jego siła wznośna jest niemal równą sile wznośnej wodoru, t. j. atomu o jednym elektronie; ciężar atomowy wzrasta naogół z ilością elektronów. Siła wznośna gazu, musimy pamiętać, zależy nie od gęstości gazu, lecz od różnicy między gęstościami gazu i powietrza. Gęstości wodoru, helu i powietrza mają się do siebie, jak 1:2:14,4; siły wznośne wodoru i helu mają się do siebie jak 13,4 do 12,4. Lecz główną zaletą helu jest jego niezapalność. Atom wodoru jest bardzo towarzyski, a w szczególności wykazuje silne dążenie do kojarzenia się z tlenem: gdy wodór i tlen zostaną zmieszane ze sobą, wystarczy jedna iskierka, aby wywołać połączenie się, któremu towarzyszą płomień i wybuch. Balon, napełniony wodorem, łatwo zatem ulec może katastrofie; lecz hel nie dąży do zmiany, niema więc obawy pożaru. Nazwę tego gazu zawdzięczamy odkryciu go na słońcu; nie można było utożsamić pewnego jasnego prążka w widmie słońca z jakimkolwiek z prążków, cechujących znane na ziemi pierwiastki. Naskutek tego nazwano „helem“ czyli „substancją słoneczną“ nieznany pierwiastek, któremu przypisać wypadło ów prążek w widmie słońca. Dopiero później stwierdzono, że hel należy do tego szeregu gazów, którego zbadaniem zajęli się Lord Rayleigh i sir William Ramsay w wyniku doświadczeń, przeprowadzonych przez Rayleigh’a z azotem.
Gaz, składający się z atomów o dziesięciu elektronach neon t. j. „nowy“ mniej jest pospolitym od argonu. Posiada on szczególną własność żarzenia się żywą barwą, żarzenia wzniecanego z łatwością przez wyładowania elektryczne, i często używa się w żarówkach elektrycznych: wszystkim nam jest znane czerwonawo-pomarańczowe światło lampy neonowej.
„Krypton“ (36) czyli gaz „ukryty“ i „ksenon“ (54) czyli „obcy“ są bardzo rzadkiemi. Ostatnim członem szeregu jest „radon“, zwany także emanacją radu. Atom tego pierwiastka posiada normalnie ośmdziesiąt sześć elektronów i jest cięższą z części, na które rozpada się atom radu. Podobnie, jak inne gazy tegoż szeregu, dąży radon do całkiem niezależnego bytowania, tak, że z rozpadającego się radu powstają dwa gazy. Na niektórych zdjęciach Wilson’owskich (Tabl. III A, B), przedstawiających ślady przebiegu atomów helu, zauważyć możemy ślady, zaczynające się w środku komory, spowodowane one zostały rozpadnięciem się atomów tego ciężkiego gazu, będącego również promieniotwórczym. W istocie, przeciętny okres jego życia trwa zaledwie trzy i pół dnia.
Nie przypuszczajmy, żeby nie można było zmusić te dziwno atomy do kojarzenia się w jakichkolwiek okolicznościach. Można uzyskać ich wzajemne łączenie się w stanie płynnym, lecz tylko przy niezmiernie niskich temperaturach. Przy temperaturach zwykłych tworzą one wszystkie gazy. Skroplenie helu jest jednem z dzieł, dokonanych w pracowni Kamerlingh Onnes’a w Lejden, gdzie otrzymywanie niskich temperatur doprowadzone zostało do wysokiego stopnia doskonałości.
Są inne atomy, jak wodoru, azotu, tlenu i t. d., które łatwo łączą się w niewielkie grupy, czyli cząsteczki, z których każda równie wolną jest od wszelkiego dążenia do kojarzenia się z cząsteczkami tego samego rodzaju, a w wielu wypadkach z cząsteczkami innych rodzajów, jak wolnemi są od takiego dążenia atomy helu lub argonu. Dwa atomy wodoru tworzą bardzo stałą i „nietowarzyską“ cząsteczkę; tak samo dwa atomy azotu lub tlenu. Pierwiastki te posiadają własności gazów. Skroplenie wodoru dokonane zostało przez sir’a Jakóba Dewar’a w pracowniach tego Instytutu. Dotychczas znajduje się tutaj użyta do tego aparatura. W przedpokoju wisi obraz, na którym widzimy Dewar’a, na jednym ze swych wykładów w tem audytorjum, przelewającego płynny wodór z jednego ze swych naczyń o podwójnych ściankach z wypompowanem między niemi powietrzem do drugiego takiegoż naczynia. Powietrze jest w przeważnej części mieszaniną cząsteczek tlenu i azotu. Inne dobrze znane cząsteczki, tworzące w warunkach zwykłych gazy, są to cząsteczki tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO2), metanu (CH4) i t. p. We wszystkich tych wypadkach dwie cząsteczki, posiadające szybkość, odpowiadającą zwykłym temperaturom, przy wzajemnem zderzeniu się odskakują od siebie, zachowując tem samem swe niezależne istnienie. To, nad czem wypada nam się obecnie zastanowić, są to właśnie następstwa, jakie powinny wynikać z tego niezależnego istnienia.
Wyobraźmy sobie naczynie zamknięte, zawierające pewną liczbę atomów albo cząsteczek w nieustannym ruchu wewnątrz tegoż naczynia, czyli, jak winniśmy się wyrazić, zawierające gaz. Zderzają się one ustawicznie między sobą i ze ściankami naczynia, i zachowują się tak, jakby zachowywały się wprawione w ruch kule bilardowe, gdyby ruch ich odbywał się bez tarcia i naskutek tego trwał wiecznie. Istotnie w bardzo odpowiedni sposób da się zobrazować rozpatrywane zjawisko zapomocą małego bilardu, którego pp. Burroughs i Watts byli tak uprzejmi użyczyć nam dla tego celu. Kule na bilardzie w krótkim czasie powracają do stanu spoczynku, ponieważ zarówno bandy, jak i same kule nie są doskonale elastyczne; ponadto zachodzą straty energji naskutek tarcia kul o sukno, pomimo tego, że jest ono tak gładkie. Tem niemniej, gdy ruch ten zostanie wszczęty, trwa on dość długo, aby dać pojęcie o tem, coby się stało, gdyby trwał on bez końca.

