Michael Faraday
(17911867)

Tûnõdés az elektromos vezetésrõl és az anyag természetérõl

Phil. Mag. 1844, vol 24. pp. 136144

in: D. M. Knight ed., Classical scientific papers, Chemistry, (New York: American Elsevier, 1968)


Richard Taylor úrnak

Royal Institution,1844. január 25.


Tisztelt Uram!

Múlt pénteken a fenti címet viselõ témával nyitottam meg a hetenkénti esti ülést, és nem szándékoztam a tárgyat késõbb írásos formába önteni, de mert elõadásom a természet ismeretének, jelenségeinek legfontosabb elemei közül vizsgál és alkalmaz néhányat, úgy gondoltam, a mibenlétérõl és szándékáról szóló beszámoló talán nem elfogadhatatlan az Ön számára, ugyanakkor jelenlegi véleményemnek és nézeteimnek rögzítése lehetne.

Az anyag atomosságáról alkotott, véleményem szerint legelterjedtebb kép az atomot bizonyos térfogattal rendelkezõ anyagi dolognak ábrázolja; a teremtéskor az atomra azok az erõk hatottak, amelyek kezdettõl fogva mind a mai napig, ha sok atom gyûlik össze csoportokba, a különbözõ anyagok alkotásának képességével ruházzák fel az atomokat, és ezeknek az anyagoknak a hatásait és tulajdonságait figyelhetjük meg. Bár az atomok csoportjait az erõik összetartják, az atomok nem érintkeznek, hanem tér van közöttük, különben a nyomás és a hideg nem nyomhatná össze a testeket; a folyadékokban ezek az atomok vagy részecskék szabadon elmozdulhatnak egymás körül, a gõzökben és gázokban szintén jelen vannak, de egymástól távolabb, bár erõik révén még kapcsolatot tartanak egymással.

Az atomokról szóló tant valamilyen formában gyakran használják napjainkban a jelenségek, elsõsorban a krisztallográfiai és kémiai jelentségek értelmezésére, és nem különböztetik meg gondosan a megfigyelésektõl, így a diáknak gyakran úgy tûnik, mint maguknak a tényeknek a közlése, holott az atomok elmélete a legjobb esetben is csak feltételezés; annak az igazságnak a feltételezése, amelyrõl semmit jelenthetünk ki bizonyosan, bármekkorának is mondjuk vagy gondoljuk a valószínûségét. Az atom szót, amely soha nem alkalmazható anélkül, hogy hipotetikus voltát hangsúlyoznánk, gyakran szándékoznak egyszerû megfigyelés kifejezésére használni, de bármennyire jó is a szándék, nem találtam még olyan elmét, amely rendszeresen szétválasztotta volna a vele járó kísértésektõl; s nem kétséges, hogy az állandó súlyviszonyok, ekvivalensek, kiindulási elemek stb. szavakat, amelyek az összes olyan megfigyelést teljes mértékben leírták és leírják, amelyet a kémiában rendszerint atomelméletnek neveznek, azért vetették el, mert nem voltak elég kifejezõk, és nem mondták el mindazt, ami annak a fejében volt, aki az atom szót használta helyettük; nem fejezték ki együtt a hipotézist és a megfigyelést.

De mindig biztonságos és bölcs cselekedet, ha, amennyire erõnk engedi, különbséget teszünk a megfigyelések és az elmélet között; az elmúlt korok tapasztalatai kellõképpen illusztrálják e gyakorlat helyességét; hiszen az elme állandóan igyekszik egy feltevés mellett maradni, és az aktuális kérdésekre válaszolva igyekszik elfelejteni, hogy ez feltevés, ezért tudnunk kell, hogy ilyen esetekben a feltevés elõítéletté válik, és szükségképpen többé-kevésbé zavarja a józan gondolkodást. Nem kétlem, hogy a tudósnak, aki a leginkább behatolhat a természet titkaiba és hipotézissel sejtheti meg a természet mûködését, ugyancsak óvatosnak kell lennie a maga és mások haladása érdekében, hogy megkülönböztesse a feltevésbõl álló tudást a feltevés alatt elméletet és hipotézist értek a megfigyelések és törvények ismeretétõl; és soha ne helyezze az elõbbit az utóbbi fölé, s az utóbbit ne keverje össze a kelleténél jobban az elõbbivel.

