Istota kryształów: Lód i śnieg

Z Wikiźródeł, wolnej biblioteki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
<<< Dane tekstu >>>
Autor William Bragg
Tytuł Istota kryształów: Lód i śnieg
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 PIĄTY
ISTOTA KRYSZTAŁÓW: LÓD I ŚNIEG

Gdy zaczniemy się rozglądać za kryształami, które należałoby zbadać nową naszą metodą analityczną zapomocą promieni Roentgena, zaciekawią nas przedewszystkiem kryształy lodu i śniegu. Woda jest jedną z najzwyklejszych substancyj na ziemi, z któremi najbardziej jesteśmy oswojeni, oddziaływa ona na nasze życie w najróżnorodniejszy sposób, w niezliczonych wypadkach, to też wszystkie postacie, które przybierać może woda, muszą nas interesować. A i z punktu widzenia naukowego pragnęlibyśmy poznać budowę, powstałą z tak prostych cząsteczek, zawierających jeden atom tlenu i dwa atomy wodoru; możemy się też przekonać, że leży to w naszej mocy. Szczególne to nasze zainteresowanie ma atoli jeszcze inny powód: pociąga nas po prostu piękno kryształków śniegu, o tak delikatnym i doskonale wykończonym rysunku, i piękno kryształków szronu na zmarzniętych szybach, tworzących tak przedziwne i wdzięczne desenie. Prawda, że bloki sztucznego lodu mają kształt niepozorny, z przyjemnością jednak patrzymy, jak popychane szczypcami dostawcy prześlizgują się one po bruku. Fabrykacja sztucznego lodu jest zbyt szybka, aby wystąpić mogła na jaw jego budowa krystaliczna, istnieje ona wprawdzie, lecz masa lodu składa się z mnóstwa niewidzialnych dla oka kryształków, zwróconych we wszelkich możliwych kierunkach, i zawiera moc pęcherzy i szczelin, wypełnionych powietrzem.
Jeśli chcemy zobaczyć, co Przyroda zdziałać potrafi, gdy wykonać może plany swe bez przeszkód, przyjrzyjmy się płatkom śniegu podczas ostrej zimy na Północy. W Anglji nie zdarza się nam oglądać najpiękniejszych kryształów z powodu braku silnych mrozów. W innych krajach, jak np. Szwecja lub Ameryka, zobaczyć możemy całe mnóstwo przepięknych rysunków, płatków śnieżnych, które umieszczane są po czasopismach fizycznych i meteorologicznych. Niektóre z nich odtworzone zostały na Tablicach XVII i XVIII.
Możemy sobie wyobrazić sposób, w jaki powstają płatki śniegu. W górnych warstwach powietrza łączy się ze sobą parę cząsteczek wody. Do opadającego a rosnącego wciąż kryształka przyłącza się cząsteczka po cząsteczce, wypełniając wszystkie szczegóły wzoru, aż sześcioramienny płatek lekko spocznie na ziemi. W czasie silnego mrozu płatek, po opadnięciu na ziemię, może wzrastać dalej w taki sam sposób, tak, że powstają kryształki o doskonale ukształtowanych ściankach, błyszczące w słońcu, jak djamenty. Gdy kryształ śniegu zaczyna się kształtować, przybiera on bardzo często postać pierzastą; sześć ramion wydłuża się, a wzdłuż każdego z nich wyrastają po obu stronach mniejsze ramiona, a z nich jeszcze mniejsze i t. d.; wszystkie zaś ramiona spotykają się pomiędzy sobą pod kątem 60°, tak, że całość wygląda, jak sześcioramienna gwiazda z delikatnej koronki. Te pierzaste postacie są właściwością pierwszych faz krystalizacji; przypuszczać należy, że powstają one naskutek nagłego i szybkiego zamarzania. Ramiona wydłużają się od środka nazewnątrz w miarę zużywania bliższych cząsteczek, które włączone być mogą do budowy. Po to, aby napotkać dalsze takie cząsteczki, muszą ramiona ogarniać coraz to większą przestrzeń. Zjawisko to często spotykamy w innych wypadkach szybkiej krystalizacji; wybitnym tego przykładem jest powstawanie szkieletów kryształów żelaza w tyglu z roztopionym i szybko ochładzającym się metalem. Jeśli chcemy, aby zachowały one swą postać, musimy odlać resztę roztopionego metalu, zanim nie zdążą się wypełnić wolne przestrzenie w kryształach. Te szkielety kryształów nazywamy „dendrytami“, ponieważ kształtem swym przypominają drzewa z pniami, konarami, gałęziami i gałązkami. Różne jednak rozgałęzienia kryształu żelaza spotykają się pod kątem prostym, a nie 60°, ogólna zaś postać dendrytu ani w części nie jest tak wdzięczną, jak kształty pierzastych kryształków lodu.

Ryc. 41. Sześciokąt wyobraża powiększony przekrój graniastosłupa lodowego. Linja łamana ABCD oznacza promień przechodzący przezeń.
Gdy kryształek śniegu miał dosyć czasu dla swego wzrostu, a ilość cząsteczek, które mógł włączyć do swej budowy, była dostateczna, luki zostają wypełnione i kryształek przybiera postać sześciokątnej płytki (Tablica XVII B). Czasami, jak można przypuszczać, kryształki od samego początku wzrastają w postaci takich płytek. Ciekawem jest, że płytki bywają nieraz połączone parami zapomocą sześciokątnego graniastosłupa; jedna z dwóch płytek często jest większa od drugiej i całość wygląda, jak stoliczek dla krasnoludków (Tablica XVIII A). Graniastosłup występuje też w ciekawych budowach, jakie widzimy na Tablicy XVIII C, zapożyczonej z dzieła Wright’a i Priestley’a p. t. „Glaciology“. Brytyjska Wyprawa do Bieguna Południowego, 1910 — 1913.
Obecności tych graniastosłupów, płytek i „stoliczków“ w atmosferze przypisuje się powstawanie ubocznych, urojonych obrazów słońca i kręgów świetlnych czyli aureoli, jakie widzieć można w strefach o znacznej szerokości geograficznej (Tablica XIX).

Wyobraźmy sobie, że sześciokąt na ryc. 41 wyobraża przekrój jednego z owych graniastosłupów lub płytek, i niech linja ABCD oznacza drogę promienia świetlnego, przechodzącego przez ten przekrój. Światło załamuje się w punktach B i C, na skutek czego promień, po przejściu przez kryształek, odchyla się od swego pierwotnego kierunku o kąt, wynoszący co najmniej 21°50′, t. j. co
TABLICA XVII

Różne postacie kryształków śniegu.
(Z Monthly Weather Review, U. S. A.)
TABLICA XVIII

A. Kryształki śniegu. (Z Monthly Weather Bureau, U. S. A.) — B. Kwiaty z kryształków lodu, wyrosłe na krze. — C. Wiązka nieprawidłowych graniastosłupów.
(Ze sprawozdania Brytyjskiej Wyprawy do Bieguna Południowego 1910 — 1913.)
najmniej o t. zw. w fizyce kąt najmniejszego odchylenia. Gdy na ryc. 42 S oznaczać będzie źródło światła, a E — oko, wówczas promień z S załamuje się, przechodząc przez pryzmat P, i trafi do oka, o ile pryzmat P znajdować się będzie we właściwem położeniu. Na rycinie położenie to jest symetryczne, w tym wypadku zaś wiemy, że odchylenie SPE będzie najmniejsze. Jakikolwiek pryzmat, znajdujący się pomiędzy SPE i SPE′ odchylać będzie promień, wychodzący z S, w takim kierunku, że nie będzie on mógł dosięgnąć oka, bez względu na położenie, w jakiem znajdować się będzie dany pryzmat.

Ryc. 42.