Ryc. 4. — Szkic małego bilardu doświadczalnego, z kulami i ruchomą bandą.
Gdy kule są w ruchu, popychają bandę ruchomą i tracą część swej energji. Gdy, przeciwnie, posuniemy raptownie bandę ku kulom, ruch ich zostanie wzmożony.
Całkiem uzasadnionem jest pytanie, jaki jest wpływ siły ciążenia na ruch atomów w zamkniętem naczyniu. Czy nie skupi je wszystkie na dnie? Jak się to dzieje, że gaz wypełnia zarówno górne części naczynia, jak i dolne? Odpowiedź brzmi, że siła ciążenia niewątpliwie działa w całej pełni, lecz wpływ jej jest tak nikły, że nie daje się spostrzec w rozpatrywanym przez nas szczególnym wypadku. Jeślibyśmy mogli sobie wyobrazić, że gaz został całkowicie pozbawiony swego ciepła i, co za tem idzie, ruch jego atomów całkowicie ustał, i, jeśliby można pominąć siły przyciągające, wówczas, oczywiście, atomy osiadłyby w całkowitym bezruchu na dnie naczynia. Gdybyśmy następnie doprowadzili do nich odrobinę ciepła, wolno nam przypuszczać, że zaczęłyby skakać do góry i nadół, jak doskonale elastyczne kule po doskonale elastycznej podłodze. Jeśliby temperatura podniosła się przytem o jedną tysiączną stopnia Celsjusza, wysokość ich skoków wynosiłaby około trzydziestu centymetrów. Przy dostatecznym dopływie ciepła zaczęłyby atomy dosięgać w swych skokach pokrywy naczynia, przyczem moglibyśmy przypuścić, że liczba ich jest tak mała, że tylko zrzadka zderzałyby się ze sobą. Lecz przy temperaturach zwykłych ruchy atomów byłyby tak szybkie — około 1.800 metrów na sekundę, — że siła ciążenia powodowałaby tylko nieznaczną różnicę w szybkości ich wznoszenia się ku górze i opadania, wobec czego w każdej chwili znajdowałoby się tyleż atomów w górnej części naczynia, co w dolnej. Gdyby były one tak liczne, jak cząsteczki powietrza w warunkach normalnych, zderzałyby się ze sobą częściej niż ze ściankami naczynia. W powietrzu normalna długość przebiegu pomiędzy dwoma następującemi po sobie zderzeniami wynosi niespełna jedną miljonową centymetra. Skoro siła ciążenia nie ma widocznego wpływu, bilard daje nam tem lepszy obraz zjawiska; moglibyśmy uzyskać coś na podobieństwo siły ciążenia, pochylając nieco powierzchnię bilardu, lecz nie warto byłoby zadawać sobie tyle kłopotu.
Jeśli atomy względnie cząsteczki gazu ustawicznie zderzają się ze ściankami naczynia, muszą te ostatnie naskutek tego być poddane stałemu ciśnieniu, skierowanemu nazewnątrz; mamy w istocie na myśli ciśnienie, wywierane przez gaz na otaczającą go powłokę. Rozdęcie balonu jest następstwem bombardowania jego powłoki przez cząsteczki wypełniającego balon gazu. Gdy na naszym bilardzie umieścimy ruchomą bandę i wprawimy w ruch kule, banda zostanie przez nie odepchnięta. Gdyby ilość kul została dwukrotnie zwiększona, ciśnienie byłoby dwa razy większe. Jest to właśnie dobrze znane prawo gazów, według którego ciśnienie jest proporcjonalne do gęstości przy niezmienionych pozostałych warunkach. Zwiększymy ciśnienie, wywierane na bandy, nadając kulom pęd szybszy; tak samo ciśnienie gazu wzrasta w miarę podnoszenia się temperatury.
Przypuśćmy teraz, że nagle posuniemy ruchomą bandę ku poruszającym się i odbijającym się o nią kulom. Jest rzeczą jasną, że przez to ruch kul zostaje wzmożony. Tak samo, gdy popchniemy jedną ze ścianek naczynia ku wnętrzu, tak, jak to ma miejsce przy opuszczaniu tłoka w cylindrze, ruch atomów się wzmaga. Innemi słowy temperatura podnosi się. Wiemy wszyscy, jak bardzo rozgrzewa się przy użyciu pompka do nadymania dętek rowerowych. Zjawisko odwrotne również ma miejsce. Gdy bandę ruchomą na bilardzie odsuniemy, podczas gdy kule w nią uderzają, ruch ich się zmniejsza. Jeśli kiedykolwiek graliśmy w kryketa, wiemy, że, chcąc schwytać piłkę, musimy cofać nasze dłonie w chwili, gdy dotkną się lecącej piłki: cofające się dłonie niweczą stopniowo ruch piłki. Gdy będziemy trzymali dłonie nieruchomo, piłka napewno wyskoczy z pomiędzy nich zpowrotem. Tak samo przy tennisie, gdy chcemy schwytać piłkę, musimy pochylić rakietę, z lekka ją cofając w chwili zetknięcia z lecącą piłką, aby ruch jej zmniejszał się stopniowo, co wymaga dużej wprawy i szybkiej orjentacji, gdyż czas zahamowywania musi być ściśle uchwycony ze względu na sztywność strun rakiety. W zachowaniu się gazu odpowiednikiem tych zjawisk jest ochłodzenie gazu naskutek ekspansji czyli nagłego rozrzedzenia. Jako przykład tego zjawiska mieliśmy działanie aparatury Wilson’a, podczas którego nagłe zwiększenie zamkniętej przestrzeni, wypełnionej wilgotnem powietrzem, wywoływało takie oziębienie, że wilgoć w postaci mgły osiadała na atomach helu. Ekspansja musiała być dostatecznie raptowną, w przeciwnym razie możliwym byłby równoczesny dopływ ciepła z zewnątrz i pożądana niska temperatura nie dałaby się osiągnąć.
