Bűvészetnek beillő három kísérlet
Betekintünk a láthatatlanul kicsi anyagrészecskék világába

 

Makrokozmosz - mikrokozmosz

Eddig beszélgettünk a vonatról, a rakétáról, az elhajított kőről, szóval a körülöttünk levő feltűnő, jól látható testekről, amelyek a nagyvilág, a makrokozmosz részét alkotják (makrosz = nagy, kozmosz = világ, görög szavak).
A nagyvilág jelenségeit annyira megszoktuk, hogy nem találunk semmi különöset abban, hogy az elhajított kő tovább mozog akkor is, ha elhagyja kezünket, hogy az esőcsepp lefelé esik, vagy hogy a világ leggyorsabb futója sem tud megtenni 8 másodperc alatt 100 métert.
De most bemutatunk olyan jelenségeket, amelyek, bár a körülöttünk levő nagyvilágban játszódnak le, mégis nagyon meglepnek bennünket, mert szokatlanok. És ha azt kérdezzük, hogy ezeknek a jelenségeknek mi az oka, mi a magyarázata, eddigi tudásunk alapján nem tudunk rá felelni. A magyarázat keresése elvezet majd bennünket az anyag legkisebb részecskéinek, az atomoknak és a molekuláknak a világába, a mikrokozmoszba (mikrosz = kicsiny).

 

1. Az önmagától szétpukkanó léggömb

A bűvészmutatvánnyal határos kísérletek közül lássuk az elsőt. Fújjunk fel feszesre egy játék gumi léggömböt és kössük le jól a száját, hogy ne tudjon belőle kiszökni a levegő.
Ki tudná ezt a gömböt elpukkasztani, de úgy, hogy nem szabad hozzányúlni, sem melegíteni?
A felfújt gumigömböt egy szájával lefelé fordított üvegedény alá tesszük. Az üvegbura alól nem szivattyúzzuk ki a levegőt. És mégis... egyszer csak a gumigömb - látszólag teljesen magától - duzzadni kezd... végül hangos csattanással szétpukkan.
Hogyan pattanhatott el magától? Ehhez munkavégzés kellett! Mi fújta fel a magában álló gömböt? Mi végezte a munkát? - Valóban meglepő!

Előfordul ez a jelenség magától, a természetben is? Igen. Bizonyára számtalanszor láttuk már a hasonló jelenséget, de nem tűnt fel senkinek, egészen természetesnek találtuk. Igaz, hogy nem a levegőben pattant szét magától egy lassan duzzadni kezdő gumigömb - hanem csak a vízbe tett szőlőszem kezdett el duzzadni és végül megrepedt. Látszólag magától... (ábra).
Mi lehet ezeknek a jelenségeknek az oka? iA kerékpár mozgásának oka az, hogy a kerékpáros tapossa a pedált. Ezt látjuk. De nem látjuk azokat a parányi munkásokat, akik szétpukkanásig fújják a gumigömböt, repedésig duzzasztják a szőlőszemet. Ezek a jelenségek a mikrofizika körébe tartoznak.
De előbb lássuk a második, ugyanilyen szokatlan jelenséget.

Miért duzzad repedésig a vízben a szőlőszem?
Miért gyullad meg a behamuzott kockacukor?

 

2. Meggyújtunk egy kockacukrot

Próbáljunk meggyújtani egy kockacukrot. Vegyük kézbe a cukrot. Tartsuk a kocka csúcsa alá az égő gyufa lángját. A cukor nem gyullad meg.
Most következik a meglepetés. Mártsuk a cukor csúcsát a hamutálcában levő cigarettahamuba. Tartsuk most a kockacukor behamuzott része alá a gyufalángot.
A cukor égni kezd, és vígan lángolva ég tovább.
Ez valóban meglepő. Hiszen a hamu éghetetlen. Miért segíti elő mégis a cukor gyulladását és égését?
Ha majd megtudjuk ennek okát, akkor számos hasonló jelenséget tudunk mondani a mindennapi életből, amelyek oka ugyanez. Csakhogy ezeket a jelenségeket éppen azért, mert megszoktuk, természetesnek vettük. De most a kockacukor meggyújtásának szokatlan, meglepő ténye után más szemmel nézünk majd a jelenségekre.

 

Miért veszünk be széntablettát?