A fény és az elektromosság a testek molekuláris szerkezetének vizsgálatára szolgáló két fontos eszköz. A most következõkhöz hasonló gondolatok akkor ötlöttek fel bennem, amikor azokban a testekben vizsgáltam a vezetés és a szigetelés valószínû természetét, amelyek nem bomlanak el az elektromosság hatására, s az elektromosság és az olyan tér kapcsolatát tanulmányoztam, amely mentes attól, amit az atomisták anyagnak neveznek.

Ha az anyag felépítésérõl korábban említett képet helyesnek tételezzük fel, s ha az anyag részecskéirõl és a közöttük levõ térrõl (például a vízben vagy a vízgõzben) mint két különbözõ dologról beszélhetek, akkor csak a tér tekinthetõ folytonosnak, mert a részecskékrõl feltesszük, hogy a tér elválasztja õket. A tér minden anyagi tömegen minden irányban áthatol, mint egy háló, azzal a különbséggel, hogy a hálószemek helyett cellákat képez, amelyek az atomokat elszigetelik a szomszédaiktól, és csak a háló folytonos.

Tekintsünk egy darab sellakot, ami nem vezetõ, s atomi felépítésének fenti képébõl azonnal kiderül, hogy a tér szigetelõ, mert ha vezetõ lenne, a sellak nem szigetelhetne, bármi lenne is az a kapcsolat, amely anyagi atomjainak vezetési képességére vonatkozna; a tér olyan lenne, mint egy finom fémháló, amely minden irányban áthatol a sellakon, mint ahogy egy homokdomb minden pórusát megtölti a víz; vagy vegyünk egy fekete viaszrudat, amely bár az áramvezetõ szén végtelen sok részecskéjét tartalmazza minden részében eloszlatva, nem vezet, mert egy nem vezetõ test (egy gyanta) közbeékelõdik és a részecskéket elválasztja egymástól, mint a feltételezett tér a sellakban.

Tekintsünk most egy fémet, a platinát vagy a káliumot, amely az atomelmélet szerint ugyanilyen módon épül fel. A fém vezetõ; de hogyan lehet az, ha a tér nem vezetõ? hiszen a tér a fém egyetlen folytonos része, s az atomok nemcsak hogy nem értintkeznek (az elmélet szerint), de amint látni fogjuk, fel kell tennünk, hogy tetemes távolságra vannak egymástól. A térnek ezért vezetõnek kell lennie, különben a fémek nem vezethetnének, hanem olyan helyzetben lennének, mint a korábban említett fekete pecsétviasz.

De ha a tér vezetõ, hogyan szigetelhet a sellak, a kén stb.? hiszen a tér minden irányban áthatol rajtuk. Vagy ha a tér szigetelõ, hogyan vezethetnek a fémek vagy a hasonló testek?

Úgy látszik, hogy ha elfogadjuk a szokásos atomelméletet, a tér nem vezetõnek bizonyulhat a nem vezetõ és vezetõnek a vezetõ testek esetében, de az érvelés itt az elmélet aláaknázásával véget is ér; mert ha a tér szigetelõ, nem létezhet vezetõ testekben, és ha vezetõ, nem létezhet szigetelõ testekben. Minden olyan érvelés alapjának, amely ilyen konklúziókhoz vezet, hamisnak kell lennie.

Az ilyen konklúziókkal kapcsolatban röviden áttekinthetjük, milyen lehetõségek jutnak eszünkbe, ha a vegyészek által felállított atomelmélet kiterjesztését a fémek vezetõerejével kapcsolatban alkalmazzuk. Ha a fémek fajsúlyát elosztjuk az atomi számmal, a hipotézis szerint megkapjuk a fémek azonos térfogataiban levõ atomok számát. A következõ táblázatban az elsõ számoszlop a megnevezett fémek azonos térfogataiban lévõ atomok számát, a második az azonos térfogatú fémek vezetési képességét, vezetõerejét adja meg közelítõleg.
 