Nagłe rozrzedzenie wielkich mas powietrza w atmosferze jest częstem źródłem deszczu i śniegu. Wśród nieustannego ruchu wiatrów zdarzyć się może, że wielka masa wilgotnego powietrza, znalazłszy się w obszarze niższego ciśnienia, ulega rozrzedzeniu i co za tem idzie tak znacznemu ochłodzeniu, że para wodna zaczyna się skraplać. Łatwo odtworzyć to zjawisko w małej skali. Rura szklana, jaką widzimy na stole (Tabl. VI B) zawiera powietrze, które przedostając się do niej przez wodę, przepojone zostało wilgocią. Przewód, którym zostało ono doprowadzone, zamknięty jest obecnie kurkiem. U drugiego końca rury znajduje się inny kurek, który w tej chwili jest również zamknięty i przerywa połączenie rury z pompą próżniową. Gdy ten drugi kurek otworzymy, powietrze w rurze się rozrzedza i w oka mgnieniu biała mgła wypełnia rurę. Wiązka promieni z lampy łukowej skierowana jest wzdłuż rury i oświetla mgłę. Zapomocą pompy próżniowej usunąć możemy powietrze z rury i w ten sposób powtarzać doświadczenie dowolną ilość razy. Za każdym razem, po napełnieniu rury wilgotnem powietrzem, oczyszczonem zapomocą przefiltrowania od wszelkiego kurzu i dymu, otrzymujemy ten sam rodzaj białej mgły, którą nieraz zauważyć można w czystem wiejskiem powietrzu. Gdy jednak wpuścimy do rury powietrze bezpośrednio z otaczającej przestrzeni bez uprzedniego filtrowania, otrzymamy jako wynik ekspansji gęstą szarą mgłę taką samą, jaka niestety nazbyt często powstaje w powietrzu londyńskiem.
Zapomocą bilardu możemy też ułatwić sobie zrozumienie i innych własności gazu. Umieśćmy wśród kul bilardowych pewną ilość lekkich kulek celuloidowych, i wprawmy wszystko to w ruch. Spostrzeżemy odrazu, że w ogólnem zamieszaniu kulki celuloidowe uzyskają większe szybkości aniżeli kule bilardowe. Podobnie, gdy jakiś gaz zawiera dwa rodzaje atomów, cięższe i lżejsze, te ostatnie uzyskują w ciągłej wymianie ruchu większą szybkość przeciętną aniżeli pierwsze. Gdy wodór zmieszany jest z tlenem, cząsteczki wodoru istotnie poruszają się średnio cztery razy szybciej od cząsteczek tlenu. Zapomocą obliczenia, którego tu nie przytaczamy, można wykazać, że atomy różnych rodzajów, zmieszane ze sobą, wszystkie posiadają jednakową przeciętną energję, przyczem lżejsze wyrównywają niedostatek, wynikający z ich mniejszej masy, większą szybkością, jaką uzyskują. Kiedy nawet gazy nie są ze sobą zmieszane, lecz wypełniają oddzielne naczynia, podlegają one temu samemu prawu, pod warunkiem, że posiadają one jednakową temperaturę. Jakkolwiek w tym wypadku atomy obydwu gazów nie są w stanie bezpośrednio wymieniać i wyrównywać nawzajem swoje energje, w istocie ma to jednak miejsce za pośrednictwem różnego rodzaju materji, jaka je przedziela, t. j. ścianek naczyń, które gazy te zawierają, stołu, na którym są one umieszczone, oraz za pośrednictwem powietrza. W samej rzeczy przeciętny ruch atomu jest ściśle określony przez temperaturę.
Z łatwością zobrazować sobie możemy to zjawisko. Dźwięk jest ruchem, jaki przekazują jeden drugiemu atomy gazu, przez który dźwięk się przedostaje, zupełnie tak samo, jak przy pożarze robotnicy, tworzący łańcuch, podają sobie z rąk do rąk kubły z wodą. Im szybsze są ruchy ich rąk, tem szybciej posuwa się naprzód woda. Tak samo zupełnie dźwięk rozprzestrzenia się tem szybciej, im większe są szybkości atomów; lub, co jest równoznaczne, im atomy są lżejsze. Piszczałka w organach, napełniona gazem węgłowym daje ton wyższy niż, gdy jest dęta powietrzem, ponieważ cząsteczki gazu lżejszego poruszają się szybciej i drgania piszczałki są naskutek tego częstsze. Bardzo proste doświadczenie może nam to wyjaśnić. Na stole znajduje się wysokie naczynie szklane, do którego nalewano wody aż do chwili, kiedy pozostały nad mą słup powietrza zaczął głośno odpowiadać przez rezonans na drgania kamertonu, trzymanego tuż nad naczyniem (Tabl. VI A). Fale powietrza posuwają się ku górze i wdół naczynia ściśle w czasie, odpowiadającym drganiom kamertonu; okres drgań własnych naczynia równa się okresowi drgań kamertonu, jak możemy to udowodnić, dmuchając lekko ponad wierzchem naczynia i tem samem wydobywając zeń cichy ton. Teraz wpuszczamy przez rurkę gumową gaz do naczynia i odgłos znika całkowicie. Ruchy odbywają się teraz ku górze i ku dołowi naczynia z większą szybkością, a okres drgań własnych naczynia nie równa się już okresowi drgań kamertonu. Jeśli teraz odlejemy nieco wody z naczynia i zaczniemy znowu doświadczenia przy napełnieniu powietrzem, nie otrzymamy rezonansu dopóki nie wprowadzimy do naczynia pewnej ilości innego gazu. Odgłos wystąpi w całej pełni z chwilą, gdy nastąpi rezonans między ruchami cząsteczek mieszaniny gazu z powietrzem, a drganiami kamertonu.