Gyomorzavarok alkalmával szenet rendel az orvos. Elhinnénk, ha valaki azt mondaná, hagy a széntabletta a gyomorban ugyanazt csinálja, mint a hamurészecskék a kockacukorral? A cukor azért gyullad meg, amiért a széntabletta hatásos a gyomorban.
Lássuk először a kockacukrot. Sok oxigénnek kellene rendelkezésre állania ahhoz, hogy a cukor a gyufaláng hőmérsékletén meggyulladjon. De a cukrot környező levegőben nincs ekkora sűrűségben jelen az oxigén. Nem is gyullad meg a cukor.
De mi történik akkor, ha a cukor csücskét hamuba mártjuk?
A hamu apró részecskéinek az a tulajdonsága, hogy magukhoz vonzzák a levegőben jelen levő oxigéngáz legapróbb részecskéit. A hamuszemecskék felületén tehát mintegy összesűrűsödik, lekötődik az az oxigén, ami az égéshez szükséges. A cukor valóban meg is gyullad, és az így keletkező nagyobb már elegendő az égés fenntartásához.
Valami hasonlót csinál az a széntabletta is, amit az orvos rendeletére naponta többször lenyelünk: magába gyűjti, magához köti azoknak az anyagoknak szemmel nem látható legapróbb részecskéit, amelyek nem kívánatosak a gyomorban. Így ezek a káros anyagok, legyenek azok gázrészecskék vagy egyéb részecskék, kiválnak gyomrunkból.
Tudnánk más, hasonló eseteket mondani a mindennapi életből, amelyeknek magyarázata ugyanez: valamely anyag parányi részecskéii egy másik anyag parányi részecskéit magukhoz kötik, magukba sűrítik?
Így például, ha dohányfüstös teremben vagy rossz szagú helyiségben vagyunk, ruhánk magába szívja a rossz szagot és napokig érezzük, hiába keféljük, poroljuk a ruhát. - Mi az az erő, amely egymáshoz tapasztja a szagos anyagok szemmel láthatatlan részecskéit, meg ruhánk textil- szálait?
Ez az erő hat akkor is, amikor a kelméket, az anyagokat festik, színezik.
A ruhaszövetek anyaga magához köti, magához láncolja a festékoldatban levő parányi festékszemecskéket. Mennyi bosszúságot okoz az, hogy némelyik kelmefesték egyszeri mosásra eltávozik. Más színes anyagok szinte korlátlanul moshatók.
Az előbb a kellemetlen szagokat vette magába ruhánk, most meg a festőanyag finom, láthatatlan szemecskéit láncolta magához. Célunk az, hogy ez a tapadás minél szorosabban történjék.
De milyen erő okozza ezt a szoros összetapadást? Erre is azonnal rátérünk, de előbb megismerkedünk a harmadik jelenséggel.

 

3. A zsírszemecskék tánca

Sok meglepő kísérletet láttam mát életemben, de a legcsodálatosabbnak, a mindennapi megszokásunkkal legellenkezőbbnek azt tartom, amit egy csepp tejjel végezhetünk. Ha rám bíznák, hogy a világ annyi gyönyörű ás bámulatos jelensége közül melyiket mutassam be másoknak — habozás nélkül a tejesüveg után nyúlnék.

A tejcseppen kívül még egy 600 - 1000-szeresen nagyító mikroszkóp is szükséges. - Egy üveglemezre egyetlen csepp tejet cseppentünk. A tejcseppet lefedjük egy másik vékony üveglemezzel, azután a mikroszkóp alá tesszük. 600 - 1000-szeres nagyításban megfelelő megvilágítás esetén sok-sok fénylő korongot látunk. Úgy ragyognak mint a Nap, és körülöttük kisebb fényes korongok, fénylő pontok, mint a csillagok. Ezek a tejben levő apróbb-nagyobb zsírszemecskék (ábra).

Örökösen ide-oda táncolnak a tejcseppben levő parányi, szabad szemmel nem is látható zsírcseppecskéi - mert a vízmolekulák lökdösik őket.

Figyeljük csak meg jobban az apróbb zsírcseppeket... Ide-oda mozognak, rezegnek. A legkisebbek járják legszaporábban a táncot. Olyan a mikroszkópban látható kép, mint egy ragyogóan kivilágított táncterem, tele nyüzsgő, szabálytalanul táncoló csillagokkal.
Meddig járják a táncot? - Örökkön örökké!
És mi táncoltatja őket?
Valami, amit nem látunk meg még a legjobban nagyító fénymikroszkóppal sem. A zsírcseppecskék körül ott vannak a víznek legapróbb részecskéi, a vízmolekulák. Ezek sok milliószor parányibbak még a zsírcseppecskéknél is. A vízmolekulák, általában minden anyag legkisebb részecskéi, az atomok ás molekulák örökös mozgásban vannak. Ez az örökké tartó mozgás az anyag jellemző tulajdonsága. A szabálytalanul ide-oda mozgó vízmolekulák minden oldalról nekiütköznek a zsírcseppecskéknek. A zsírcseppecskék hol az egyik, hol a másik oldalról kapnak több és nagyobb erejű lökést.
Ezért táncolnak a zsírcseppecskék. Szemmel láthatóan bizonyítják az anyag legkisebb részecskéinek örökös mozgását, - Ezt a mozgást az anyag hőmozgásának nevezzük.

