*

A XVII. században az anyagról sok új részletet tártak fel, eljött most már a rostálás, a rendezés és az óvatos továbbépítés időszaka. Ennek az időnek két nagy kérdését kell most szemügyre vennünk: az atom gondolatát és az elem fogalmát.

Ez a két fogalom természetesen nem független egymástól, hiszen végső fokon a fejlődés oda vezet majd, hogy minden egyes kémiai elemhez valamilyen atomfajtát kell rendelnünk, és hogy több elemnek vegyületté való egyesülése az -atomok tartományában több különböző atom molekulává egyesülésének felel meg.

Miután Robert Boyle az atomoknak nagyság és alak mellett mozgást is tulajdonít, ennek az eszmének a nyomonkövetése az elkövetkező időknek egyik lényeges jellemző vonása. Lassan és fokozatosan kezd kialakulni az anyag kinetikus felfogása, amely a legkisebb részecskék mozgásában látja a hő lényegét, és így versenytársa lesz az ókorból átvett és azóta is érvényben levő hőanyagelméletnek. Csak másfél évszázad elteltével — az energiatétel felállítása után — győz végérvényesen a kinetikus elmélet.

A hő mozgáselméletének előharcosai között olyan ismert nevekkel találkozunk, mint Euler és Laplace, legfőképpen pedig a bázeli matematikus, Daniel Bernoulli. Ő például a gázmolekulákat örökké mozgásban levőknek tartja, amelyek mint rugalmas gömbök egymással és a tartály falával állandóan ütköznek, két ütközés között azonban egyenes vonalban repülnek. Ezzel már rátapint a kinetikus gázelmélet lényegére, aminek precíz alapjait csak több mint száz évvel később Krönig és Clausius rakják le. Annak idején, a XVIII. század közepe táján, ezeket a merész gondolatokat felvető tudósok maguk sem tudtak szembeszállni az uralkodó felfogással, amely a hőt anyagnak tartotta és ezért mitsem akart tudni a molekulák vagy atomok mozgásáról.

A hőanyagelmélet szoros kapcsolatban van Georg Ernst Stahl kémikus flogisztontanával. Szerinte minden fém fémsóból (ez a mai fémoxid) és hőanyagból, flogisztonból áll. Hevítésnél a flogiszton eltávozik és visszamarad a fémsó. Ez szénnel, amely csaknem tiszta flogisztonból áll, ismét fémmé alakul vissza, minthogy a fémsó a szénből annyi flogisztont vesz fel, hogy újra fém keletkezhet.

A flogisztonelmélet, amely a flogisztont mint valami kémiai elemet tekinti, de ugyanakkor vele magyarázza meg a hőt is, a XVIII. század végéig uralkodik. És amíg ki nem derül helytelensége, addig nincs hely az anyag kinetikus elmélete és a kémiai elemek helyes értelmezése számára.

Hogy az ellentmondások, amelyekre a flogisztonelmélet szükségképpen vezet, korábban nem vitték az elméletet zátonyra, azzal magyarázható, hogy a tudományban még mindig nem érvényesült teljesen a kvantitatív módszer. Még nem tudják, hogy kémiai reakcióknál az anyagok össztömege állandó. Az a közismert tény, hogy a fémek elégetéskor nehezebbek lesznek, nem pedig könnyebbek, éppen alátámasztani látszik az elégetésnél elillanó anyag gondolatát.

A kémiában csak akkor következik be változás, amikor következetesen alkalmazzák a mérleget. Ez pedig a nagy kémikus, Antoine Lavoisier érdeme, aki éppen ezzel vetette meg a modern kémia, mint egzakt tudomány alapjait. A forradalom évében, 1789-ben megjelent „Traité élémentaire de chimie” című munkájában három irányban is széttöri a hagyományos bilincseket: meggyőzően igazolja a tömeg megmaradását a kémiai reakciók folyamán, helyesen magyarázza az égést, mint az éghető anyagnak az oxigénnel való egyesülését és összeállítja a kémiai elemek táblázatát.

Lavoisier a tömeg megmaradásának elvével nemcsak elvezet a kvantitatív analízishez, hanem az anyag megértéséhez rendkívül fontos alaptörvényt állít fel, amely újra előtérbe állítja az atom gondolatát.