Wyobraźmy sobie, że w ścianie naczynia, zawierającego gaz, znajduje się maleńki otwór. Za każdym razem, gdy atom lub cząsteczka dotrze do otworu, przenika przezeń i już nie powraca. Jasnem jest, że gaz lekki prędzej będzie się przesączał nazewnątrz aniżeli gaz ciężki, gdyż ruch jego atomów w naczyniu jest szybszy i większa liczba atomów na sekundę trafiać będzie w otwór. Zjawisko to często jest stosowane w celu oddzielenia od siebie dwóch gazów w tych wypadkach, gdy inne środki zawodzą. Rayleigh i Ramsay naprzykład korzystali z tego sposobu dla odłączenia argonu z azotu w mieszaninie tych gazów, stanowiącej pozostałą część powietrza atmosferycznego po usunięciu zeń wszystkich innych gazów. Przepuszczano w tym celu mieszaninę obydwu gazów przez szereg glinianych cybuchów fajkowych, przy czem azot ulatniał się przez pory fajek szybciej od argonu. Atom argonu jest czterdzieści razy cięższy od atomu wodoru, a atom azotu dwadzieścia ośm razy; azot przesącza się przeto łatwiej przez porowate ścianki gliniane cybuchów fajkowych, i naskutek tego gaz, wydobywający się z drugiego końca szeregu fajek, bogatszy jest w argon od wprowadzanej do tego przewodu mieszaniny. Przebieg dyfuzji jednego gazu do drugiego posiada w istocie ten sam charakter, gdyż odstępy między atomami lub cząsteczkami jednego z gazów dadzą się porównać do porów w fajce glinianej. Dyfuzja jest zjawiskiem bardzo powolnem, pomimo wielkiej szybkości atomów w gazach, przyczyna tego tkwi w wielkiej częstości zderzeń między cząsteczkami. Pozornie mogłoby się wydawać, że dyfuzja jednego gazu do drugiego odbywa się szybko, a to na podstawie takiego np. faktu, że, gdy otworzymy kurek przewodu gazowego, rychło w całym pokoju poczujemy zapach gazu. Przyczyną tego rozproszenia są raczej prądy konwekcyjne aniżeli dyfuzja, dzięki czemu gaz świetlny zbitemi masami rozchodzi się w powietrzu. Zjawisko to w bardzo ładny sposób daje się zauważyć w postaci wznoszących się obłoków dymu od papierosa (Tabl. VII). Gdy położymy papieros na popielniczce, wąskie pasmo niebieskiego dymu unosi się w górę, jak powiewający pióropusz, który rozpościera się, wygina i zwija w delikatne spirale i krzywe powierzchnie. Pasmo dymu, rozwiewając się w powietrzu, uwidacznia nam działanie konwekcji. Przez cały czas odbywa się dyfuzja między prądem powietrza, przepojonego dymem, a powietrzem czystem; lecz proces ten jest tak powolny, że zarysy obłoków dymu przez długi czas pozostają ostre. Podobnie, gdy pokój nagrzewa się dopływem gorącego powietrza, ciepło rozchodzi się dzięki prądom konwekcyjnym i fale gorącego powietrza przenikają przez zimne. Przyczyną tego nie są indywidualne ruchy cząsteczek gorącego powietrza, przedostających się poprzez cząsteczki powietrza zimnego; przenikanie tego rodzaju odbywa się, oczywiście, również, ale postępuje powoli. Konwekcja jest bardziej skuteczna od przewodnictwa.
Ruchy mas gorącego gazu, przenikających gaz zimny, podlegają oczywiście prawom ciążenia: ciało lżejsze, o ile pozostaje skupione, dąży do wzniesienia się ponad ciało cięższe. Dym z papierosa unosi się w górę, ponieważ powietrze nad żarzącym się końcem papierosa nagrzewa się i staje się lżejszem; prądy zimniejsze, dopływając ze wszystkich stron, spotykają się ze sobą i wznoszą się w górę otaczając cienkie pasmo dymu. To wąskie pasmo stanowi ich wspólną granicę; gdy powietrze jest spokojne i wspomniane prądy są stałe, pionowe pasmo dymu wydłuża się coraz bardziej; lecz najlżejszy ruch papierosa zakłóca jednostajny przepływ prądów i równe pasmo skłębią się w piękne krzywe. Działanie komina, powodujące ciąg, jest zapewne wszystkim znane; lecz może być interesujące przypatrzeć się ponownie pewnemu dawnemu doświadczeniu Faraday’a.
Ryc. 5. — Reprodukcja z „Chemji świecy“ Faraday’a.
Do otworu krótszego ramienia zgiętej rury zbliżamy zapalony kłębek pakuł, przepojonych spirytusem (patrz ryc. 5). Gdy przez jakiś czas dmuchać będziemy na płomień, przeniknie on przez krótsze ramię rury do dłuższego i palić się nadal będzie u otworu tegoż nawet, gdy przestaniemy dmuchać. Kanały grzejników w salach szpitalnych urządzone są często na tej zasadzie, tak, że ciąg przechodzi pod podłogą. Ruch powietrza w tym wypadku spowodowany jest, oczywiście, tem, że powietrze gorące w dłuższem ramieniu jest lżejsze od odpowiedniej objętości powietrza otaczającego. Odwrotne zjawisko zdarza się nieraz w domu, gdy powietrze w kominie jest zimniejsze od powietrza otaczającego, naskutek czego skierowany wdół ciąg napełnia pokój zapachem sadzy.
Coś bardziej zbliżonego do zjawiska przewodnictwa ma miejsce, gdy znajdujący się w naczyniu gaz nagrzewa się przez ścianki. Gdy cząsteczki gazu w ciągu swego nieustannego ruchu zbliżą się do ścianek, otrzymają one impulsy od drgań stałego materjału w ściankach, podobnie, jak kulka na naszej rycinie otrzymuje silne uderzenie naskutek zetknięcia się z drgającym zębem kamertonu.
Sir Dewar swoją „butelkę próżniową“ do przechowywania powietrza ciekłego sporządził z naczynia szklanego o ściankach podwójnych, z pomiędzy których wypompował powietrze. Usunął przez to stamtąd cząsteczki, któreby mogły przenosić energję od ścianki zewnętrznej do wewnętrznej. Wszelki dopływ ciepła czy to przez przewodnictwo czy to przez konwekcję został przez to udaremniony.