Atomok   Vezetõerõ
1,00
1,00
1,12
1,30
2,20
2,27
2,87
2,90
arany
ezüst
ólom
ón
platina
cink
réz
vas
6,00
4,66
0,52
1,00
1,04
1,80
6,33
1,00

A vas, amely adott térfogatban a legtöbb atomot tartalmazza, egy kivételével a legrosszabb vezetõ. Az arany, amely a legkevesebb atomot tartalmazza, majdnem a legjobb vezetõ; de ezek a körülmények nincsenek egymással fordított arányban, mert a réz, amely csaknem annyi atomot tartalmaz, mint a vas, még az aranyál is jobban vezet, és több mint hatszor jobban vezet a vasnál. Az ólom, amely az aranynál több atomot tartalmaz, csak tizenketted annyira vezet; az ónnál sokkal nehezebb és a platinánál sokkal könnyebb ólom csak fele annyira vezet, mint az említett két fém. És mindez olyan anyagok között történik, amelyeket jelenleg eleminek vagy egyszerûnek kell tekintenünk. Akárhogyan tekintjük is az anyag részecskéit és a köztük levõ teret és vizsgáljuk a táblázat segítségével az anyag feltételezett felépítését, az eredmények zavarosak.

Vegyük most a kálium esetét; ez a kompakt fém kiváló vezetõ, oxidja vagy hidrátja nem vezetõ; néhány olyan adatot szolgáltat nekünk, amelyek igen fontosak az anyag feltételezett atomi felépítése szempontjából.

Ha a káliumot oxidáljuk, egy atomja az oxigén egy atomjával egyesülve kálium-oxidot alkot, és egy atom kálium-oxid egy atom vízzel egyesülve (a víz két atom oxigént és hidrogént tartalmaz) egy atom kálium-oxid-hidrátot képez, tehát a kálium-oxid-hidrát négy elemi atomból áll. A kálium fajsúlya 0,865, atomsúlya 40; az ömlesztett kálium-oxid-hidrát fajsúlya olyan tisztasági állapotban, ahogyan elõ tudtam állítani méréseim szerint közel 2, atomsúlya 57. Ezekbõl a megfigyelésekbõl a következõ furcsa konklúziók vonhatók le. Egy darab kálium kevesebb káliumot tartalmaz, mint egy ugyanakkora darab kálium-oxid. A káliumot vegyíthetjük azonos atomi arányban oxigénnel, majd kétszeres  atomi arányban oxigénnel és hidrogénnel, és mindeme gyarapítások ellenére az anyag egyre kevesebb lesz, amíg eredeti térfogatának kétharmadára nem csökken. Ha a kálium egy adott térfogata 45 atomot tartalmaz, ugyanilyen térfogatú  kálium-oxid-hidrát csaknem 70 atom káliumfémet, valamint 210 atom oxigént és hidrogént tartalmaz. Ha már a feltevéseknél tartunk, még egy apróságot fel kell tételeznem, mielõtt bármilyen kijelentést tennék; hadd tegyem fel ezért, hogy a kálium-oxid-hidrátban minden atom azonos méretû és csaknem érintkezik egymással, és hogy egy ilyen anyag egy köbhüvelykjében 2800 elemi kálium-, oxigén-  és hidrogénatom van; vegyünk el 2100 oxigén- és hidrogénatomot, ekkor a 700 káliumatom több mint másfél köbhüvelyknyire duzzad, és ha a számukat addig csökkentjük, amennyi egy köbhüvelykbe fér, körülbelül 430-at kapunk.Tehát azt a teret, amely 2800 atomot, közte 700 káliumatomot tartalmaz, 430 káliumatom teljesen kitölti, ha az atomok a fém szokásos állapotában fordulnak elõ. Az atomelmélet feltevései alapján ezért a káliumatomoknak biztosan nagyon messzire kell lenniük egymástól a fémben, vagyis a testben több térnek kell lennie, mint anyagnak: a kálium azonban kiváló vezetõ, tehát a térnek vezetõnek kell lennie; de akkor mi legyen a sellakkal, a kénnel és a szigetelõkkel? hiszen az elmélet szerint bennük is kell térnek lennie.