Do oka nie dojdzie więc żaden z promieni, załamanych przez którykolwiek z tych pryzmatów. Pryzmat, znajdujący się w P1, wysyłać będzie promienie do oka, o ile znajdować się będzie w położeniu asymetrycznem, jak to zaznaczono na rycinie; kąt odchylenia musi być większy od najmniejszego i dlatego pryzmat znajdować się musi w położeniu krzywem względem prostej SE, tak, jak widzimy na rycinie. Jeśli tedy obserwator stać będzie w punkcie E zwrócony ku słońcu w S, widzieć on będzie światło w kierunkach PE i PE′, a także w innych kierunkach nazewnątrz kąta PEP′, jak np. PE1, w tych ostatnich jednak kierunkach światło będzie coraz słabsze, ponieważ najliczniejsze są odchylenia, których kąty nieznacznie tylko przekraczają kąt najmniejszego odchylenia. Im odchylenia są większe, tem są one rzadsze, zgodnie ze znanem prawem największych i najmniejszych wartości. Zwewnątrz kąta PEP’ światło nie dochodzi zupełnie, naskutek czego tem wyraźniej występuje silne światło, pochodzące z najmniejszych odchyleń.
Powyższe rozumowanie stosuje się do promieni, wychodzących we wszystkich kierunkach dookoła słońca. Tak więc obserwator ujrzeć musi krąg świetlny dookoła słońca, ostro odgraniczony od wewnątrz, a stopniowo rozpraszający się nazewnątrz. Dla światła czerwonego kąt PEP’ jest nieco mniejszy aniżeli dla światła fioletowego, wskutek czego aureola nie jest całkiem biała, lecz barwna, czerwona od wewnątrz, fioletowa nazewnątrz. Aureola pojawia się wówczas, gdy w powietrzu znajduje się dosyć kryształków lodu, zupełnie tak samo, jak powstawanie tęczy zależne jest od dostatecznej ilości kropli deszczu. Przedostający się przez kroplę deszczu promień światła zostaje odchylony o kąt większy od półpełnego tak, że, chcąc zobaczyć tęczę, musimy odwrócić się tyłem do słońca.
Zapomocą małego modelu uprzystępnić sobie możemy powyższe wytłumaczenie interesujących nas zjawisk. Źródłem światła jest lampa łukowa, widoczna na rycinie w S, oko znajduje się w E. Pomiędzy S i E umieszczony jest statyw z ruchomem ramieniem, w którem umocowany jest pryzmat szklany. Wymiary modelu tak są dopasowane, że promień światła, załamany przez pryzmat pada na E. Gdy ramię obracać się będzie dookoła J, oko wciąż będzie oświetlonem. Jeśliby całe mnóstwo pryzmatów rozmieszczonych było na okręgu koła, oko widziałoby dookoła źródła światła krąg świetlny.

Jeśliby z jakiegokolwiek bądź powodu graniastosłupy wykazywały dążenie do zajmowania pewnych tylko

Ryc. 43. Model, wykazujący powstawanie aureoli dzięki kryształkom lodu.
określonych położeń, aureola byłaby niezupełną. Coś w tym rodzaju zdarza się w rzeczywistości. Gdy długi graniastosłup opada w powietrzu, oś jego dąży do ułożenia się poziomo. Jeśli jednak u podstaw jego znajdują się płytki, lub gdy jest to po prostu płytka sześciokątna, którą uważać możemy za bardzo krótki graniastosłup, oś dążyć będzie do ustawienia się pionowo, lub, co na jedno wychodzi, płytka — do ułożenia się poziomo. Dziwne to zjawisko pozostaje w zgodzie z dobrze znanem prawem ruchu ciał w gazach i płynach. Ciała dążą do zajęcia takiego położenia, w którem stawiać mogą największy opór ruchowi. Jeśli parę listów lub pocztówek ułożymy na dłoni i zrzucimy z pewnej wysokości w ten sposób, że, trzymając je poziomo, nagłe dłoń z pod nich usuniemy, spadać one będą, zachowując położenie poziome. Gdy jednak rzucimy je kantem wdół, spadając, obracać się będą dookoła siebie. Gdy rzucimy talerz do wody, opadać on będzie, kołysząc się z boku na bok, dążąc jednak wciąż do osiągnięcia położenia poziomego. Z rozważań tych wynika, że wśród mnóstwa opadających kryształków lodu przeważać będą skierowane pionowo lub poziomo. Te części aureoli, które odpowiadają średnicom pionowej i poziomej, występują silniej w postaci jasnych plam na kręgu, są to właśnie uboczne obrazy słońca.

Z łatwością wykazać można dążenie wyglądających jak stoliczki kryształków do ustawiania się pionowo podczas opadania. Najlepiej nadaje się do tego bardzo wysokie naczynie, ale nawet, gdy wysokość słupa wodnego nie przekracza pół metra, powyższe dążenie daje się stwierdzić całkiem wyraźnie. Zastanawiającą jest rzeczą, że niektóre z tych modelików opadają krążkiem wdół, inne zaś z krążkiem, zwróconym ku górze. Rzecz tę zbadał zapomocą obliczeń matematycznych Besson, wykazując, że, gdy średnica płytki jest małą w stosunku do długości graniastosłupa, płytka zwrócona jest ku dołowi, i odwrotnie. Możemy stwierdzić to doświadczalnie; najlepiej przytrzymać modelik ze skierowaną poziomo osią pod powierzchnią wody i puścić go raptownie.

Ryc. 44. Płaskie krążki i graniastosłupy, niektóre mające u podstawy krążki, opadają w wysokiem naczyniu z wodą.
Zdarza się często, że linja pionowa, przechodząca przez środek aureoli jest również oświetlona, ma to jednak zgoła inną przyczynę: spowodowane jest mianowicie odbiciem się światła słonecznego od płaskich ścianek kryształków i płytek śniegu. Do oka obserwatora dochodzą promienie słoneczne, odbite przez płatki śniegu w różnych wysokościach, jednakże płatki te znajdować się muszą w płaszczyźnie pionowej, przechodzącej przez słońce. Pionowe pasmo świetlne nazywamy „słupem słonecznym“.
Lód, tworzący się powoli w otwartej przestrzeni na powierzchni wody, krystalizuje w postaci podobnej do kryształków śniegu, przyczem sześciokątne bryły ułożone są poziomo. Naogół nie daje się to stwierdzić w sposób całkiem oczywisty, znaleźć jednak można w dziełach, opisujących wyprawy podbiegunowe, ilustracje, przedstawiające rozpękanie wielkich mas lodowych na potężne sześciokątne słupy pionowe, podobne do słupów bazaltowych, jakie widzimy w Irlandji w t. zw. „Giant’s Causeway“ (Grobli Olbrzymów). Powiadają też, że, gdy lód pęka na jeziorze, rozpada się naprzód na pionowe słupy, które przez czas jakiś nawzajem się podtrzymują. Z chwilą jednak ruszenia się lodu, słupy te przewracają się i powierzchnia jeziora w krótkim czasie staje się wolną.
W sprawozdaniach z wypraw do bieguna południowego znajdujemy szczególne wzmianki o tem, że na jeziorach słodkowodnych spotykano lód, podzielony na sześciokątne graniastosłupy, stojące pionowo na powierzchni wody. Płaszczyzny rozgraniczające graniastosłupy, poznać można było po pęcherzykach powietrza. Zauważono natomiast, że przy powstawaniu kryształów w morzu wydzielała się sól, która osiadała w szczelinach pomiędzy kryształami, a nieraz wydobywała się na wierzch, ponad górną ich powierzchnię. Graniastosłupy w masie swej niemal nie zawierały soli, tak, że można było otrzymać z nich wcale możliwą słodką wodę po uprzedniem roztopieniu warstw zewnętrznych. Kryształy te były przezroczyste do tego stopnia, że można było widzieć przez nie, jak przez rury, skaliste dno morskie.
Budowie krystalicznej lodu przyjrzeć się można w bardzo piękny sposób, opisany przez Tyndall’a w jego książce o „Cieple“.
Umieszczamy taflę lodu przed lampą łukową i rzucamy jej obraz na ekran, jak na ryc. 45. Pod wpływem ciepła od lampy łukowej kryształy zaczynają się rozluźniać i rozpadać się na części w odwrotnym porządku do tego, w jakim się ukształtowały. Zjawiają się małe sześciokątne komórki, podobne do kwiatów sześciopłatkowych, jak również inne komórki nakształt liści paproci, nachylonych względem szypułki o 60°. Wkrótce cały ekran pokryty zostaje temi lodowemi kwiatami, tak, że całość wygląda, jak piękna płaskorzeźba o niewielkiej wypukłości. Zwykły sztuczny lód nie wykazuje tego zjawiska; niezłe wyniki osiągnąć można ze sztucznym lodem, wytwarzanym w specjalnych płytach. Daleko jednak lepiej od wszelkich postaci lodu sztucznego, wytwarzanych w zwykłych warunkach fabrykacji, nadaje się do tego celu lód naturalny, powstający w ciągu nocy w otwartej przestrzeni. Zanim udało się przygotować w sposób zadawalniający niniejsze doświadczenie dla naszych wykładów, dokonano całego szeregu nieudałych prób. Wreszcie, korzystając z tego, że ubiegłej nocy, naszczęście, był mróz, pewien młody entuzjasta wybrał się na rowerze za miasto i przywiózł ze stawu kilka kawałków lodu, w których owe zjawisko występuje wspaniale. Najwidoczniej jest koniecznem, aby lód powstawał powoli. Przypuszczać też należy, że dalszym warunkiem jest, aby woda ochładzała się zwolna od jednej strony tak, jak to ma miejsce na stawie podczas spokojnej mroźnej nocy.