Ryc. 6. — Kamerton i kulka ze rdzenia brzozowego.
Kulka odrzuconą zostaje z dużą siłą od kamertonu.

Ciepło może również rozprzestrzeniać się przez promieniowanie w eterze; temu jednak można przeszkodzić, posrebrzając powierzchnie naczynia wewnątrz podwójnych ścianek. Gdy zostanie to wykonane, izolacja termiczna powietrza jest niemal doskonała.
Zupełna wzajemna niezależność atomów względnie cząsteczek gazu jest powodem jego doskonałej podzielności. Gdy ciało stałe krajemy nożem, musimy użyć pewnej siły, aby oderwać cząsteczki jedne od drugich; w gazie jednak te siły wiążące są zupełnie nikłe.
Przedmiot, poruszający się w powietrzu, napotyka opór, wynikający z konieczności wprawienia w ruch części
Ryc. 7. — Butelka próżniowa.
Proszę zwrócić uwagę na rurkę u dna naczynia (obecnie zatopioną), przez którą powietrze zostało wypompowane między ściankami zewnętrzną i wewnętrzną obydwu naczyń.
powietrza, co wymaga zużycia energji. Gazy są, oczywiście lekkie i energja, potrzebna do wprawienia ich w ruch, jest stosunkowo niewielka. Lekkość ich oraz łatwość, z jaką możemy się przez nie przedostawać, czynią, że z łatwością zapominamy zarówno o tem, jak wielkiem jest ciśnienie powietrza na powierzchni ziemi, jak też, jak duży ciężar posiada powietrze, wypełniające większą przestrzeń np. przestrzeń tego audytorjum. Powietrze wywiera ciśnienie na nasze ciała, wynoszące około jednego kilograma na jeden centymetr kwadratowy; że pod tem ciśnieniem me kurczymy się, zawdzięczamy temu, iż powietrze wewnątrz naszego ciała znajduje się pod tem samem ciśnieniem co powietrze nazewnątrz. Gumowa laleczka (p. Tabl. VIII A) opada całkowicie, gdy wypompujemy z niej powietrze. Naczynie cynowe o cienkich ściankach, widoczne na Tabl. VIII B zawierało z początku trochę wody, która została nagrzana do temperatury wrzenia, tak, że para wodna usunęła całkowicie z naczynia powietrze. Otwór, przez który przedostawała się para, został następnie zamknięty, a naczynie oblane zimną wodą. Znajdująca się wewnątrz para zgęszcza się i ciśnienie spada niemal do zera. Pod działaniem powietrza zewnętrznego naczynie wówczas ulega zgnieceniu.
W sposób jeszcze bardziej uderzający zdamy sobie sprawę z tego, jak wielkiem jest ciśnienie powietrza, gdy uprzytomnimy sobie, że żelazna sztaba o przekroju jednego centymetra kwadratowego i o długości około półtora metra, postawiona na sztorc na stole, ciężarem swym nie wywiera na centymetr kwadratowy powierzchni stołu ciśnienia większego od ciśnienia atmosferycznego.

