Bűvészetnek beillő három kísérlet
Betekintünk a láthatatlanul kicsi anyagrészecskék világába
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 hő 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.
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.