Ryc. 45.

Często daje się zauważyć czarna plamka w środku kwiatu lodowego. Nader zaciekawiony tem Tyndall wyjaśnił powstawanie tych plamek. Gdy lód topnieje wewnątrz bryły, tworzą się w niej komory, w których powstała z topnienia woda zajmuje mniej miejsca, aniżeli zajmował lód. Być może, że z początku woda, znajdując się w stanie dużego napięcia, wypełnia pustkę całkowicie. Napięcie to jednak jest zapewne zbyt wielkie, naskutek czego woda odrywa się od lodowych ścianek komory i kurczy się do objętości sobie właściwej. Wobec tego w komorze tworzy się próżnia, która działa, jak maleńka soczewka, i rozprasza padające na nią światło. Naskutek tego widzimy czarną plamkę, która wskazuje, że światło nie przechodzi przez komorę.
W lodzie lodowców również zobaczyć możemy kwiaty lodowe, powstałe naskutek ciepła słonecznego. Gdy lodowiec powstał z odłamów lodu, pochodzących z innych przyległych lodowców, lub też z brył, które zwaliły się po jego bokach, całość jego przedstawiać się może jako rumowisko zlepionych ze sobą mas lodowych, z których każda zawierać będzie kwiaty lodowe. Orjentacja tych kwiatów wskazywać nam będzie w każdym poszczególnym wypadku pierwotne położenie bryły, kwiaty lodowe bowiem powstawać mogą tylko w płaszczyznach poziomych. Rycina na Tabl. XX A, wyjęta ze starego dzieła Aggasiz’a, przedstawia przekrój bryły lodu z lodowca. Przekrój ten uwidocznia przeróżne położenia komór, z których jedne widzimy nawprost, inne z boku lub z ukosa.

Zajmijmy się teraz budową kryształów lodu, której analiza umożliwioną została dzięki promieniom Roentgena. Analiza ta uzasadnić nam powinna zarówno kształt tych kryształów, jak i inne ich własności fizyczne, któreśmy rozpatrywali. Okazuje się, że budowa kryształów lodu przypomina budowę djamentu: mamy tu taki sam układ symetryczny z czterech atomów tego samego rodzaju dookoła każdego atomu. W danym wypadku zarówno w środku czworościanu, jak w czterech jego wierzchołkach znajdują się atomy tlenu. Poza tem jednak istnieją pewne nieznaczne różnice w budowie. Przedewszystkiem więc w djamencie atomy węgla bezpośrednio łączą się ze sobą. W lodzie pomieścić się też muszą atomy wodoru. Jeśli między każdemi dwoma atomami tlenu umieścimy atom wodoru, otrzymamy układ symetryczny, w którym atomy znajdować się będą we właściwym stosunku ilościowym. Każdy atom tlenu sąsiaduje z czterema atomami wodoru, a każdy atom wodoru — z dwoma atomami tlenu, z czego wynika, że liczba atomów wodoru jest dwukrotnie większą od liczby atomów tlenu. Na Tablicy XX B, C widzimy model, wyjaśniający tego rodzaju układ. Kulki białe wyobrażają atomy tlenu, czarne — atomy wodoru. Należy sobie jasno zdać sprawę z tego, że metody rentgenowskie nie wykazują wielkości atomów tlenu lub wodoru. Zapomocą ich określić jedynie możemy odległość pomiędzy środkami dwóch sąsiadujących atomów tlenu. Odległość ta równa się sumie średnic atomów tlenu i wodoru. Atom tlenu zajmować może całą przestrzeń,
TABLICA XIX

Górny obraz[1] odtwarza zdjęcie, wykonane przez G. A. Clarke’a i zapożyczone z artykułu F. J. Whipple’a o optyce meteorologicznej w Słowniku Fizyki Stosowanej, Tom III, str. 529, u Macmillan & Co. Widzimy na niem aureolę i uboczne obrazy słońca. Dolny obraz odtwarza oryginalny szkic w posiadaniu Instytutu Królewskiego. Widzimy na nim aureole i „slup słoneczny“.
TABLICA XX

A. Rycina zapożyczona została z dzieła Agassiz’a. Wykazuje ona, że masa lodowca jest zlepem mniejszych brył, w których pierwotnie kwiaty lodowe znajdowały się w płaszczyznach poziomych. Obecnie bryły pomieszczone zostały w przeróżny sposób, naskutek czego widzimy kwiaty lodowe jedne naprost, inne z boku lub z ukosa. B. Model sporządzony jest z kulek dwojakiego koloru, czarnych i białych: białe wyobrażają atomy tlenu, czarne — atomy wodoru. C. Cząstka modelu lodu, wykazująca rozmieszczenie atomów tlenu i wodoru.
atom wodoru zaś niemal żadnej, ponieważ, jak przypuszczamy, atom wodoru odstępuje swój elektron atomowi

Ryc. 45a.