Az égés helyes magyarázatával véget vet a flogisztonelméletnek és utat nyit a tisztázott elemfogalomhoz, a saját empirikus elemfogalmához, amely szerint elem az, amit gyakorlatilag már nem lehet tovább bontani.

Ennek az elemfogalomnak megfelelően állítja össze az elemek jegyzékét. Ebben már tizenöt fém szerepel — az égés helyes értelmezése alapján a fémeket az elemek közé kell sorolni —, továbbá hat nemfém, a hidrogén, oxigén, nitrogén, szén, kén és foszfor. Lavoisier a timföldet, baritot, meszet (égetett mész), magnéziát és a kvarcot is az elemek közé sorolja — ezek a valóságban oxidok —, minthogy elemekké redukálásuk az akkori eszközökkel még nem sikerült.

A mennyiségi törvények sorát, már a következő évszázadba átnyúlva Joseph Louis Proust egészíti ki, aki 1807-ben igazolja, hogy valamennyi kémiai vegyületnek állandó az összetétele. Tehát az elemek csak szigorúan meghatározott súlyviszonyok szerint vegyülnek egymással.

Innen most már csak egy lépés, hogy Dalton az atom fogalmát tudományosan megalapozza.

*

„A kémiai szintézis és analízis nem megy tovább az atomok szétválasztásánál és újra egyesítésénél. Az anyag újrateremtése vagy megsemmisítése nem tartozik a kémiai hatások területére. Ugyanúgy megkísérelhetnénk a Naprendszerben egy új bolygó életrehívását, vagy egy meglevőnek a megsemmisítését, mint egy hidrogénatom megteremtését vagy megsemmisítését. Minden változás, amit létre tudunk hozni, előbb egybekapcsolódott atomok szétválasztása és olyanok egyesítése, amelyeket előbb szétválasztottunk.

Valamennyi kémiai vizsgálatnál joggal fontos feladatnak tartották, hogy az összetett anyagot képező egyszerű anyagok viszonylagos súlyát meghatározzák. Sajnos, a vizsgálatok itt abbamaradtak, pedig az anyagok relatív súlyából le lehetett volna vezetni az anyagok végső részeinek vagy atomjainak a relatív súlyát, amiből számukat és súlyukat sok más vegyületben is meg lehetett volna állapítani. Ennek a munkának a legfőbb tárgya annak bemutatása, milyen fontos és előnyös mind az egyszerű, mind az összetett anyagok végső részecskéi relatív súlyának a közlése, valamint egy összetett részecskét alkotó atomok számának a meghatározása.

Legyen A és B két anyag, amely egymással vegyülni képes. Ekkor a létrejövő vegyület a következő szabályok szerint keletkezhet:

1 atom A + 1 atom B = 1 C részecske (binér)

1    atom A + 2 atom B = 1 D részecske (ternér)

2    atom A 1 atom B = 1 E részecske (ternér) stb.

A kémiai összetételekre vonatkozó valamennyi vizsgálatunknál a következő általános szabályokat kell szem előtt tartanunk:

1. Ha két anyag csak egyetlen vegyületet képezhet, akkor arra kell gyanakodni, hogy az egy binér vegyület, hacsak nincs valami ok az ellenvetésre:

2. Ha két vegyületet ismerünk, akkor várható, hogy az egyik binér, a másik ternér vegyület.

3. Ha három vegyületünk van, akkor az egyik binérnek, a többi kettő ternérnek vehető, és így tovább.

Ezeknek a szabályoknak az alkalmazásával a már kiderített kémiai tényekre a következőket állapíthatjuk meg:

1. A víz hidrogén és oxigén binér vegyülete, és a két atom súlyaránya közelítőleg 1:7.

2. A szénoxid binér vegyület, egy atom oxigénből és egy atom szénből áll.

3. A szénsav ternér vegyület egy atom szénből és két atom oxigénből és így tovább.”

Ez a részlet egy 1808-ban megjelent könyvből való, amelynek címe „A new system of chemical philosophy” (tisztán természettudományos munkák címében még mindig kísért a „filozófia” szó!). Szerzője az akkor 42 éves, városról városra vándorló angol kémikus, John Dalton. Ez a könyv nemcsak a kémiában jelent változást, hanem ezen túl az atomok eszméje és az anyag megértése számára is.

