James Clerk Maxwell 
(1831-1879)

Molekulák

Elôadás a British Association elôtt
Nature 8, 437-41 (1873)
 

[David M. Knight, ed., Classical scientific papers: chemistry (New York: American Elsevier, 1968)]


Elôzô rész


Most csak annyi idônk van, hogy megemlítsük a legcsodálatosabb molekuláris mozgást, az elektrolízist. Ennek során elektromos áram halad át a megsavanyított vízen, és hatására oxigén jelenik meg az egyik elektródon, hidrogén a másikon. A közbensô térben a víz teljes nyugalomban van, pedig ellentétes oxigén- és hidrogénáramnak kell áthaladnia rajta. A folyamat fizikai elméletét Clausius tanulmányozta, aki érveket sorolt fel annak alátámasztására, hogy a közönséges vízben a molekulák nemcsak mozognak, hanem idônként olyan erôvel ütköznek egymással, hogy a molekula oxigénje és hidrogénje szétválik, és a tömegben ugrándozva hasonló módon disszociált partnert keres. Ha a közönséges víz egészét tekintjük, ezek a cserék nem okoznak észlelhetô hatást, de amint az elektromotoros erô hatni kezd, vezérelni kezdi a szétvált molekulák mozgását, és mindegyiket a megfelelô elektród felé irányítja. Ha azonban a levált rész egy másik, ellentétes résszel találkozik, ismért többé-kevésbé állandó együttest alkot vele, amíg egy újabb ütés hatására le nem válik. Az elektrolízis ezért elektromotoros erôvel segített diffúzió.

A molekulák tanulmányozásának egy másik ága a folyadék és a gáz közötti molekulacserével foglalkozik. Ide tartozik a párolgás és a kondenzáció elmélete (a folyamatok során a szóban forgó gáz a folyadék gôze), valamint annak a folyamatnak az elmélete, amelynek során a gázt egy másik anyag folyadéka nyeli el. Dr. Andrews vizsgálatai, amelyek a folyadék- és a gázállapot közötti összefüggést kutatták, arra utalnak, hogy bár alapszintû tankönyveink szépen megfogalmazott kijelentései szinte maguktól értetôdônek tûnnek, valódi értelmezésük igen mély alapra épülhet, és amíg ezt a megfelelô ember meg nem találja, senkinek a fejében nem fordul meg, hogy bármi is felfedezésre várna.

Láttunk tehát néhány olyan területet, ahonnan a molekulák tanulmányozásához adatokat nyerhetünk. A végeredményeket három csoportba sorolhatjuk aszerint, hogy mennyire pontosan ismerjük ôket.

Az elsô csoportba tartoznak a különbözô gázok relatív tömegei és sebességei. Ezek az adatok a gázok nyomásának és sûrûségének mérésébôl származnak, s nagy pontossággal ismertek.

A második csoportba kell sorolnunk a különbözô gázok molekuláinak relatív méretét, közepes úthosszát, másodpercenkénti ütközéseik számát. Ezeket a mennyiségeket a háromféle diffúzióra vonatkozó kíséreletekbôl kapjuk meg. Az értékeket durva becsléseknek kell tekintenünk, amíg a kísérleti módszerek nem javulnak jelentôsen.

A mennyiségek újabb halmazát a harmadik csoportba kell sorolnunk, mert rájuk vonatkozó ismereteinek se nem pontosak, mint az elsô csoportban, se nem közelítôek, mint a másodikban, mindössze valószínûségi feltevéseink vannak róluk. Ide tartozik a molekula abszolút tömege, abszolút átmérôje, az egy köbcentiméterben lévô molekulák száma. A molekulák relatív tömegét nagy pontossággal, ralatív átmérôjét közlelítôleg ismerjük. Ezekbôl következtethetünk a molekulák relatív sûrûségére. Eddig szilárd talajon állunk.