tlenu tak, że składa się już tylko z jądra. Niewiadomo więc, jak należałoby oddać wielkość atomu wodoru w modelu. Sporządzając takowy, musimy jednak nadać kulkom, wyobrażającym atomy, pewne rozmiary, do pewnego stopnia dowolne, co uwzględnić musimy, posługując się modelem dla wyjaśnienia budowy kryształów.
Istnieje jeszcze inna różnica w budowie djamentu i lodu bardziej subtelna i trudniejsza do ujęcia. Warto jest jednak, abyśmy się postarali zrozumieć, na czem ona polega. Jeśliby to czytelnikowi wydawało się nazbyt trudnem, może on poniższy ustęp, poświęcony temu zagadnieniu, opuścić, bez żadnej obawy utracenia wątku naszego wykładu.
Przypuśćmy, że, spoglądając z góry na model djamentu, widzimy pojedynczą falistą warstwę, wyobrażoną na ryc. 46 A. Atomy węgla, leżące w samej płaszczyźnie podstawy kryształu, oznaczone są przez 1, podczas gdy atomy, leżące nieco wyżej w tej samej warstwie, oznaczone są przez 1’. Przejdźmy teraz do następnej warstwy, takiej samej, jak pierwsza, i oznaczmy w niej przez 2 te atomy, które odpowiadają atomom pierwszej warstwy, oznaczonym przez 1; umieśćmy następnie tę drugą warstwę ponad pierwszą w ten sposób, aby każdy atom 2 znajdował się bezpośrednio ponad atomem 1’, t. j., aby atom, leżący na niższym poziomie drugiej warstwy, znajdował się bezpośrednio ponad atomem, leżącym w wyższym poziomie pierwszej warstwy. To właśnie ma miejsce w budowie djamentu. Odnośna kombinacja przedstawiona jest na ryc. 46 B. gdzie 1’2 oznacza, że atom 2 znajduje się ponad atomem 1’. Weźmy teraz trzecią warstwę, której atomy oznaczać będziemy przez 3 i 3’, i umieśćmy ją tak, aby atomy 3 leżały ponad atomami 2’. Otrzymamy wówczas układ, widoczny na ryc. 46 C, i, gdy układ ten powtórzymy wielokrotnie, zawsze w tej samej koleji 1 2 3 1 2 3, otrzymamy budowę djamentu.
Zacznijmy teraz znowu od warstwy atomów 1 i 1’ i umieśćmy nad nią warstwę at omów 2 i 2’ w sposób, wskazany na ryc. 46 D, który, jak zaznaczyć musimy, różni się wybitnie od poprzedniego, gdyż warstwa atomów 2 i 2’ została obrócona w swej płaszczyźnie o 180° — i tak utworzony układ powtórzmy wielokrotnie, umieszczając naprzemian jedną nad drugą warstwy atomów 1 i 1’ i 2 i 2’. Otrzymamy wówczas rozmieszczenie atomów tlenu w kryształach lodu. Całkowitą budowę tych kryształów otrzymamy, gdy pomiędzy każdemi dwoma atomami tlenu umieścimy atom wodoru.


Ryc. 46. Rozmieszczenie atomów w djamencie i w lodzie.

Gdy przyjrzymy się modelowi kryształu lodu, wyobrażanemu na Tablicy XX B, będziemy mogli zdać sobie sprawę z tego układu atomów. Trudno jest skądinąd pojąć, dlaczego w krysztale djamentu powtarzają się stale trzy warstwy, a w krysztale lodu tylko dwie.
Rozpatrując model, przedstawiający budowę lodu, zauważymy w nim wiele ciekawych cech, które dopomogą nam do wyjaśnienia tego, co wiemy o własnościach lodu. Oczywiście i tu rzuca nam się w oczy budowa heksagonalna, a pustki, jakie widzimy w modelu, bezwątpienia są przyczyną lekkości lodu i puszystości śniegu.
Ryc. 47. Przenikanie drutu przez lód
(według Tyndall’a).
Lód pływa po wodzie; z modelu wynika jasno, że cząsteczki wody w budowie kryształu zajmować muszą więcej miejsca aniżeli w cieczy. Oczywiście też moglibyśmy zgnieść model, zmniejszając znacznie jego objętość, co też bezwątpienia ma miejsce, gdy lód topnieje pod ciśnieniem. Zjawisko to zobaczyć możemy w znanem doświadczeniu. Przez wspartą u swych końców bryłę lodu przewieszony jest cienki drut ze zwieszającemi się po obu stronach ciężarami, jak to widzimy na ryc. 47. Drut powoli opuszcza się wdół, wrzynając się w lód, który spaja się zpowrotem w miarę opuszczania się drutu, i, gdy wkońcu drut całkowicie przedostanie się poprzez bryłę i spadnie na podłogę wraz z ciężarami, bryła okaże się nietkniętą. Przypuszczać można, że ciśnienie, wywierane przez drut na bryłę, miażdży budowę lodu, naskutek tego część cząsteczek wyswabadza się z więzi krystalicznej. Innemi słowy, pewna ilość lodu topnieje pod wpływem ciśnienia, powstała stąd woda wydostaje się z pod drutu i wypełnia wytworzoną przezeń szczelinę. Tam łączy się napowrót ze znajdującym się po obu stronach lodem. Wystawić sobie możemy, że cząsteczki usadawiają się na swoich miejscach, ponieważ z obu stron krystaliczna budowa lodu dąży do związania ich ze sobą.
Tłuczony lód przybierać może pod dużem ciśnieniem różne kształty w odpowiednich formach. I tak np., aby otrzymać puhar z kryształu lodu, użyć musimy trzy formy z drzewa bukszpanowego o odpowiednich kształtach.
W jednej formie ukształtować możemy górną część puhara, w drugiej nóżkę, a w trzeciej podstawę; te trzy części łączymy następnie w jedną całość, przykładając jedną do drugiej i przytrzymując przez chwilę we właściwem położeniu. Formy, które użyliśmy do ukształtowania puhara, uwidocznionego na ryc. 48, służyły do tego samego celu Tyndall’owi.

Ryc. 48. Formy do lodu i ukształtowany w nich puhar. (Według Tyndall’a.)
Doświadczenia te pokazywał Tyndall w celu uprzystępnienia rozważań, na jakich opierał opracowywaną naonczas przez siebie teorję posuwania się lodowców. Tyndall, jak wiemy, poświęcał dużo czasu pomiarom, wykazującym ruchy lodowców, któremi interesował się i z punktu widzenia naukowego i jako zawołany alpinista. Lodowce opuszczają się z pokrytych śniegiem gór, posuwają się wzdłuż dolin i wydostają się na równiny niemal tak, jak gdyby tworzyła je ciecz, coprawda bardzo gęsta i lepka, jak klej lub melasa; posuwanie się bowiem lodowców jest bardzo powolne, osiągając w niektórych wypadkach zaledwie po kilka centymetrów dziennie, czasami zaś wiele metrów. Wspaniały widok posuwających się zwolna lodowców oddawna wzbudzał podziw i zaciekawienie, w jaki sposób substancja tak krucha i krystaliczna płynąć może, jak rzeka, omijać zakręty w dolinach i spuszczać się po skałach, nie ulegając rozerwaniu. Za czasów Tyndall’a wielkiem uznaniem cieszyła się teorja, wedle której lód topnieje wewnątrz lodowca w miejscach, gdzie ciśnienie jest znaczne, a powstała woda odsącza się, zmniejszając tem samem ciśnienie. Woda ta, twierdzono, zamarza zpowrotem, przedostając się do pustych szczelin i komór, gdzie już niema takiego ciśnienia, przy którem woda pozostaje w stanie płynnym. Tak więc lodowiec do pewnego stopnia mógłby zmniejszać swą objętość pod wpływem ciśnienia w jednem miejscu, a zwiększać ją gdzieindziej, dostosowując się w ten sposób do swego łożyska. Objaśnienie to nastręczać może pewne trudności w zastosowaniu do lodowców w strefach podbiegunowych, które posuwają się również, jakkolwiek temperatura jest tak niska, że żadne możliwe do pomyślenia ciśnienie nie byłoby w stanie wywołać topnienia lodu. Być może, że, gdy dokładniej zbadamy zachowanie się budowy krystalicznej, będziemy mogli wyjaśnić sobie ruch lodowców w inny sposób, nie odbiegający zresztą zbyt daleko od poglądu, wysuwanego przez Tyndall’a, a nastręczający mniej powodów do krytyki. Istnieje wiele substancyj, dających się doprowadzić do stanu płynności, w jakim znajdują się lodowce: można przeciskać metale przez otwory; ciągnąć z nich druty; walcować blachę. Można nawet, jak to wykazał Sir George Beilby, wprowadzić w stan płynności powierzchnię szkła lub doskonale ukształtowanego kryształu, jak szpat islandzki. A wszak wszystkie te ciała są krystaliczne; o ile przedtem mogliśmy o tem nie wiedzieć, to obecnie dzięki promieniom Roentgena uzyskaliśmy całkowitą pewność, że tak jest istotnie. Ciała te, przeszedłszy przez stan płynności, są tak samo krystaliczne, jakiemi były uprzednio. Będziemy to mogli stwierdzić na paru przykładach, gdy przejdziemy do omawiania odnośnych własności metali. Dana substancja przystosowuje się do ciśnienia, jakiemu podlega, zmieniając przytem swą postać. Całe warstwy atomów lub cząsteczek przejściowo wyrwane zostają ze swego normalnego położenia, prześlizgują się niejako ponad atomami, na których dotąd spoczywały, i osiadają w nowem położeniu lub też przez czas jakiś pozostają w ruchu. Gdy osiądą one chwilowo, postać kryształu staje się znowu doskonałą, gdy zaś zostaną wyrwane, więź pomiędzy atomami ulega zerwaniu, jak gdyby substancja zaczynała topnieć. Musi to mieć miejsce zwłaszcza wtedy, kiedy dana substancja tak, jak lód, kurczy się topniejąc, kiedy więc atomy i cząsteczki, nie związane już ze sobą naskutek ciśnienia, zmieniają swe położenia, zajmując mniej miejsca niż uprzednio. Gdy kawałek metalu przy zgięciu lub pod uciskiem zmienia swój kształt, kryształy, z których się on składa, bez względu na to, czy są one liczne, czy też jest ich niewiele, zostają „ścięte“, t. j. części ich przesuwają się jedna po drugiej; zrozumiałem więc jest, że szereg następujących po sobie „ścięć“ spowodować może zmianę kształtu. Dziać się też to może i w wypadku lodu, gdzie zarówno ścinanie, jak topnienie odgrywać mogą rolę przy zmianie kształtu. „Ścinanie“ lodu obserwowano niejednokrotnie. Wycinamy bryłę z lodu, który wytworzył się w sposób naturalny na powierzchni wody. Gdy bryła wsparta zostanie u swych końców w takiem samem położeniu, jakie zajmowała podczas powstawania lodu na powierzchni wody, wygnie się pod działaniem ciężaru tak, jak wygięłaby się belka (p.ryc. 49 A). Gdy bryłę przekręcimy i umieścimy w ten sposób, że warstwy, które przedtem były poziome, leżeć będą pionowo i równolegle do linji, łączącej punkty oparcia (p. ryc. 49 B), wówczas bryła tylko bardzo nieznacznie poddawać się będzie ciężarowi. Gdy płaszczyzny, które poprzednio były poziome, leżeć będą pionowo do linji, łączącej punkty oparcia, przesuwać się one będą jedna po drugiej i bryła zostaje odkształconą (p. ryc. 49 C). Gdy naskutek spowodowanego ciśnieniem topnienia w jednem miejscu pewna ilość cząsteczek uzyska natyle swobody, że jako płyn przedostać się będzie mogła do innego miejsca, wówczas cząsteczki te tak, jak to ma miejsce w wypadku drutu, z łatwością połączą się z budową krystaliczną lodu po obu stronach, poprostu dlatego, że zawsze znajdą odpowiednie dla siebie miejsca. Jednakże zjawisko to w całokształcie swym rozpatrywać możemy jako skutek przesuwania się płaszczyzn jednych po drugich.