Nézzük meg újra; az a térfogat, amely 430 káliumatomot és semmi mást nem tartalmaz, amikor a kálium fém állapotban van, majdnem ugyanannyi káliumatomot tartalmaz, neveztesen 416-ot, ha a káliumot salétrommá alakítjuk át, és hétszer ennyi, 2912 nitrogén- és oxigénatomot is tartalmaz. A kálium-karbonátban az a tér, amelyet 430 káliumatom fémként teljesen betölt, az átalakítás után 256-tal több káliumatomot tartalmaz, tehát 686 fématomot és emellett 2744 oxigén- és szénatomot.

Ezek és hasonló meggondolások kiterjeszthetõk a nátriumra és más anyagokra, s ugyanilyen meglepõ eredményeket kapunk, sõt még meglepõbbeket, ha egyetlen anyag, például az oxigén vagy a kén különbözõ anyagokkal alkotott vegyületeit hasonlítjuk össze.

Nem feledkezem meg arról, hogy a kristályosítás, a kémia és a fizika jelenségei erõcentrumok elfogadására késztetik gondolkodásunkat. Arra kényszerülök, hogy a jelen pillanatban hipotetikusan elfogadjam ezeket, s nem nélkülözhetem õket; de az anyag atomos felfogása, mely szerint az atomok többé-kevésbé eltávolodnak egymástól a szilárd anyagokban, a fluidumokban és a gõzökben, s a közbülsõ teret nem töltik ki atomok, nagy nehézségeket támaszt, és úgy vélem, nagy ellentmondások rejlenek a fenti képbõl származó konklúziókban.

Ha feltevésekkel kell élnünk, s ezt ebben a tudományágban aligha kerülhetjük el, akkor az látszik a legbiztonságosabbnak, ha a lehetõ legkevesebbet tételezzük fel, és e tekintetben Boskovic atomjai sokkal elõnyösebbnek tûnnek számomra a szokásos fogalomnál. Ha jól értem, a Boskovic-féle atomok pusztán erõcentrumok, nem anyagi részecskék, s az erõ bennük összpontosul. Ha az atomok szokásos felfogásában az erõktõl mentes anyagrészecskét a-nak nevezzük, és a benne és körülötte ható erõk rendszerét m-nek, akkor a Boskovic-féle elméletben a eltûnik, vagy csupán matematikai pont, míg a szokásos felfogás szerint egy kis, megváltoztathatatlan, áthatolhatatlan anyagdarab, és m a körülötte csoportosuló erõk atmoszférája.

Az atomok sok hipotetikus alkalmazása során, például a krisztallográfiában, a kémiában, a mágnesség tanában stb., ez a feltevésbeli különbség az eredményeket kicsit vagy egyáltalán nem változtatja meg, de más esetekben mint például az elektromos vezetés, a fény természete, az a mód, ahogyan a testek vegyületekké egyesülnek, az anyagra kifejtett erõk, például az elekromosság és a hõ hatásai a különbségek nagyon nagyok lesznek.

Visszatérve a káliumra: a fém formában az atomoknak, mint láttuk, a szokásos felfogás értelmében nagyon távol kell egymástól lenniük; hogyan tudjuk akkor egy percre is elképzelni, hogy áramvezetõ tulajdonsága hozzá tartozik, nem pedig a tér tulajdonságainak következménye, vagy amint az elõbb neveztem, az m-é? és más, fénnyel vagy mágnességgel, szilárdsággal, keménységgel vagy fajsúllyal kapcsolatos tulajdonságainak az m tulajdonságaiból vagy erõibõl kell származniuk, nem az a-éból, amely az erõk nélkül hatástalannak tekinthetõ. De ekkor az m a kálium anyaga, mert mi alapján képzelhetõ el (az indokolatlan feltevés kivételével), hogy különbség van a két szomszédos atom középpontja között félúton levõ tér és a középpontok közötti bármely más hely között? fokbeli különbséget vagy akár a folytonosság törvényével konzisztens erõk természete közötti különbséget el tudok fogadni, de egy feltételezett kemény kis részecske és a körülötte levõ erõk között nem tudok különbséget elképzelni.