A folyadékok összenyomással szembeni nagy ellenállása valószínûsíti, hogy molekuláiknak körülbelül ugyanolyan távolságra kell egymástól lenniük, mint amennyire az anyagok gáz halmazállapotú változataiban van egymástól két molekula, amikor egy találkozás során egymásra hat. Ezt a feltevést Lorenz Meyer vetette vizsgálat alá, aki a különbözô folyadékok sûrûségét gôz állapotú molekuláik számítással kapott relatív sûrûségével hasonlította össze, és igen jó egyezést talált.

Loschmidt a dinamikus elméletbôl a következô fontos arányt vezette le: Ahogy egy gáz térfogata aránylik a benne levô molekulák összes térfogatához, úgy aránylik egy molekula közepes úthossza a molekula átmérôjének egynyolcadához.

Ha feltesszük, hogy az anyag térfogata folyadékállapotban nem sokkal nagyobb, mint a molekulák össztérfogata, az arányból megkapjuk a molekula átmérôjét. Loschmidt ezzel a módszerrel becsülte meg elsôként egy molekula átmérôjét 1865-ben. Tôle és egymástól függetlenül 1868-ban Stoney úr, 1870-ben Sir W. Thomson publikált hasonló eredményeket. Thomson nemcsak ezzel a módszerrel dolgozott, hanem a szappanbuborékok vastagságából és a fémek elektromos tulajdonságaiból kiindulva is levezette az eredményt.

A táblázat szerint, amelynek értékeit Loschmidt adataiból számítottam ki, a hidrogénmolekulák mérete akkora, hogy körülbelül kétmillió egymás mellé helyezett molekula tenne ki egy millimétert, és millió millió millió millió tömege esne négy és öt gramm közé.

Standard nyomáson és hômérsékleten bármely gáz egy köbcentiméterében körülbelül tizenkilenc millió millió millió molekula van. Mondanom sem kell Önöknek, hogy ezeket a harmadik csoportba tartozó értékeket jelenleg feltevéseknek kell tekintenünk. Ahhoz, hogy az ilyen módon kapott adatokban valamennyire is megbízhassunk, több független adatot kellene összehasonlítanunk annál, mint amennyit eddig kaptunk, és meg kellene mutatnunk, hogy ezek konzisztens eredményekhez vezetnek.

Eddig a molekulák tanulmányozását a természet jelenségeinek vizsgálatára használtuk. És bár minden tudományos munka célja a természet titkainak feltárása, van egy másik, nem kevésbé értékes hatása is a kutatók gondolkodására kifejtett hatás. A tudományos munka a kutatót olyan módszerek birtokába juttatja, amelyeket másképp nem talált volna fel, és olyan helyzetbe emeli, ahonnan a természet számos tartománya azon kívül, amit tanulmányoz új megvilágításba kerül.

A molekulák vizsgálata kitermelte saját módszerét és a természet új aspektusait tárta fel.

Amikor Lucretius azt akarja, hogy képzeljük el az atomok mozgását, azt mondja, nézzük meg az elsötétített szobán áthatoló napsugarat (ugyanezzel a módszerrel teszi láthatóvá Dr. Tyndall azt a port, amelyet belélegzünk), és figyeljük meg a minden irányba kergetôzô porszemeket. A látható porszemeknek ez a mozgása, mondja, nem más, mint a porszemekbe ütközô, láthatatlan atomok sokkal bonyolultabb mozgásának eredménye.



A Maxwell-cikkben hivatkozott Lucretius-idézet:
Titus Lucretius Carus (i.e. 9655)
A természetrõl (De rerum natura), II. 112-124
Kossuth, 1997, Ford. Tóth Béla

...

Ha csak két molekulával foglalkozunk, és minden adat rendelkezésünkre áll, kiszámíthatjuk találkozásuk eredményét, de ha molekulák millióval van dolgunk, amelyek mindegyike másodpercenként több milliószor ütközik, a probléma bonyolultsága úgy tûnik a helyes megoldás minden reményét kizárja.