Ryc. 49. Szereg desek, ułożonych jak w A, zgina się pod działaniem ciężaru. Gdy deski ułożone będą na kant, jak w B, zginać się będą znacznie mniej. Ułożone zaś jak w C i sklejone bardzo lepką substancją poddawać się będą stopniowo i stale działaniu ciężaru.
Z zaciekawieniem widzimy, z jaką łatwością spajają się ze sobą kawałki lodu. Jeżeli kawałek lodu o względnie płaskiej powierzchni położymy na drugim kawałku, będziemy mogli po chwili, wziąwszy do ręki ten drugi kawałek, odwrócić obydwa górą wdół, a dodany kawałek nie spadnie. Gdy dwa kawałki lodu trzymać będziemy zetknięte ze sobą pod wodą, nawet ciepłą, spoją się one ze sobą.
Powróćmy teraz do zagadnienia, dotyczącego owych osobliwych cząsteczek łańcuchowych, któremi — z powodu braku czasu — nie mogliśmy się zająć w poprzednim wykładzie. Rozpatrując budowę djamentu, przekonaliśmy się, że występuje w niej wszędzie i stale pewien układ atomów węgla. Jest to układ z sześciu atomów w kształcie pierścienia. Widzieliśmy również, że podobny układ tworzy podstawę tak zwanego pierścienia benzolowego, będącego cząsteczką, w której z atomami węgla, tworzącemi sześciokątny pierścień, związane są atomy wodoru, i że budowa bardzo znacznej ilości innych ważnych cząsteczek opiera się na tym samym układzie, w którym atomy wodoru zastąpione zostały przez inne atomy lub grupy atomów. Badania nad temi cząsteczkami stanowią przedmiot jednego wielkiego działu chemji organicznej. Cząsteczki te tworzą substancje, zwane „aromatycznemi“, ponieważ wiele z nich wyróżnia się przyjemnym zapachem.
Istnieje drugi wielki dział chemji organicznej, obejmujący substancje innego rodzaju. Substancje te nazywamy „alifatycznemi“, pragnąc przez tę nazwę zaznaczyć, że własności tych substancyj najwybitniej występują w olejach i tłuszczach. Chemikom udało się wykazać, że w tym wypadku cząsteczka składa się z atomów węgla, tworzących łańcuch, oraz z innych atomów, a zwłaszcza atomów wodoru, związanych z atomami węgla wzdłuż łańcucha i u jego końców. Pierścień występował całkiem wyraźnie w budowie djamentu. Jak zdają się wykazywać najnowsze badania, w djamencie stwierdzić również można układy łańcuchowe. Tak więc djament zawiera w sobie zasadnicze układy obydwu wielkich działów chemji organicznej.

W rozdziale poprzednim rozpatrzyliśmy parę przykładów cząsteczek pierścieniowych, odkładając bliższe zapoznanie się z cząsteczkami łańcuchowemi do niniejszego wykładu. Łańcuch posiadać może dowolną liczbę ogniw, z których każde zazwyczaj składa się z jednego atomu węgla i dwóch atomów wodoru. Końce łańcucha tworzą różne grupy atomów, nieraz bardzo pospolite, nadające danemu łańcuchowi wybitne, powszechnie znane cechy. W najprostszym wypadku końce tworzą atomy wodoru i wtedy mamy cząsteczkę węglowodanu lub parafiny. Wzór pentanu np. piszą chemicy w sposób następujący:

Pentan jest płynem łatwopalnym, używanym w lampach wzorcowych, t. j. lampach, które służą jako wzorzec dla innych lamp, palą się one bowiem równym i stałym płomieniem. Wzór powyższy wskazywać ma sposób, w jaki poszczególne atomy związane są ze sobą. Każdy atom węgla połączony jest z czterema innemi atomami. Liczba atomów, z któremi związać się może trwale atom węgla, nie może przekraczać czterech, wobec tego liczba atomów w cząsteczce nie będzie mogła być zwiększoną bez uprzedniego naruszenia jej układu w jakiemkolwiek miejscu. Nazywamy taką cząsteczkę nasyconą. We wzorze cząsteczka przedstawiona jest tak, jak gdyby wszystkie jej atomy leżały w jednej płaszczyźnie, po części ze względu na ułatwienie rysunku, po części dlatego, że istotny jej układ tak mało jest znany. Jednym z celów analizy rentgenowskiej jest określenie wzajemnego położenia atomów w cząsteczce w sposób dokładniejszy, aniżeli to było możliwe dotychczas, oraz zmierzenie wymiarów linijnych. Odnośnie tych długich cząsteczek łańcuchowych badania zapomocą promieni Roentgena uwieńczone zostały niedawno nadspodziewanem powodzeniem. Wyniki tych najnowszych badań wyjaśnić sobie możemy jedynie na modelu lub też zapomocą szkicu w perspektywie. Model, przedstawiający prawdopodobną postać pentanu, widzimy na Tablicy XXI A.
W szybach naftowych znajdujemy wiele zmieszanych ze sobą substancyj, należących do szeregu parafin. Są one łatwo palne, ponieważ odpowiednio pobudzone w zetknięciu z tlenem łatwo rozpadają się i atomy ich gwałtownie łączą się w nowe układy, wytwarzając duże ilości ciepła. Najkrótsze z cząsteczek łańcuchowych składają się tylko z jednego ogniwa. Tworzą one gaz, zwany metanem lub gazem błotnym, który przedstawiamy zapomocą następującego wzoru:

Wydobywa się on pod postacią pęcherzyków ze stojącej wody, zawierającej butwiejące części roślinne. W miarę wydłużania się łańcucha, tworzącego cząsteczkę, odnośna substancja staje się coraz to bardziej spoistą. Pentan, którego cząsteczka składa się z pięciu ogniw, jest płynem w zwykłej temperaturze i wrze przy 36° C; pentadekan z cząsteczką o piętnastu ogniwach wrze przy 257° C, podczas gdy pentakozan, którego cząsteczka posiada dwadzieścia pięć ogniw, w temperaturze zwykłej jest ciałem stałem i topi się przy 54° C. Przypuszczać możemy, że długie cząsteczki dążą do układania się obok siebie, jak zapałki w pudełku; pogląd ten, jak zobaczymy, potwierdzają wyniki analizy rentgenowskiej. Z tego też powodu należało przewidywać, że im dłuższe będą te cząsteczki, tem większej siły potrzeba, aby je od siebie oderwać, i to jedno już dostatecznie tłumaczy, dlaczego im dłuższy jest łańcuch, tworzący cząsteczkę, tem wyższe są punkty wrzenia i topliwości. Naogół jednak cząsteczki ciał, należących do tej grupy, słabo są ze sobą związane, a co za tem idzie ciała te odznaczają się niskiemi temperaturami wrzenia i topliwości. Powłoka z atomów wodoru, która otacza każdą z cząsteczek tych ciał, zapewne nie dopuszcza do łączenia się tych cząsteczek z innemi, w szczególności zaś z cząsteczkami różnych kwasów. W samej rzeczy nazwa parafiny pochodzi od dwóch słów łacińskich, oznaczających razem „mało pokrewny“. Jak już jednak zaznaczyliśmy, ciała te łatwo łączą się w odpowiednich warunkach z tlenem.
Zachowanie się tych cząsteczek łańcuchowych znacznie się zmieni, gdy jedną z grup, stanowiących końce łańcucha, zastąpimy przez inną. Podstawiając zamiast jednego z końcowych atomów wodoru określoną grupę, zawierającą jeden atom węgla, dwa atomy tlenu i jeden atom wodoru, otrzymujemy nowy szereg substancyj, zwanych „kwasami tłuszczowemi“. Wspomniana grupa znana jest pod nazwą karboksylowej. Łańcuchy, tworzące cząsteczki tych substancyj, również mogą być dowolnej długości. Cząsteczkę tego rodzaju, posiadającą litylko jeden atom węgla, chemicy przedstawiają zapomocą wzoru:

zaznaczając przez to, że z czterech węzłów, jakiemi rozporządzać może atom węgla, aby złączyć ze sobą cztery inne atomy, jeden wiąże atom wodoru, następny — atom tlenu, związany skądinąd z innym atomem wodoru, a pozostałe dwa wiążą nader mocno pojedyńczy atom tlenu. Cząsteczka ta jest cząsteczką kwasu mrówczanego, wydzielanego przez mrówki, który, jak dobrze wiemy, bardzo drażniąco działa na skórę. Gdy do łańcucha dołączone zostanie dalsze ogniwo, otrzymamy cząsteczkę kwasu octowego, nadającemu kwaśność octowi. Odnośny wzór jest następujący:

Cząsteczka kwasu masłowego zawiera cztery atomy węgla; kwas ten nadaje zjełczałemu masłu charakterystyczny smak i zapach. Cząsteczka kwasu laurowego posiada dwanaście atomów węgla; kwas ten zawierają oleje laurowy i kokosowy. Cząsteczka kwasu mirystynowego ma czternaście atomów węgla, kwas ten znajduje się w gałce muszkatołowej. Wszystkie te kwasy są cieczami. Cząsteczka kwasu palmitowego, wchodzącego w skład oleju palmowego, zawiera szesnaście atomów węgla, a kwasu stearynowego — ośmnaście. Ostatnie dwa kwasy w temperaturze zwykłej są ciałami stałemi. Używane są one przy wyrobie świec stearynowych, a w nieco zmienionej postaci są najważniejszemi składnikami tłuszczów zwierzęcych.
Alkohole stanowią dalszy szereg substancyj, składających się z cząsteczek łańcuchowych. Cząsteczka alkoholu powstaje z cząsteczki parafiny przez zastąpienie jednego końcowego atomu wodoru atomem tlenu, złączonym z atomem wodoru. Tak np. wzór

przedstawia cząsteczkę zwykłego alkoholu etylowego.
Idąc dalej, moglibyśmy w ten sposób opisać niezmierną ilość ciał, których cząsteczki tworzą łańcuchy, złożone z ogniw CH2, a zakończone przeróżnemi grupami atomów. W niektórych wypadkach jeden lub więcej atomów wodoru wzdłuż łańcucha zastąpionych bywa przez inne atomy lub grupy atomów; czasami zachodzą jeszcze dalsze komplikacje. Pełnemi uroku są zarówno zasadnicza prostota budowy tych cząsteczek, jak zadziwiająca różnorodność szczegółów, oraz wpływ, jaki szczegóły te wywierają na własności odnośnych substancyj. Co powoduje, że przeróżne rośliny i zwierzęta, albo też przeróżne części tej samej rośliny lub zwierzęcia zawierają owe łańcuchy atomów węgla różnej długości, od których w znacznym stopniu zależą ich wzrost, własności i cechy znamienne? Bezwątpienia, przyczyna tego tkwi w pierwszym rzędzie we własnościach samego atomu węgla, z tego też właśnie powodu muszą w nas wzbudzać szczególne zainteresowanie djament i grafit, jako postacie krystaliczne węgla.