Gdy więc uwzględnimy w dostatecznej mierze ciężar powietrza, nie zdziwimy się, że potrzeba dużej siły, aby wprawić je w szybki ruch, albo też, że powietrze, znajdujące się w szybkim ruchu, może wywierać bardzo znaczne ciśnienie na ciała, jakie spotyka na swej drodze. Każdemu z nas znane jest ciśnienie wiatru, oraz to spustoszenie, jakie może spowodować wicher. Tak samo obracające się śmigło aeroplanu odrzuca z wielką szybkością masy powietrza, a wywołana tem wielka siła przeciwdziałania nadaje płatowcowi potrzebną szybkość. Podczas swego lotu aeroplan, tak jak ptak, dąży ustawicznie do spadku wdół i do pociągnięcia za sobą mas powietrza, znajdującego się pod nim i dookoła niego. Lecz nabiera on siły, aby wprawić w ruch te masy powietrza, a przeciwdziałanie wznosi go w górę. Jeśliby płatowiec nie posiadał pędu naprzód, wkrótce wprawiłby znajdujące się pod nim powietrze w ruch ku dołowi i wraz z nim zacząłby spadać; lecz w locie swym wciąż posuwa się ku coraz to innym masom powietrza, których jeszcze nie ogarnął ruch, skierowany ku dołowi. Bardzo proste małe doświadczenie wyjaśni nam bliżej ten punkt. Rzucamy kawałek papieru odpowiedniej wielkości np. długości 10 cm. i szerokości
TABLICA VII

Dym z papierosa.
A. Dym z papierosa unosi się w górę prostem pasmem. Pociąga ono ze sobą powietrze otaczające, lecz zdjęcie fotograficzne nie może tego ujawnić; mamy tam unoszący się w górę prąd powietrza, w środku którego znajduje się pasmo dymu.
B i C. Na tych zdjęciach widzimy papieros, który został raptownie poruszony przed samem dokonaniem zdjęć. Prady unoszącego się w górę powietrza, które nasamprzód zetknęły się z końcem papierosa skłębiają się i okręcają się dookoła siebie, zachowując przytem swoją odrębność. Mieszają się one ze sobą bardzo powoli przez dyfuzję cząsteczek z jednego prądu do drugiego, pomimo, że cząsteczki te są w ruchu; gdyby prądy powietrza mieszały się ze sobą szybko, kłąb dymu byłby bezkształtną masą. Spotykające się prądy powietrza mieszają się ze sobą raczej przez konwekcję aniżeli przez dyfuzję.

TABLICA VIII

A. Lalka gumowa opada, gdy zostanie połączona z pompą próżniową.



B. Woda w naczyniu cynowem znajdowała się w stanie gwałtownego wrzenia w chwili, gdy usunięto palnik bunsenowski i zamknięto kurek. Gdy oblano je zimną wodą, ścianki jego zapadły się.


trzech, w sposób, jak to pokazuje rycina; skrawek papieru, obracając się dookoła swej osi, opada ku ziemi po linji skośnej. Kierunek osi obrotu pozostaje w takim samym stosunku do kierunku spadania, jak kierunek osi obrotu kuli, staczającej się po spodniej powierzchni równi pochyłej. Wytłumaczyć to sobie możemy tem, że znajdujący się na przodzie brzeg papieru napotyka na coraz to inne masy powietrza, które nie zaczęły jeszcze opadać, podczas gdy tylna część papieru ślizga się po powietrzu, które pociągnięte tylko co zostało ku dołowi przez przednią część. Tak więc tylna część opuszcza się ku dołowi, podczas gdy przednia utrzymuje się na tym samym poziomie, naskutek czego papier zaczyna się obracać, jak to widzimy na rycinie, dopóki nie posunie on się znowu naprzód. Lecz wówczas brzeg, który znajdował się wtyle, wysuwa się naprzód, i tak dalej.


Ryc. 8. — Skrawki papieru różnego kształtu, opadające ku ziemi.
a) Następujące po sobie położenia skrawka opadającego papieru. b) Skrawek papieru lekko wygięty opada, kołysząc się po linji zygzakowatej. c) Skrawek papieru z całkowicie zagiętemi brzegami opada prosto wdół.

Papier obraca się wciąż dookoła swej osi, przyczyną tego ruchu jest nader prosty kształt skrawka. Ptak lub aeroplan natomiast podczas lotu opadowego szybuje spokojnie i pewnie, kształt zaś skrzydła jest w rzeczywistości nader skomplikowanym, o czem przekonali się konstruktorzy aeroplanów.
Nadanie właściwego kształtu aeroplanowi (aeroplan wbrew swej nazwie bynajmniej nie jest płaskim), a zwłaszcza jego przedniej krawędzi, jest rzeczą wielkiej wagi, i wymaga dużej subtelności w wykonaniu. Ptak używa swych skrzydeł nietylko, gdy szybuje podczas lotu opadowego, ale także gdy trzepocze niemi, aby zmieniać kierunek lub szybkość swego lotu; to też dlatego skrzydła posiadają budowę, wspaniale dostosowaną do ich szczególnego przeznaczenia.
Ryc. 9. — Rysunki, według Lilienthal’a, uwidaczniające pióra, rozwierające się, aby przepuścić powietrze podczas wzbicia skrzydła (rysunek górny), a zwarte dla powstrzymania powietrza podczas opuszczania skrzydła (rysunek dolny).
W samej rzeczy skrzydło składa się z szeregu zaworów, które otwierają się przy podnoszeniu skrzydła, a zamykają przy jego opadaniu; dzięki temu ciśnienie powietrza na skrzydło jest mniejsze podczas wzbicia skrzydeł,aniżeli podczas uderzenia niemi wdół. Działanie to jest nieco podobne do działania błon u nóg kaczki, które rozciągają się, wywierając większe ciśnienie na wodę, gdy noga zostaje pchniętą wtył, aniżeli, gdy noga posuwa się naprzód, sam sposób jednak działania jest całkiem odmienny. Żeberko pióra nie zawsze leży pośrodku, lecz często umieszczone jest z jednego boku, a szereg piór tak jest ułożony, że pióra zachodzą jedne na drugie, układając się w krzywą powierzchnię wzdłuż żeberka. Gdy się skrzydło podnosi, rozwierają się one, jak listewki w żaluzji okiennej i powietrze przechodzi swobodnie; gdy skrzydło opada, pióra zwierają się, szczelnie przylegając nawzajem do siebie. Oba rysunki na rycinie 9. zapożyczone są z dzieła Ottona Lilienthal’a „Lot Ptaków“ str. 101. Przedstawiają one przekroje skrzydeł kondora. Jak powiada Lilienthal, „każdy badający lot bocianów wie, że można co pewien okres patrzeć poprzez skrzydła“. Co więcej wszystkie niezliczone części każdego pióra biorą udział w tem działaniu wentylowem. Jasnem jest, że dzięki takiej budowie samo trzepotanie skrzydłami powodować musi wznoszenie się w górę niezależnie od wszystkich innych właściwości ruchu.
Ryc. 9a. Mewa w locie.
Podczas opadania skrzydło przekręciło się, okazując dolna swą powierzchnię i wywołując tem pchnięcie naprzód.
Pchnięcie naprzód wywołane zostaje wygięciem skrzydła wzdłuż sztywnej krawędzi przedniej, jak to widzimy z rysunków skrzydeł mewy w locie („Lot ptaków“, str. 96). Wykonane zostały one w słońcu: gdy skrzydło się podnosi, tylne jego części wyginają się wdół i okazują jasną powierzchnię górną; gdy skrzydło opada, wygina się w ten sposób, że widoczną się staje ciemniejsza powierzchnia dolna. Wznoszenie się w górę musi też oczywiście mieć miejsce nawet wtedy, gdy skrzydła rozpostarte są bez ruchu, o ile tylko w powietrzu zachodzą nieznaczne drgania, wiry i podmuchy. Przepiękne szybowanie ptaków, przebywających w ten sposób wiele kilometrów bez jakiegokolwiek ruchu skrzydeł i bez żadnego widocznego wysiłku, przypisane być może powyższemu zjawisku; podobno szybowanie to nie ma miejsca, gdy powietrze jest zupełnie spokojne.