Az atomelmélet mai hívei ezért olyan módszerhez folyamodtak, amely véleményem szerint új a matematikai fizikában, bár a statisztikában régóta használják. Amikor a statisztikai munkacsoport megkapja a népszámlálás eredményét vagy például azokat a kimutatásokat, amelyek a gazdaság- és társadalomtudomány számadatait tartalmazzák, az egész népességet kor,  jövedelem, iskolázottság, vallás vagy büntetett elôélet szerint csoportokba osztja. Az egyének száma sokkal nagyobb annál, hogy mindegyikük történetét külön-külön nyomon követhetnék, ezért a munkát úgy tudják emberi határok közé szorítani, hogy kis számú mesterséges csoportokra koncentrálnak. Nem az egyének változó állapota, hanem az egyes csoportokba tartozó egyének változó száma az elsôdleges adat, amellyel dolgoznak.

Természetesen nem ez az emberi természet tanulmányozásának egyetlen módszere. Megfigyelhetjük az egyes emberek viselkedését és összevethetjük azzal a viselkedéssel, amelyet korábbi jellemük és jelenlegi körülményeik alapján várhatunk a létezô legjobb elmélet alapján. Azok, akik ezzel a módszerrel próbálják az emberi természet elemeirôl szerzett ismereteiket javítani, hasonlóan járnak el, mint a csillagászok, akik egy bolygó adatait úgy korrigálják, hogy a bolygó aktuális helyzetét a korábban kapott eredményekbôl következtetett értékkel hasonlítják össze. Az emberi természetet tehát másképp tanulmányozzák a szülôk és tanítók, a történészek és államférfiak, és másképp a lajstromozók és azok az államférfiak, akik a számokban hisznek. Az elsôt történeti, a másodikat statisztikus módszernek nevezhetnénk.

A dinamika egyenletei tökéletesen kifejezik a történeti módszer törvényeit, ha az anyagra alkalmazzuk az összefüggéseket, de ilyenkor az összes adatot pontosan kell ismernünk. Ám az anyag legkisebb darabja, amelyet kísérletnek vethetünk alá, már több millió molekulából áll, és ezek egyikét sem fogjuk soha önmagában érzékelni. Egyetlen molekula mozgását sem tudjuk tehát megfigyelni, ezért le kell mondanunk a pontos történeti módszerrôl és a molekulák nagy csoportjaira alkalmazható statisztikus módszerekhez kell folyamodnunk.

A molekulák tanulmányozásakor a statisztikus módszer adatai a molekuláris mennyiségek nagy számának összegei. Az ilyen típusú mennyiségek közötti összefüggéseket vizsgálva újfajta törvénnyel találkozunk: az átlagok törvényével, amely minden gyakorlati célra teljesen kielégítô, de nem tarthat igényt arra az abszolút pontosságra, amely az absztrakt dinamika törvényeinek sajátja.

A molekulák vizsgálata tehát arra tanít, hogy kísérleteink soha nem adhatnak többet statisztikai információnál, és a kísérletekbôl levont egyetlen törvény sem lehet abszolút pontos. De ha a kísérleteinken való elmélkedésrôl áttérünk maguknak a molekuláknak a vizsgálatára, magunk mögött hagyjuk az esély és a változás világát, s olyan tartományba lépünk, ahol minden biztos és állandó.

A molekulák olyan pontossággal állandók, amilyen a molekulákból felépülô test érzékelhetô tulajdonságai közül egyre sem áll fenn. Elôször is minden egyes molekula tömege és minden más tulajdonsága abszolút megváltoztathatatlan. Másodszor: az ugyanabba a fajtába tartozó összes molekula tulajdonságai abszolút azonosak.

Nézzük meg kétféle molekula, az oxigén- és a hidrogénmolekula tulajdonságait

Oxigénmintákat igen különbözô helyekrôl szerezhetünk be a levegôbôl, a vízbôl, az összes geológiai korszak kôzeteibôl. Ezeknek a mintáknak a története igen különbözô lehet. Ha az évezredek alatt az eltérô körülmények eltérô tualjdonságokat idézhettek elô, az oxigénminták utalni fognak erre.