Az én felfogásom szerint ezért az a vagy a mag eltûnik, és az anyag erõkbõl vagy m-bõl áll; s csakugyan: milyen képet alkothatunk az erõitõl független magról? Az atomra vonatkozó összes tudásunk és képzeletünk is csak az atom erõinek a képzetére vonatkozik: hol marad hely a gondolatainkban az elismert erõktõl független a elképzelésére? Aki most ismerkedik a tárggyal, talán nehéznek tartja, hogy az anyag erõire egy különálló, anyagnak nevezett dologtól függetlenül gondoljon, de sokkal nehezebb, valójában lehetetlen, hogy az anyagot erõk nélkül képzeljük el. Azokban az erõkben, amelyeket ismerünk és a teremtés minden jelenségében felismerünk, nincs absztrakt anyag, akkor miért tételeznénk fel annak a meglétét, amirõl nincs tudomásunk, amit nem foghatunk fel, és amire filozófiai szempontból nincs szükség?

Mielõtt levonnám a konklúziókat, megemlítek néhány fontos különbséget a pusztán erõcentrumokból álló, a Boskovic-féle atomokhoz hasonló atomok feltevése és azok között a feltevések között, amelyek szerint a molekulák különleges anyagból állnak, és az erõk a molekulákon belül és körülöttük lépnek fel.

Az utóbbi esetben az anyag tömege atomokból és a közöttük levõ térbõl áll, az elõbbiben az atomi anyag mindenütt jelen van, és nincs közöttük üres tér. A gázokban az atomok ugyanúgy érintkeznek egymással, mint a folyadékokban. Tehát a víz atomjai a jégben, a vízben és a gõzben is érintkeznek egymással, nincs közbensõ tér. Az erõcentrumok kétségtelenül változtatják egymás közötti távolságukat, de az, ami valóban az egyik atom anyaga, érintkezik a szomszédaival.

Ezért az anyag mindenhol folytonos, és tömegét tárgyalva nem kell különbséget tennünk az atomjai és a közbülsõ tér között. A centrumok körül ható erõk ezeket a centrumokat az anyag atomjainak tulajdonságaival ruházzák fel; és ezek az erõk, amikor hatásukra sok centrum áll össze tömeggé, a tömeg minden részét az anyag tulajdonságaival ruházzák fel. Ebben a felfogásban az elektromos szigetelés és vezetés tárgyalásának összes ellentmondása eltûnik.

Az atomokat igen rugalmasnak foghatjuk fel ahelyett, hogy rendkívül keménynek és megváltoztathatatlan alakúnak tartanánk õket; ha egy levegõvel töltött hólyagot összenyomunk a kezünk között, majd elengedjük, alig változtatja meg az alakját; s Cagniard de la Tour vizsgálatai szerint a kísérlet azonos eredménnyel több százszor is megismétehetõ. Ugyanez a helyzet, amikor egy szilárd vagy egy fluid testet gõzzé alakítunk át.

Az atomok alakjáról, amely a szokásos feltevés alapján határozott, megváltoztathatatlan, más képet kell alkotnunk. Az atom önmagában gömb vagy csaknem gömb alakúnak tekinthetõ, vagy ha minden irányból sok másikkal érintkezik, alakját dodekaéderesnek is képzelhetjük, ekkor bármelyik atomot tizenkettõ másik veheti körül, különbözõ oldalakról. De ha az atomot erõcentrumként fogjuk fel, annak helyébe, amit közönségesen alaknak nevezünk, most az erõk elrendezése  és relatív intenzitása lép. A centrumon belüli és a centrum körüli erõk elrendezésének és intenzitásának egyenletesnek kell lennie a középponttól kifelé minden irányban, és ekkor az egyenlõ intenzitású erõk sugárra merõleges metszete gömb lesz; vagy az a törvény, amely szerint az erõ a centrumtól távolodva csökken, változhat a különbözõ irányokban, és ekkor az azonos intenzitás metszete összenyomott vagy megnyúlt gömbszerû alak vagy más forma lesz, vagy az erõk úgy rendezõdhetnek el, hogy az atom poláris legyen, vagy ekvatoriálisan vagy másképp keringhetnek, mint az elképzelt mágneses atomok esetében. Valójában semmi sem tételezhetõ fel az erõk elhelyezkedésérõl az anyag szilárd magjában és magja körül, ami ne lenne elképzelhetõ a centrum esetén.