Ryc. 50. Łańcuch w budowie djamentu.
Przyjrzyjmy się ponownie modelowi djamentu i zobaczmy, czy nie da się w nim zauważyć zarys łańcucha, tak, jak uprzednio zauważyliśmy w tymże modelu zarys pierścienia. Model (Tablica XIV A) istotnie wykazuje, że możemy z niego wydzielić łańcuchy dowolnej długości, posiadające postać, jaką widzimy na ryc.50.
Przy każdem zagięciu łańcucha powtarza się kąt, wynoszący, jak to można obliczyć, 109° 28′. Moglibyśmy przypuścić, że jest to jedna z najprostszych postaci łańcucha. Oczywiście są to tylko przypuszczenia, zapomocą których staramy się znaleźć możliwe rozwiązanie naszych zagadnień, dające się sprawdzić doświadczalnie. Jeśliby nawet doświadczenie zdawało się potwierdzać nasze rozumowanie, nie powinniśmy zbytnio na tem polegać. O ileby łańcuch istotnie posiadać miał taką postać, dwa atomy wodoru musiałyby oczywiście być związane z każdym atomem węgla w takich punktach, które wraz z dwoma punktami złączenia z sąsiedniemi atomami węgła tworzyłyby układ symetryczny podobny do tego, jaki tworzą cztery punkty, w których każdy atom węgła związany jest z czterema sąsiedniemi atomami w djamencie, jak to widzimy na Tablicy XXI A. W obrazie tym uwzględnione zostają szczegóły, które pomija wzór, stosowany zazwyczaj przez chemików. Ten ostatni bowiem przedstawia cząsteczkę tylko w płaszczyźnie, podczas gdy nasz nowy obraz wyobraża ją w trzech wymiarach. Nie ulega też wątpliwości, że jedynie wyobrażenie w trzech wymiarach odpowiadać może prawdzie. Jeśli w chemji nie było ono dotychczas stosowanem, to dlatego, że materjał doświadczalny nie dawał żadnych wskazówek, jakby to czynić należało. Staramy się obecnie postąpić o krok dalej; czynimy to z pewnem wahaniem, gdyż nie potrafimy jeszcze wysnuwać całkiem pewnych wniosków z wyników, osiąganych zapomocą nowych naszych metod, jakkolwiek pełni jesteśmy nadziei co do wartości, jaką one wkońcu dla nas mieć będą.
W ciągu ostatnich paru lat udało nam się dokonać dokładnych pomiarów długości cząsteczek łańcuchowych zapomocą promieni Roentgena. Wynalezienie tej metody zawdzięczamy ciekawemu przypadkowi. Badano pewien kryształ zapomocą promieni Roentgena, a ponieważ kryształ ten łatwo mógł być naruszony przez wilgoć, pokryto go cienką warstwą stałej parafiny, jaką zazwyczaj używa się w pracowniach do izolacji elektrycznej. Zauważono przytem odbicia promieni Roentgena w pewnych kierunkach, które nie dawały się uzgodnić z tem, co poprzednio było już wiadome o budowie danego kryształu. Istotnie też stwierdzono, że owe odbicia przypisać należało parafinie. Znajdująca się w handlu parafina jest mieszaniną różnych kwasów tłuszczowych, składających się z cząsteczek łańcuchowych, nie nadaje się przeto do precyzyjnych doświadczeń. Zdarzyło się jednak tak szczęśliwie, że zapalony badacz chemji organicznej. Dr. Le Sueur, przygotował był cały szereg substancyj, składających się z cząsteczek łańcuchowych,
Ryc. 51. Schemat układu cząsteczek w warstwach substancji w rodzaju kwasu stearynowego, lub węglowodanu w rodzaju pentanu.
w stanie zupełnie czystym i że substancje te użyć było można do wspomnianych doświadczeń. Obecnie zbadano już te substancje, jak też wiele innych, osiągając nader interesujące i proste naogół wyniki.

Dana metoda jest typowym przykładem stosowania promieni Roentgena do badań nad budową cząsteczkową. Umieszczamy na kawałku szkła niewielką ilość badanej substancji stałej i rozpłaszczamy ją. O znaczeniu tego rozpłaszczania pomówimy niebawem. Jak się okazuje, warstwy substancji układają się przytem równoległe do powierzchni szkła. Cząsteczki w każdej warstwie stoją mniejwięcej pionowo do tej powierzchni i połączone są ze sobą bokami. Można je przedstawić w sposób, zastosowany na ryc. 51, na której widzimy trzy warstwy. Grubość każdej warstwy wynosi zaledwie kilka jednostek Armströnga, t. j. kilka stumiljonowych części centymetra, będąc proporcjonalną do długości cząsteczki. Gdy wiązka promieni Roentgena przenika przez szereg takich warstw, każda z warstw odbija część padających na nią promieni zupełnie tak samo, jak to ma miejsce, gdy wiązka zwykłego światła przechodzi przez szereg płytek szklanych. Zasada, na której opiera się to doświadczenie, została już opisana na str. 103. Przypuśćmy, że S (p. ryc. 52) jest źródłem promieni Roentgena, a P1P1 wyobraża płytkę szklaną z warstwami badanej substancji. Gdy promień Roentgena wzdłuż SG pada na płytkę pod właściwym kątem, odbicia od poszczególnych warstw będą wszystkie w jednakowej fazie i, sumując się, dadzą ogólne silne odbicie. Przypuśćmy dalej, że promień odbity zostaje w kierunku CR1 i że pozostawia ślad w punkcie R1 na płycie fotograficznej DD. Gdy następnie obrócimy płytkę
TABLICA XXI

A. Model łańcucha węglowodanu, zwanego pentanem, zawierającego pięć atomów węgla. Większe kulki wyobrażają atomy węgla, mniejsze — atomy wodoru.


B[2]. Widmo rentgenowskie węglowodanu, zawierającego 18 atomów węgla otrzymane za pomocą metody, uwidocznionej na ryc. 52.
(Müller.)



C. Model uwidocznia układ atomów sodu i chloru w soli kamiennej: kulki ciemne wyobrażają atomy sodu, kulki jasne — atomy chloru, lub też odwrotnie. Zapomocą logo modelu przedstawiono sam układ, nie uwzględniając wielkości ani kształtu atomów.

TABLICA XXII
Dwa zdjęcia[3] fotograficzne glinu, którego powierzchnia została specjalnie przygotowana (trawiona), aby uwydatnić kryształy.
Kryształy rozpraszają padające na nie światło w przeróżny sposób, gdyż tkwią one w masie metalu w najrozmaitszych położeniach, i co za tem idzie naskutek trawienia odsłonięte zostają różnorodne ich powierzchnie. Na jednej rycinie zdjęcie zostało nieco zmniejszone, na drugiej znacznie powiększone. (Z referatu Carpenter’a i Elam, wygłoszonego w Institute of Metals, we wrześniu 1920)



