Budowa materii

Aby dobrze zrozumieć czym zajmuje się chemia i gdzie (o ile w ogóle) istnieje granica pomiędzy naukami takimi jak chemia, biologia, czy fizyka, musimy przyjrzeć się budowie materii tworzącej Wszechświat. Na początek proponuję film (Fig. 1), a dopiero potem nieco więcej wyjaśnień.

Fig. 1. Fragment z filmu IMAX "Cosmic Voyage" z roku 1996 (patrz: Filmweb).

Dziś wiemy, że substancje, które tworzą otaczające nas przedmioty i organizmy zbudowane są z pierwiastków, związków chemicznych i ich mieszanin. W skład otaczającej nas materii wchodzą także inne cząstki, ale o nich mówić będziemy później (Fig. 2). Pierwiastki chemiczne to najprostsze substancje, które złożone są z identycznych atomów. Związki chemiczne natomiast składają się ze związanych atomów różnych pierwiastków i mogą być rozłożone jedynie w wyniku reakcji chemicznych, o których będziemy jeszcze wiele mówić. Mieszaniny powstają natomiast poprzez zmieszanie związków chemicznych lub pierwiastków i są substancjami, które można rozdzielić przy użyciu metod fizycznych. Przyjrzyjmy się jednak w skrócie, jak wiedza ta ewoluowała na przestrzeni wieków.

Fig. 2. Diagram przedstawiający relacje pomiędzy rożnymi składnikami materii.

Już około 450 roku p.n.e. grecki filozof Demokryt z Abdery wprowadził pojęcie atomu (gr. ἄτομος, atomos - 'niepodzielny'), jako najmniejszej, niepodzielnej cząstki tworzącej wszystko co nas otacza. Było to jednak pojęcie czysto abstrakcyjne:

Naprawdę istnieją tylko atomy i próżnia, reszta jest opinią.

Nauka wykształciła się dopiero później jako odłam filozofii. Pierwsza była fizyka (gr. φύσις, physis - 'natura'). Chemia (gr. χημεία, chemeia) jako nauka wykształciła się około XVII wieku z alchemii (ar. الکیمیاء, al-kīmīā - pochodzenie tej nazwy nie jest jednoznaczne), którą zajmowano się od starożytności, jednak dopiero w 1808 roku John Dalton opracował teorię atomistyczno-cząsteczkowej budowy materii:

Materia składa się z niepodzielnych cząstek zwanych atomami. Wszystkie atomy tego samego pierwiastka są identyczne i nie można ich stworzyć, ani zniszczyć. Atomy łączą się w prostych stosunkach tworząc cząsteczki.

Przez wiele lat uznawano niepodzielność atomu, jednak w XIX wieku udowodniono istnienie elektronów, które pochodziły "z wnętrza atomu". Z czasem wykazano również istnienie jądra atomowego i jego składników: protonów i neutronów. W XX wieku dowiedziono, że składniki jądra atomowego (tzw. nukleony) również są podzielne i składają się z cząstek nazywanych kwarkami. Bardziej szczegółowe informacje na ten temat znajdują się w artykule o atomach.

Jak widzimy pojęcie cząstki elementarnej, tego co najmniejsze, ewoluowało w czasie. Aby uniknąć nieścisłości wprowadzono pojęcie cząstek fundamentalnych, czyli tych, których nie można opisać z wykorzystaniem innych znanych cząstek. Na dzień dzisiejszy cząstki, które uznajemy za fundamentalne opisane są w tzw. modelu standardowym. W ogólności cząstki te dzielimy ze względu na posiadany przez nie spin (o spinie będziemy mówić w tomie poświęconym chemii kwantowej) na te, które mają spin ułamkowy (fermiony) i te, które mają spin całkowity lub są niego pozbawione (bozony). Wśród fermionów można wyróżnić cząstki oddziałujące silnie (kwarki) i słabo (leptony). Zestawienie wszystkich cząstek fundamentalnych tworzy specyficzny "układ okresowy" modelu standardowego, który prezentuje Tab. 1.

Tab. 1. Zestawienie cząstek fundamentalnych modelu standardowego.  kwarki,  leptony,  bozony cechowania,  bozon Higgsa.

Fermiony Bozony
u
kwark
górny
c
kwark
powabny
t
kwark
szczytowy
g
gluon
H
bozon
Higgsa
d
kwark
dolny
s
kwark
dziwny
b
kwark
spodni
γ
foton
e
elektron
μ
mion
τ
taon
Z
bozon Z
(zeton)
νe
neutrino
elektronowe
νμ
neutrino
mionowe
ντ
neutrino
taonowe
W
bozon W
(wuon)

Czy istnieją cząstki bardziej elementarne, niż te opisane w modelu standardowym? Tego na razie nie wiemy...

Odpowiadając na problem postawiony na początku - nie jesteśmy w stanie jednoznacznie rozgraniczyć nauk przyrodniczych. Choć fizyka to nauka, która zajmuje się badaniem materii i energii oraz ich wzajemnymi oddziaływaniami i przemianami, to podobna tematyka, lecz w węższym zakresie, tworzy przedmiot zainteresowania chemii. Chemicy poszukują informacji na temat substancji chemicznych: tego jak zbudowane są pierwiastki i związki chemiczne oraz jak ze sobą reagują.