Bardzo ładnym przykładem praw aerodynamiki jest odchylenie z drogi prostej, jakiego doznaje wyrzucona kula, wirująca dookoła swej osi; zjawisko to bezwątpienia zainteresuje większość obecnych.

Ryc. 10. — Lot piłki golfowej „ściętej“.
Przestrzeń kreskowana wskazuje, gdzie powietrze zostaje zgęszczone naskutek ruchu obrotowo-postępowego piłki; to nagromadzenie zgęszczonego powietrza powoduje odchylenie się piłki na prawo.
Widzimy je i korzystamy z niego przy każdej prawie grze sportowej, jakkolwiek może najjaskrawiej występuje ono w wypadku golfa, gdyż w grze tej piłka uzyskuje największą szybkość. Przypuśćmy, że gracz w golfa „ścina“ swą piłkę: piłka, zamiast lecieć po linji prostej w kierunku, jaki zdawałoby się został jej nadany, odchyla się w swym locie na prawo. Piłka przytem wykonywa ruch obrotowy dookoła swej osi; przód piłki przesuwa się od lewej ku prawej stronie gracza, śledzącego za odlatującą piłką, tył zaś piłki przesuwa się odwrotnie. Najwidoczniej gracz nie uderzył piłki prawidłowo, t. j. nie trafił uderzając w sam środek piłki, lecz w chwili uderzenia przesunął nieco koniec maczugi po powierzchni piłki; być może, że ściągnął on nieco ramiona w momencie uderzenia i przez to ruch jego nie był prawidłowy. Przed posuwającą się naprzód piłką znajduje się bezpośrednio jakby poduszka zgęszczonego powietrza, które nie zdążyło stamtąd odpłynąć. Gdy piłka wiruje tak, jak to przypuściliśmy, strona lewa względem śledzącego piłkę gracza obraca się naprzód w kierunku lotu, strona zaś prawa przesuwa się w kierunku przeciwnym tak długo, jak trwa ruch obrotowy piłki. Naskutek tego powietrze przez tarcie porwane zostaje ku przodowi silniej z lewej strony niż z prawej i poduszka powietrza, znajdująca się przed piłką jest gęstszą po lewej stronie niż po prawej. Stąd wynika, że piłka w locie swym skręca na prawo.

Dalekonośność kuli golfowej zawsze spowodowana jest nadanym jej w sposób właściwy ruchem obrotowym: uderzenie musi być tego rodzaju, że piłka obraca się naskutek niego dookoła osi poziomej, przyczem dolna część piłki porusza się dzięki temu ruchowi obrotowemu naprzód w kierunku rzutu. To sprawia, że piłka dąży do wzniesienia się w górę podczas swego lotu.
Rys. 11. — Prawidłowy lot kuli golfowej:
poduszka zgęszczonego powietrza, zaznaczona kreskami, podtrzymuje piłkę podczas jej lotu.
Czasami istotnie widzimy, że leci ona po linji krzywej, wypukłej ku dołowi. Gdyby nie było tego działania ruchu obrotowego, piłka nie przeleciałaby i połowy odległości, jaką faktycznie
Ryc. 12. — Działanie uderzenia rakiety tennisowej, nadające ruch obrotowy piłce i powodujące szybkie jej opadnięcie poza siatką (rysunek przesadzony).
Po prawej stronie przekrój rakiety i piłki przed uderzeniem: strzałka wskazuje kierunek ruchu rakiety.
osiąga. Dodatkowo zaznaczyć możemy, że, gdyby nie było wcale powietrza, dalekość rzutu piłki byłaby od dwóch do trzech razy większa od normalnej, gdyż tak wielkim jest opór powietrza względem lecącej z dużą szybkością piłki. Moglibyśmy rzucić piłkę na daleko większą odległość, gdybyśmy mogli uniknąć oporu powietrza; ponieważ jednak nie możemy tego dokonać, wykorzystujemy działanie ruchu obrotowego, jaki staramy się we właściwy sposób nadać piłce.
Lot piłki nożnej, podobnie do lotu szybko wirującej piłki golfowej, często biegnie po krzywej, wygiętej w górę, gdy kopnięcie trafiło raczej pod piłkę, i, jakkolwiek, oczywiście, zakrzywienie to jest najwidoczniejsze wówczas, gdy piłka leci pod wiatr, jednak zdaje się, że można je też zauważyć w powietrzu całkiem spokojnem. W tennisie gracz często uderza rakietą piłkę z góry, nadając jej przez to ruch obrotowy w odwrotnym kierunku, tak, że wierzch piłki porusza się naprzód szybciej niż spód. Naskutek tego piłka w locie swym opada ku ziemi tak, że jakkolwiek uderzona bardzo mocno, spada na kort, przeleciawszy poza siatkę. Piłki ciężkie mniej skręcają aniżeli piłki lekkie, lecące z tą samą szybkością; jednakże każdemu z nas znane jest odchylenie, jakie można nadać piłce w krykecie, a odchylenie, jakie podający może nadać piłce w grze „baseball“ przedstawia widok wspaniały. Ze wszystkich sposobów zbadania tego zjawiska, może najprostszym jest wprawianie w ruch baloników, które obecnie sporządzane są solidnie i wytrzymać mogą nawet dosyć silne uderzenie.
Z łatwością możemy uderzeniem ręką, albo, jeśli wolimy, rakietą nadać balonikowi dowolny ruch obrotowy i dzięki temu zaobserwować wszelkiego rodzaju odchylenia: na prawo, na lewo, wgórę i ku dołowi.
Wszystkie rozpatrzone przez nas przykłady własności gazów dadzą się wytłumaczyć jak to widzieliśmy, zapomocą hipotezy, według której niektóre rodzaje atomów wykazują bardzo słabe dążenie do kojarzenia się z innemi atomami tego samego rodzaju lub z atomami innych pierwiastków: nazwaliśmy je „atomami-odludkami“. Inne znów rodzaje atomów np. atomy wodoru lub tlenu, jakkolwiek same przez się są bardzo towarzyskie, dążą do łączenia się w cząsteczki mniej lub więcej nietowarzyskie. Tak więc powietrze jest mieszaniną nietowarzyskich atomów i cząsteczek; znajdujemy w niem cząsteczki tlenu, z których każda składa się z dwóch atomów, cząsteczki azotu o budowie analogicznej, nieliczne cząsteczki dwutlenku węgla, z których każda składa się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu, pewną ilość pojedyńczych atomów argonu, i poza tem niewielki odsetek innych gazów. Wszystkie one tworzą gazy z powodu braku dążności do kojarzenia się; niezależność, jaką one wskutek tego posiadają, jak również ich ruchliwość łatwo tłumaczą nam ich zachowanie się.
Stawiamy sobie teraz pytanie, o ile własności tych atomów dadzą się powiązać z ogólnym poglądem na budowę atomów, któremu daliśmy wyraz w poprzednim wykładzie. W jaki sposób da się powiązać wyobrażenie słońca i planet z owem dążeniem atomów do kojarzenia się lub z brakiem tego dążenia, jak również z tworzeniem cząsteczek, wykazujących podobne dążności i t. d.? Aby odpowiedzieć na te pytania wyczerpująco, musielibyśmy zdać sprawę ze stanu wiedzy chemicznej w całym jej dotychczas znanym zakresie, co jednak leży całkowicie poza zamierzoną treścią niniejszych wykładów. Istnieją jednak pewne proste prawidła, które, jakkolwiek nie dadzą się wytłumaczyć i jakkolwiek pozornie często bywają przekroczone, dają nam jednak bardzo pożyteczną nitkę przewodnią, na którą nanizać możemy zaobserwowane przez nas fakty. Wróćmy do naszych atomów-odludków, odpowiadających liczbom porządkowym 2, 10, 18, 36, 54, 86. Pierwszą rzeczą, która nas uderza, stanowi istnienie ciekawych związków pomiędzy temi liczbami. Gdy napiszemy następujące po sobie po koleji różnice, otrzymamy 2, 8, 8, 18, 18, 32. Liczby 2, 8, 18, 32 są podwojonemi kwadratami liczb 1, 2, 3 i 4. Widzieliśmy poprzednio, że to, czem odróżniają się od siebie poszczególne rodzaje atomów, daje się poprostu sprowadzić do wyróżniających je liczb porządkowych. Nie staraliśmy się przedstawić tu dowodów zarówno doświadczalnych, jak i teoretycznych istnienia danych liczb elektronów w różnych rodzajach atomów; są one skomplikowane, podczas gdy wynik jest prosty i stwierdzenie jego wystarcza dla naszych celów. Skoro liczba elektronów w układzie danego atomu, albo raczej liczba, wyrażająca ładunek dodatni jądra atomu, posiada sama przez się tak niezmiernie doniosłe znaczenie, przypuszczać musimy, że coś istotnego tkwi w tych różnicach liczb porządkowych, któreśmy tylko co stwierdzili. Przypuszczenie to staje się jeszcze bardziej prawdopodobnem, gdy rozpatrzymy zagadnienie z innego punktu widzenia.
Chemicy dawno już zwrócili uwagę na wykryte przez siebie szczególne analogje, zachodzące pomiędzy różnemi rodzajami atomów. Dla naszych celów dogodnem będzie, gdy wyrazimy wyniki tego odkrycia zapomocą stosunków liczbowych. Napiszemy niektóre z nich w następujący sposób. Bierzemy naprzód w porządku liczbowym ośm atomów, zaczynających się od helu; i pod tym szeregiem umieszczamy następne ośm atomów, zaczynających się od neonu. Doprowadzając to uszykowanie aż do Nr. 20 (patrz Tabl. IV B, przedstawiającą przybliżone modele):