Ugyanígy hidrogént is szerezhetünk vízbôl, szénbôl vagy ahogy Graham tette meteor vasból. Bármelyik fajta hidrogén két liternyi mennyisége pontosan egy liter oxigénnel egyesül, bármelyik mintából származzon is az oxigén, és pontosan két liter vízgôz keletkezik.

Ha most az egyik mintában akár tengerben sodródó kôbe volt bezárva, akár ismeretlen tájakon járt a meteoritokkal a minta teljes eddigi története folyamán valahogyan módosultak volna a molekulák, ezek az arányok nem állnának fenn többé.

De van egy gyökeresen különbözô módszerünk is a molekulák tulajdonságainak összehasonlítására. A molekula bár elpusztíthatatlan nem kemény, merev test, hanem belsô mozgásokra is képes. Amikor ezek a mozgások gerjesztett állapotba kerülnek, a molekula sugarakat bocsát ki, amelyek hullámhossza a molekula rezgési idejének mértéke.

A spektroszkóp segítségével a különbözô fénysugarak hullámhosszai egy tízezredrésznyi pontossággal hasonlíthatók össze. Ily módon kiderült, hogy nemcsak minden laboratóriumi hidrogénmintánkban azonos a molekulák rezgési periódusainak halmaza, hanem a Napból és az állócsillagokból kibocsátott fényben is megegyezik a rezgési periódusok halmaza.

Így tehát biztosak lehetünk abban, hogy a mi hidrogénünkkel azonos tulajdonságú molekulák vannak a távoli tartományokban is vagy legalábbis voltak, amikor kibocsátották azt a fényt, amellyel látjuk ôket.

Az egyiptomi és a görög épületek méreteinek összehasonlításából úgy tûnik, hogy a két országban ugyanolyan mértéket alkalmaztak. Ha egyetlen ókori szerzô sem jegyezte fel azt a tényt, hogy a két nép ugyanazt a könyököt használta hosszmértékként, az épületekbôl akkor is bizonyságot szerezhetünk errôl. Azt is joggal állíthatjuk, hogy a hosszmérték standardja tárgy formájában valamikor eljuthatott egyik országból a másikba, vagy mindkét országban ugyanabból a közös forrásból nyerték a standardokat.

Az égen a fényük kizárólag a fényük révén csillagokat fedezünk fel, amelyek olyan távol vannak egymástól, hogy semmilyen anyag soha nem kerülhetett át egyikrôl a másikra. És ez a fény, amely a távoli világok egyetlen bizonyítéka a számunkra, azt jelzi, hogy mindegyikük ugyanolyan molekulákból áll, mint amilyenek a Földön találhatók. A hidrogénmolekula például akár a Szíriuszon van, akár az Arkturuszon pontosan ugyanannyi idô alatt végzi rezgéseit.

Ezért a Világegyetem minden részében minden molekula olyan félreérthetetlenül viseli magán a metrikus rendszer bélyegét, mint a párizsi archívum métere vagy a karnaki templom kettôs királyi könyöke.

Semmilyen evolúciós elmélet nem hozható fel a molekulák hasonlóságának magyarázatára, mert az evolúció szükségképpen folyamatos változást rejt magában, és a molekula nem képes arra, hogy növekedjék vagy elbomoljon, képzôdjön vagy elpusztuljon.

A természet kezdete óta egyetlen molekula tulajdonságainak legkisebb változását sem idézte elô a természet egyetlen folyamata sem. Ezért sem a molekulák létezését, sem tulajdonságaik azonosságát egyetlen olyan oknak sem tudhatjuk be, amelyet természetesnek nevezünk.

Másrészt, ha egy molekula pontos minôségét összevetjük a többi ugyanolyan fajta molekuláéval, kiderül amint Sir John Herschel nagyon helyesen megállapította , hogy a molekula a késztermék lényegének jegyét viseli magán, és eleve kizárja örökkévalóságának és önmagában létezô voltának gondolatát.