Miért nevezzük hőmozgásnak? Azonnal rájövünk, ha egy hajszálvékony drótszálat vezetünk át a mikroszkóp alatt levő tejcseppen. Küldjünk át a drótszálon gyenge elektromos áramot, ami kissé felmelegíti a drótot és a környékén levő tejet. - Mit látunk?
A zsírcseppek tánca fokozódik. Egyre hevesebben, egyre vadabbul mozognak, rángatóznak ide-oda azok a kis fénylő csillagok.
Ez azt bizonyítja hogy minél melegebb a víz, annál sebesebben mozognak a víz legkisebb részecskéi, a vízmolekulák, és annál nagyobb erővel lökdösik a tejben levő zsírszemecskéket.

 

Hogyan terjed a szag és az illat?

A mindennapi életben sok megszokott jelenség van, amelyeknek oka éppen az, ami a mikroszkóp alatt szemmel látható: az anyag legapróbb részecskéinek hőmozgása.
Például ha egy nagy, tiszta levegőjű teremben a sarokban ülünk és valaki a terem közepén cigarettára gyújt, néhány másodperc múlva már érezzük a szagát akkor is, ha a levegő nem mozog. Hogyan jutottak el a füstszemecskék hozzánk, több méter távolságra?
Képzeljük el, hogy egy zsúfolt táncteremben javában áll a tánc. A terem közepén kiöntenek egy kosár labdát. Néhány másodperc múlva bizonyosan eljutna egy-két labda a terem szélére, a legtávolabbi sarokba is, mert a táncosok ide-oda mozgó lába a legkülönbözőbb irányokba elrugdalná a labdákat.
Ilyen örökké mozgó táncosok a levegő, a gázok legkisebb részecskéi, molekulái. Ezek a gázmolekulák szétrugdossák a levegőben a füstszemecskéket, a füstgázok molekuláit.
Vagy ugyan kinek tűnt már fel az a nem kevésbé csodálatos jelenség, hogy ha tiszta vízbe egy csepp tintát cseppentünk, akkor a tinta részecskéi, a festékszemecskék szemmel látható sebességgel terjednek szét az egész pohár vízben?
Ki viszi, mi viszi, mi hordja szerte a részecskéket? Mekkora munkát jelentene, ha ránk bíznák azt, hogy a festékszemecskéket egyenként hordjuk szét a pohár vízben!
A természet a molekulák örökös mozgása segítségével ingyen és ügyesen elvégzi ezt a feladatot.

 

Milyen sebesen mozognak a levegő és a folyadék molekulái?

Könnyű megjegyezni, hogy a szoba hőmérsékletű levegőt alkotó gázok molekuláinak átlagos sebessége körülbelül 500 méter másodpercenként, csaknem olyan sebesen repülnek, mint a fegyvergolyó.

A levegőben levő gázok molekuláinak viszonylagos súlya
és sebessége 0 C° hőmérsékleten

 
A molekulák
 
viszonylagos
súlya
sebessége másodpercenként
hidrogén
2
1845 méter
oxigén
32
461 méter
nitrogén
28
492 méter
szén-dioxid
44
393 méter

A cigarettafüst gázainak tehát egy pillanat alatt el kellene jutniuk néhány száz méterre!
Igen ám, de sebes röptükben egymásnak ütköznek, visszapattannak, irányt változtatnak, ezért lassabban jutnak egyre távolabb.
A folyadékban milyen sebesen mozognak a molekulák?
A folyadékok legkisebb részecskéi sokkal közelebb vannak egymáshoz, sokkal sűrűbben helyezkednek el, mint a gázoké. A folyadékmolekulák nyugalmi helyzetükből kiindulva ide-oda rezgő mozgást végeznek. Egy-egy folyadékmolekula 1 másodperc alatt mintegy 10 billiószor mozdul el ide-oda. A sok ütközés miatt naponta csak 1 centiméterrel mozdul odább helyéről a folyadékmolekula, jóllehet a valóságban 10 kilométer utat tesz meg közben, mert az ütközések alatt cikkcakkban mozog ide-oda
Meseszerűbben hangzik a legszebb tündérmesénél az, hogy abban a pohár vízben mindegyik vízmolekula egyetlen másodperc alatt többször nekiütközik a szomszédoknak, mint ahány ember él a Földön. Milyen elképzelhetetlenül mozgalmas élet zajlik abban a látszólag nyugodt és mozdulatlan vizespohárban
Ez a mikrofizika van olyan érdekes, mint a makrofizika. De még mindig nem tudjuk, hogy első kísérletünkben miért pukkant el látszólag magától a gumigömb.
A következő fejezetben sok más érdekességgel együtt ezt is megtudjuk.


Felhasznált irodalom