Hel
2
Lit
3
Beryl
4
Bor
5
Węgiel
6
Azot
7
Tlen
8
Fluor
9
Neon
10
Sód
11
Magnez
12
Glin
13
Krzem
14
Fosfór
15
Siarka
16
Chlor
17
Argon
18
Potas
19
Wapń
20
i t. d.
 

Napisaliśmy faktycznie część „tablicy perjodycznej“.Została ona ułożona w taki sposób, że atomy helu, neonu i argonu, które tak bardzo są do siebie podobne dzięki wspólnej im najwybitniejszej własności nietowarzyskości, znajdują się w tej samej kolumnie. Okazuje się dalej, że lit, sód i potas, które również podobne są do siebie przez cechujące je własności, znajdują się w kolumnie następnej, i że ta sama godna uwagi klasyfikacja obejmuje całą szerokość stronicy. Wzajemne podobieństwa ciał, umieszczonych w tej samej kolumnie, przejawiają się w najróżnorodniejszy sposób: stanowią one jedną z najznamienniejszych cech chemji. Sama nazwa „tablicy perjodycznej“ przyjętą została jako stwierdzenie tego faktu.
Uzasadnionem jest też przypuszczenie, że własności danego atomu, przejawiające się w stosunku jego do jakiegokolwiek innego atomu, wynikać mogą z określonego układu jego elektronów, szczególnie zaś tych, które wysunięte są najbardziej nazewnątrz i dzięki temu pierwsze wystawione są na działanie innego atomu. Tak więc lit, sód i potas zachowują się w podobny sposób dlatego zapewne, że wszystkie trzy posiadają taki sam zewnętrzny układ elektronów; tak samo węgiel i krzem, fluor i chlor i t. d.
Tego rodzaju rozważania naprowadziły na następującą hipotezę. Wyobraźmy sobie, że posiadane przez hel dwa elektrony umieszczone są jako para, symetrycznie po każdej stronie jądra helu. Wyobraźmy sobie dalej, że każdy następny atom posiada ten sam układ, a poza tem dodatkowo jeszcze jeden układ elektronów, tworzących zewnętrzną powłokę. Tak więc lit posiada dwa elektrony, jak hel, i poza tem jeszcze jeden, jako zaczątek dalszego układu zewnętrznego. Beryl posiada dwa elektrony w grupie zewnętrznej, bor trzy, węgiel cztery, azot pięć, tlen sześć i fluor siedem. Przypuścimy, że szereg uzupełnień do wymienionego szeregu zatrzymuje się na neonie i że we wszystkich atomach o wyższych liczbach porządkowych wewnętrzna grupa dwóch atomów i tylko co uzupełniona grupa ośmiu atomów pozostają bez zmiany, podczas gdy dalsze dodatkowe elektrony znajdują swe miejsca w nowych grupach. I tak sód, podobnie jak lit, posiada jeden elektron w najdalej nazewnątrz wysuniętej grupie, magnez dwa, jak beryl i t. d. Chlor, podobnie jak fluor, ma niemal uzupełnioną powlokę zewnętrzną z ośmiu elektronów; podczas gdy argon tak, jak hel, posiada tę powłokę już całkiem uzupełnioną. Począwszy od potasu, zaczyna się znowu dalsza grupa; wapń posiada dwa elektrony w tej najnowszej grupie i t. d. Ta ostatnia grupa zostaje całkowicie uzupełnioną dopiero, gdy obejmie ośmnaście elektronów; wiemy o tem na podstawie wyników badań chemicznych. Zbytecznem jest jednak dla nas dalsze rozważanie tego zagadnienia, tem bardziej, że staje się ono coraz to bardziej skomplikowane w miarę wzrastania liczb porządkowych.
Rozumując w ten sposób, pojąć możemy, dlaczego człony tej samej kolumny w własnościach swych są do siebie podobne. Pytamy się teraz, jaki jest związek pomiędzy szczególnemi własnościami danego atomu a szczególną liczbą elektronów, tworzących jego zewnętrzną powłokę, która to liczba jest taka sama dla wszystkich członów jednej kolumny. Na to pytanie również znaleźć możemy swego rodzaju odpowiedź, która najlepiej da się ująć w następujący sposób. Rozejrzawszy się w całokształcie obficie nagromadzonych wiadomości z zakresu wiedzy chemicznej, ujawniających dążenie atomów do tworzenia połączeń i w odpowiednich okolicznościach do ich rozkładania i tworzenia nowych, stwierdzić możemy pewne prawidła, które pozostają w bezpośrednim związku z liczbami elektronów w najdalej nazewnątrz wysuniętych grupach. Przedewszystkiem istnieje zawsze dążenie do zajęcia miejsc wolnych w nieuzupełnionej jeszcze grupie elektronów. Tak np. jeśliby chlor posiadał o jeden elektron więcej w zewnętrznej swej grupie, grupa ta zostałaby przez to uzupełniona w tem znaczeniu, że objęta nią ilość elektronów pozostawałaby bez zmiany przy przechodzeniu od atomu do atomu w dalszych działach tablicy. Naskutek tego chlor zachowuje się tak, jakby ustawicznie pragnął wchłonąć brakujący elektron, i wywierać może potężne działanie na inne atomy, aby oderwać od jednego z nich brakujący elektron, niedostatecznie mocno z tym ostatnim atomem związany. Prawda, że ładunki elektryczne atomu wyprowadzone zostają przytem ze stanu równowagi, gdyż dodatkowy elektron daje przewagę ładunkowi ujemnemu; pomimo to jednak jakaś siła, istoty której narazie nie rozumiemy, działa w kierunku uzupełnienia zewnętrznej powłoki do ośmiu elektronów. W samej rzeczy ta posiadana przez chlor zdolność odrywania i wchłaniania w siebie elektronów z innych atomów, których połączenia zostają przez to zniweczone, jest przyczyną tego, że chlor jest tak silnie działającą trucizną. Podobnie siarka posiada dwa miejsca w swej zewnętrznej powłoce do uzupełnienia i zachowanie się jej w znacznym stopniu jest od tego uzależnione.
Z drugiej strony lit, sód i potas posiadają każdy grupę zewnętrzną, która tylko co zaczyna się tworzyć: narazie składa się ona z jednego elektronu. Siła, wiążąca ten elektron z układem atomu, jest słaba, naskutek czego elektron z łatwością przechodzi do układu znajdującego się w bezpośredniem sąsiedztwie atomu chloru. W wyniku tego przejścia elektronu mamy to, że zewnętrzne grupy obydwu atomów są obecnie uzupełnione: chlor nazewnątrz przedstawia się jak argon, a jeśli owym drugim atomem jest sód, podobny on staje się do atomu neonu. Oba atomy są teraz naładowane elektrycznością: chlor naładowany jest ujemnie, gdyż posiada o jeden elektron więcej ponad normalną swą liczbę, podczas gdy atom sodu naładowany jest dodatnio, ponieważ brak mu o jeden elektron dla zrównoważenia dodatniego ładunku jądra z ujemnym ładunkiem pozostałych elektronów. Naskutek tego pomiędzy obydwoma atomami działa przyciągająca siła elektryczna i tworzą one teraz cząsteczkę zwyczajnej soli kuchennej. Sód jest miękkim białym metalem. Jak zobaczymy następnie, znamienną cechą metali jest obecność w ich układzie atomowym jednego lub dwóch elektronów, które z łatwością dają się od niego oderwać. W rozpatrywanym przez nas związku biały metal i trujący gaz skojarzyły się ze sobą, tworząc przezroczystą sól krystaliczną. Jest to gwałtowna zmiana właściwości, nie zdziwi nas to jednak, gdy uprzytomnimy sobie, że układ zewnętrzny elektronów w cząsteczce musi być całkiem różny od zewnętrznych układów elektronów w obydwu atomach przed ich skojarzeniem się, i że właściwości zarówno atomu, jak cząsteczki uzależnione są od tego zewnętrznego układu.
Istnieją niezliczone przykłady tego rodzaju połączeń. Jako przykład połączenia raczej bardziej skomplikowanego przytoczyć możemy fluorek wapnia, który jako kryształ znany jest pod nazwą fluspatu. W tym wypadku mamy dwa atomy fluoru, z których każdemu brak po jednym elektronie (patrz powyższą tablicę), wspólnie atakujące wapń, który posiada dwa elektrony w swej zewnętrznej grupie, i każdy z atomów fluoru zabiera sobie po jednym elektronie do swego układu. Naskutek tego cząsteczka zawiera trzy atomy. W wypadku glinu znowu, który w kształcie krystalicznym występuje jako rubin albo szafir, mamy dwa atomy glinu, z których każdy zniewolony jest do odstąpienia trzech elektronów, tworzących grupę zewnętrzną, na korzyść trzech atomów tlenu, z których każdy wchłania dwa elektrony.
Poza tym przekazywaniem i przejmowaniem elektronów istnieje inny sposób, zapomocą którego atomy dążą do uzupełnienia swoich grup zewnętrznych: mogą one posiadać wspólne elektrony tak, że każdy z atomów zaliczać może te wspólne elektrony do swego własnego układu, podobnie jak dwa sąsiadujące ze sobą domy posiadać mogą wspólną ścianę. I tak dwa atomy wodoru, z których każdy ma do rozporządzenia jeden elektron, łączą się w ten sposób, że wspólnie posiadają grupę z dwóch elektronów, podobnie, jak atom helu, i w ten sposób powstaje cząsteczka wodoru. Dwa atomy tlenu łączą się ze sobą, tworząc cząsteczkę tlenu, w której każdy z atomów tlenu otoczony jest ośmioma elektronami, z których cztery są wspólne obydwu atomom. W djamencie, jak to zobaczymy, każdy atom węgla otoczony jest czterema innemi atomami węgla, z każdym z których posiada po dwa wspólne elektrony. W ten sposób każdy atom ma powłokę zewnętrzną z ośmiu elektronów, z których żaden nie należy wyłącznie do układu tego atomu. Ten rodzaj łączenia się atomów jest zwykle trwały, a utworzone w ten sposób cząsteczki bardzo silnie są ze sobą spojone. Co więcej, wiele cząsteczek tego rodzaju chętnie poprzestaje, że się tak wyrazimy, na swem własnem towarzystwie; dążność ich do kojarzenia się z cząsteczkami innego rodzaju jest bardzo słaba. Dążą one do tworzenia gazów. Atoli naogół gazami najbardziej trwałemi są te, których atomy posiadają same przez się całkowicie wypełnione powłoki zewnętrzne — hel, neon, argon i pozostałe. Wykazują one, w całej pełni, te własności gazów, które rozważaliśmy jako wynikające z nader słabej dążności do kojarzenia się i z nieskrępowanego wpływu ruchu cząsteczek.




Tekst jest własnością publiczną (public domain). Szczegóły licencji na stronach autora: William Bragg i tłumacza: Karol Szlenkier.