A szigorúan tudományos úton haladva nagyon közel kerültünk ahhoz a ponthoz, ahol a tudománynak meg kell állnia. Nem azért, mert a tudomány jobban ki lenne rekesztve a számára szétszedhetetlen molekula belsô szerkezetének vizsgálatától, mint annak a szervezetnek a vizsgálatától, amelyet nem tud összerakni. De az anyag történetében visszafelé haladva a tudománynak meg kell állnia, amikor megbizonyosodik arról egyrészt, hogy a molekulákat létrehozták, másrészt, hogy egyetlen olyan folyamattal sem hozták létre, amelyet természetesnek nevezünk.

A tudomány nem kompetens abban, hogy az anyag semmibôl való teremtésérôl vitatkozzon. Gondolkodási képességünk végsô határához értünk azzal, hogy bevallottuk: mivel az anyag nem lehet örök és önmagában létezô, teremteni kellett.

Gondolkodásunk csak akkor kapaszkodhat meg valamiben, ha nem magáról az anyagról elmélkedünk, hanem arról az alakról, amelyben létezik.

Az anyagnak, mint olyannak, bizonyos alapvetô tulajdonságokkal kell rendelkeznie léteznie kell a térben és képesnek kell lennie a mozgásra, ennek a mozgásnak állandónak kell lennie és így tovább. Ezek olyan igazságok, amelyek a metafizikusok által szükségszerûségnek nevezett igazságok közé tartozhatnak. Tudásunk birtokában következtetéseket vonhatunk le belôlük, de nincsenek ahhoz adataink, hogy az eredetükrôl elmélkedjünk.

Ám az, hogy minden hidrogénmolekulában pontosan annyi és nem több anyag van, egészen más lapra tartozik. Itt az anyag egy adott eloszlásával van dolgunk a kollokációval, hogy Dr. Chalmers kifejezésével éljünk, amely olyan dolgokra vonatkozik, amelyeket minden nehézség nélkül más elrendezésben is el tudunk képzelni.

A bolygók pályájának alakját és méretét például semmilyen természeti törvény nem határozza meg, csak az anyag adott kollokációjától függ. Ugyanez vonatkozik a Föld méretére, ahonnan a metrikus rendszer standardja származik. De ezek a csillagászati és földi méretek tudományos szempontból sokkal kevésbé fontosak az összes standard legalapvetôbbikénél, amely a molekuláris rendszer alapját képezi. Tudjuk, mûködnek a természeti erôk, amelyek módosíthatják ha meg nem semmisítik végül a Föld és a teljes Naprendszer minden elrendezését és méretét. De bár az idôk folyamán voltak katasztrófák és most is elôfordulhatnak az égbolton, s bár régi és új rendszerek bomolhatnak fel, és új rendszerek születhetnek a romjaikból, azok a molekulák, amelyek ezeket a rendszereket felépítik az anyagi univerzum alapkövei épek, sértetlenek maradnak.

Ma is ugyanolyanok, mint teremtésük idején, számuk, nagyságuk, súlyuk semmit sem változott, és a beléjük plántált kitörölhetetlen jellemzôkbôl megtudhatjuk, hogy a mérés pontossága, az állítás igazsága és a cselekvés jogossága iránti törekvések, amelyeket a legnemesebb emberi tulajdonságok közé sorolunk, azért vannak a birtokunkban, mert az Ô képének lényegi alkotóelemei, az Övé, aki kezdetben nemcsak a földet és eget, hanem a földet és eget alkotó anyagot is teremtette.


Molekulák adatai


 
Hidrogén Oxigén Szénoxid 
(szén-monoxid)
Szénsav 
(szén-dioxid)
A molekula tömege (hidrogén = 1) 1 16 14 22 
I. csoport Sebesség (négyzetes átlag), m/s, 0 oC-on 1859 465 497 396 
Közepes úthossz, tized méter 965 560 482 379 
II. csoport Másodpercenkénti ütközések, (millió) 17750 7646 9489 9720 
Átmérô, tized méter 5.8 7.6 8.3 9.3 
III. csoport Tömeg, huszonötöd gramm 46 736 644 1012 

 



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