Az anyag tekintetében a legenyhébb feltevésnek az látszik, hogy az anyag és az anyag atomjai kölcsönösen áthatolhatók. Ami az anyag kölcsönös áthatolhatóságát illeti, azt hihetnénk, hogy azok a megfigyelések, amelyeket a kálium és vegyületei esetében leírtunk, elegendõen bizonyítanák ezt a feltevést annak, aki a tényeket tényeknek tekinti és gondolatait nem zavarják meg az elõítéletek. Az atomok kölcsönös áthatolhatóságát illetõen a testek felépítésérõl számos szempontból szebb, mégis a többihez hasonlóan valószínû és mélyértelmû elképzelés is létezik, és ez különösen a kémiai vegyülés szempontjából lehet fontos. Ha feltesszük, hogy egy atom oxigén és egy atom kálium készül egyesülni kálium-oxiddá, a szilárd, változtathatlan és áthatolhatatlan atomok hipotézise ezt a két részecskét könnyen egymás mellé helyezi, mert  mechanikusan kezeli õket, de ha ez a két atom erõcentrum, kölcsönösen áthatolnak a centrumokig, s így egyetlen atomot vagy molekulát alkotnak, amelynek erõi vagy egyenletesen oszlanak el az atom vagy a molekula körül, vagy a két alkotó atom erõinek eredõjeként rendezõdnek el; az a mód, ahogyan két vagy több erõcentrum egyesülhet, és azután, a nagyobb erõk fellépésekor, ismét különválhat, bizonyos fokig illusztrálható azzal a gyönyörû példával, amikor a tenger két különbözõ sebességû hulláma egyesül, tökéletes egységet alkot egy idõre, majd újra a két alkotó hullámra válik szét; azt hiszem, a British Association liverpooli gyûlésén beszéltem errõl. Ebbõl a képbõl nem következik, hogy a centrumok mindig egybeesnek; ez az egyes atomok erõinek relatív helyén múlik.

Az anyag felépítésérõl most kifejtett elgondolás szükségképpen azt a konklúziót hordozza, hogy az anyag minden teret betölt, vagy legalább minden olyan teret, ahová a gravitáció kiterjed (beleértve a Napot és rendszerét); mert a gravitáció olyan anyagi tulajdonság, amely egy bizonyos erõtõl függ, és ez az erõ tartja össze az anyagot. Eszerint az anyag nemcsak kölcsönösen átjárható, hanem minden atom úgyszólván az egész naprendszerre kiterjed, mégis megtartja saját erõcentrumát. Ez, elsõ látásra, igen jól összecseng Mossotti matematikai vizsgálataival és azzal, hogy az elektromosság, kohézió, gravitáció stb. jelenségei egyetlen erõre vezethetõk vissza az anyagban; valamint azzal a régi mondással is, hogy "ahol nincs, ott nem hathat anyag". De nem szándékozom ilyenfajta töprengésekbe bocsátkozni és abba sem, hogy ez a hipotézis milyen következményekkel jár a fényre és a feltételezett éterre nézve. Inkább az elektromos vezetés és a kémiai vegyülés bizonyos tapasztalati tényeit akartam összeegyeztetni az atomok és az anyag természetére vonatkozó elképzeléseinkkel, hogy a természettudományok terén megkülönböztessük valódi tudásunkat, vagyis a tények és a törvények ismeretét attól, ami bár a tudás alakját ölti, puszta feltevés, éppen a tudás ellenkezõje.
 

Õszinte híve,
Michael Faraday

Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/