dookoła osi pionowej, przechodzącej przez C — rycina przedstawia schemat doświadczenia w płaszczyźnie poziomej — ogólne odbicie zniknie, ponieważ odbicia od poszczególnych warstw różnią się swojemi fazami i niweczą się nawzajem.
Ryc. 52. Metoda otrzymywania widma rentgenowskiego węglowodanu.
Promienie Roentgena, wychodzące z X, przedostają się przez szczelinę ograniczającą w S, i, gdy warstwa substancji, rozpłaszczonej na płytce szklanej P1P1, znajduje się pod właściwym kątem, następuje odbicie w kierunku CR1 wiązki promieni, którą pozostawia ślad na płycie fotograficznej w punkcie R1. Gdy obrócimy płytkę o kąt dostateczny, otrzymamy nowe odbicie R2, gdy płytka znajdzie się w położeniu P2P2 i t. d.
Gdy jednak płytkę obrócimy nieco dalej, o kąt dostateczny, wówczas znów otrzymamy ogólne silne odbicie, ponieważ odbicia od poszczególnych warstw znowu posiadać będą jednakowe fazy. Pierwsze ogólne odbicie ma miejsce wtedy, gdy różnica pomiędzy fazami poszczególnych odbić od bezpośrednio sąsiadujących ze sobą warstw równa się jednej długości fali, następne ogólne odbicie — wtedy, gdy różnica ta równa się dwóm długościom fali i t. d. Stosownie do tego płyta fotograficzna po wywołaniu wykazuje cały szereg takich odbić ogólnych. Zazwyczaj płytkę obraca się w taki sposób, że odbicia powstają po obydwu stronach linji środkowej SM (p. ryc. 52). Pośrodku powstaje ślad M od bezpośredniego działania promieni Roentgena — ta część płyty bywa zazwyczaj zasłoniona, naskutek czego to bezpośrednie działanie promieni nie jest zbyt silne — z każdej zaś strony zaznaczają się odbicia różnych rzędów. Na tablicy XXI B widzimy rzeczywiste zdjęcie, wykazujące odbicie od parafiny o 18 atomach węgla w cząsteczce. Wykonane ono zostało przez Dra Müllera. Jak widzimy odbicia różnych rzędów doskonale są na niem zaznaczone. Dzięki temu można zmierzyć dokładnie odstępy pomiędzy niemi, a z odstępów wyliczyć grubość pojedyńczej warstwy substancji, odbijającej promienie. Nie możemy być całkiem pewni, że cząsteczki stoją wpoprzek warstwy i pionowo do jej powierzchni, mamy jednak poważne podstawy do sądzenia, że tak jest istotnie, czego tu uzasadniać nie będziemy. W wyniku tych pomiarów przekonywujemy się, że długość cząsteczek łańcuchowych wzrasta jak najprawidłowiej w miarę przybywania dalszych atomów węgla, jako nowych ogniw. Znajdujemy istotnie, że wiele z tych cząsteczek posiada taką właśnie długość, jaką należałoby przewidywać, gdyby posiadały one układ, przedstawiony na ryc. 50.
Cały szereg doświadczeń tego rodzaju potwierdza wypracowany przez chemików pogląd na budowę i kształt tych cząsteczek: wyobrażenia ich były zadziwiająco trafnemi. Dzięki promieniom Roentgena pogląd powyższy został ściślej ujęty, ujawniona też została konieczność wyobrażania cząsteczki w trzech wymiarach i jednocześnie umożliwione pomiary jej długości. Dodać możemy, że poprzeczne wymiary cząsteczki również mogą być zmierzone.
Powrócić teraz możemy do ciekawego faktu, że otrzymujemy znacznie lepsze odbicia promieni Roentgena, gdy badaną substancję rozpłaszczymy na płytce szklanej. Jest nader prawdopodobnem, że substancje takie same przez się dążą do układania się w płatki, w każdym zaś płatku cząsteczki stoją pionowo. Jak już mówiliśmy, łączą się one bokami, i w ten sposób spojone są ze sobą znacznie silniej, aniżeli związane są pomiędzy sobą płatki. Te ostatnie połączone są końcami cząsteczek, gdzie węzły są dużo słabsze. Jest to dokładnie to samo zjawisko, jakie zauważyliśmy, rozpatrując budowę grafitu, w której płatki same w sobie są nader odporne, lecz łatwo ślizgają się jeden po drugim. To właśnie sprawia, że zarówno smary i tłuszcze, jak i grafit są tłuste i śliskie w dotyku. Gdy substancję taką poddajemy ciśnieniu, warstwy rozpościerają się tak, jak przy rozcieraniu grafitu na jakiejś powierzchni, i wówczas otrzymujemy dobre odbicia promieni Roentgena, ponieważ warstwy ułożone zostały w sposób prawidłowy. Gdy substancja zostanie przetopiona i ochłodzona, warstwy zostają poprzerywane i, jakkolwiek bezwątpienia, wytwarzają się ponownie, leżą jednak nieprawidłowo; odbicia promieni Roentgena są wówczas nieszczególne. Z tem samem zjawiskiem spotykamy się w wypadku płatków złota, jak to zobaczymy w następnym wykładzie.
Długie cząsteczki łańcuchowe odznaczają się jeszcze inną ciekawą własnością, którą warto się zająć. Łańcuch w cząsteczce parafiny zakończony jest z obydwu stron atomami wodoru. Grubość każdego płatka równa się długości cząsteczki. Atoli w kwasach tłuszczowych (p. str. 140), jak wykazały promienie Roentgena, mamy po dwie cząsteczki w warstwie, przystające do siebie końcami. Było to w samej rzeczy do przewidzenia, wiadomo bowiem, że grupy karboksylowe mają dążność do łączenia się pomiędzy sobą. Naskutek tego łańcuchy łączą się ze sobą parami, tworząc łańcuch podwójnej długości, u końców którego znajdują się atomy wodoru, podczas gdy obydwie grupy karboksylowe leżą pośrodku. Wynik ten zawdzięczamy pomiarom, dokonanym zapomocą promieni Roentgena. W tym wypadku znowu promienie Roentgena potwierdzają wniosek, wysnuty z badań chemicznych i rzucają nań nowe światło.
Istnieje inny typ budowy krystalicznej, który, różniąc się całkowicie od rozpatrzonych przez nas dotychczas, posiada tak doniosłe znaczenie, że nie możemy go pominąć. Kryształy zwykłej soli kamiennej są odpowiedniemi przykładami tego typu.
Zdarzają się, jak już widzieliśmy, wypadki, kiedy cząsteczka powstaje z dwóch atomów, z których jeden, dążąc stale do wchłonięcia w siebie dodatkowego elektronu, zaspokoił to dążenie kosztem drugiego atomu. Odstąpiony elektron związany był luźno z układem owego drugiego atomu. I tak np. atom chloru posiada siedmnaście elektronów, z których dwa w najbardziej nawewnętrz leżącej powłoce, a ośm w następnej powłoce. W powłoce zewnętrznej znajduje się siedm elektronów, działanie atomu chloru nazewnątrz jest bardzo silne, ponieważ dąży on do uzupełnienia tej powłoki do pełnej liczby ośmiu atomów. Gdy to nastąpi, atom chloru nazewnątrz przedstawiać się będzie jak atom argonu. Atom sodu posiada w stanie normalnym jedenaście elektronów: dwa tworzą najbardziej nawewnątrz leżącą powlokę, ośm powłokę następną, podczas gdy na powłokę zewnętrzną przypada zamiast siedmiu elektronów, jak w atomie chloru, jeden tylko elektron. Elektron ten nie jest mocno związany w układzie atomu sodu tak, że z łatwością daje się wchłonąć przez atom chloru. Po utracie tego elektronu atom sodu posiada zewnętrzną postać atomu neonu. (P. str. 56).
W tym stanie rzeczy obydwa atomy naładowane są elektrycznie, a mianowicie atom chloru posiada ładunek ujemny, ponieważ ma o jeden elektron więcej ponad właściwą sobie liczbę, atom zaś sodu posiada ładunek dodatni, ponieważ brak mu jednego elektronu. Dodatnio naładowane atomy sodu i ujemnie naładowane atomy chloru przyciągają się nawzajem. Decydującym czynnikiem w powstawaniu i budowie kryształów soli kamiennej jest dążenie atomów sodu i chloru do takiego układu, w którym wzajemne przyciąganie pomiędzy niemi byłoby możliwie zrównoważone. W układzie tego rodzaju, wytworzonym przez Przyrodę, każdy atom chloru otoczony jest sześcioma atomami sodu i odwrotnie. Układ ten uwidoczniony jest na Tablicy XXI C. Jest to nader prosty układ sześcienny, w którym atomy sodu i chloru ułożone są naprzemian w szeregi, równolegle do krawędzi sześcianów. Białe kulki wyobrażać mogą atomy chloru, a czarne — atomy sodu, lub też odwrotnie. Z powodu takiego właśnie układu atomów sól wykrystalizowuje z roztworu w postaci sześciennej. Kryształy te niekoniecznie posiadać muszą postać prawidłowych sześcianów, są to naogół prostokątne bryły o ściankach jednakowego typu. Często zdarzające się różnice w wielkości i w wyglądzie spowodowane są przypadkowemi, odmiennemi warunkami wzrastania kryształów.
Bardzo wiele kryształów posiada budowę, wynikającą z tej samej zasady: w szczególności zaś wszystkie sole metali, w których atom metalu stracił jeden lub więcej elektronów, odstąpiwszy je grupie atomów, stanowiącej resztę cząsteczki. Wynikająca stąd budowa me zawsze jest tak prostą jak budowa soli kamiennej, chociażby z tego powodu, że wspomniana grupa atomów posiadać może postać mniej prawidłową niż pojedyńczy atom chloru. W kalcycie atom metalu odstępuje dwa elektrony grupie CO3, w wyniku czego powstają romby, cechujące postać szpatu islandzkiego. I w tym wypadku wprawdzie każdy atom metalu otoczony jest sześcioma naładowanemi ujemnie skupinami atomów, z których naodwrót każda otoczona jest sześcioma atomami metalu; kształt kryształu jednak nie jest już prostokątny, gdyż grupa CO3 nie jest kulistą.




Przypisy

  1. Przypis własny Wikiźródeł zdjęcie nie znajduje się jeszcze w domenie publicznej (G. A. Clarke †1949)
  2. Przypis własny Wikiźródeł zdjęcie nie znajduje się jeszcze w domenie publicznej (Alex Müller (1889-1958)).
  3. Przypis własny Wikiźródeł zdjęcia nie znajdują się jeszcze w domenie publicznej (C. F. Elam (1894–1995)).


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