Proust felfedezte, hogy két anyag szigorú A : B súlyviszony szerint vegyül egymással, továbbá megállapította, ha az első anyag valamilyen harmadikkal A : C arányban egyesül, akkor a másodiknak a harmadikkal való vegyülésére többnyire a B : C arányt kapjuk. Ezeknek a nagyon fontos felfedezéseknek legegyszerűbb, szinte kényszerű magyarázata, hogy a három anyag atomjainak súlya (és így a tömege is) A : B : C viszonyban áll egymással.

Ezt a feltevést csak még jobban megerősíti Daltonnak az a felismerése, hogy ha két anyag, A és B többféle különböző módon vegyülhet egymással, a vegyülő súlyok viszonya A : B, A : 2B, A : 3B, vagy 2A : B stb., ami az úgynevezett többszörös súlyviszonyok törvénye, és ami Proust állandó súlyviszonyokra vonatkozó törvényének a kiszélesítése. Hogy Dalton ezt miként értelmezi ternér és még magasabb fokon összetett, tehát kettőnél több atomot tartalmazó részecskékkel, az kitűnik a „New system..idézett részletéből.

Dalton most pontosan — a kémiai analízis akkori mérési eredményeinek a pontosságával — megadta, hogy valamely atom hányszorta nehezebb egy bizonyos másik atomnál. Minthogy legkönnyebbnek a hidrogénatom bizonyult, Dalton ezt választotta egységnek, és más atomoknak a hidrogén = 1 értékre vonatkoztatott számjegyeit elnevezte alomsúlynak. Bár ezekkel csak viszonyszámokat állapított meg, amelyek egy atom tényleges, abszolút súlyáról még semmit sem mondanak, mégis ez az „atomsúly” az első kvantitatív sajátság, amit az atomhoz rendelni lehet. Végre tehát az atom is helyet kapott az egzakt tudományok birodalmában.

Egyes dolgokban Dalton még számos tévedés rabja, ami azonban nem rontja le programjának zsenialitását. Így például a vízben levő hidrogén és oxigén 1 : 7 súlyarányából arra következtet, hogy az oxigén atomsúlya 7, minthogy a vízrészecskéket egy atom hidrogénből és egy atom oxigénből álló binér részecskéknek gondolja. Nemsokára kiderül azonban, hogy egy atom oxigén két atom hidrogénnel képez vizet, és amellett az említett súlyviszony közelebb áll az 1 : 8-hoz. Ez azt jelenti, hogy az oxigén atomsúlya sem nem 7, sem nem 8, hanem 16, minthogy kétszer 1-nek a viszonya 16-hoz annyi, mint 1 : 8. Ez az érték különösen azért említendő meg, mert később éppen az oxigén atomsúlyát, pontosan 16-nak véve, választották a viszonyítás alapjául; ekkor persze a hidrogénre nem pontosan 1, hanem 1,008 értéket kapunk.

Dalton összetett részecskéi a mi mostani molekuláink. A „molekula” megjelölés ugyan még sokkal régebbi, de még Dalton oly világos megállapítása után sem válik egyhamar a tudomány közkincsévé. „Atom”, „molekula”, „ekvivalens” megjelöléseket tarka összevisszaságban használják, és csak fél évszázaddal később csinál rendet a zűrzavarban Cannizzaro. Mostantól kezdve az elnevezéseket mai végleges jelentésük értelmében használjuk, tekintet nélkül az annak idején még érvényben levő többféle jelentésükre.

A „New system...” megjelenése után néhány éven belül sok új felismerés született, amelyek a frissen teremtett, tudományos, kvantitatíve megalapozott atomfogalmat még jobban megszilárdították. Az egymással reagáló gáznemű anyagok esetében a kémiai vegyületek állandó súlyviszonyán kívül ugyanis a térfogatokra is határozott, sőt nagyon egyszerű számviszonyok adódtak. Ezt Gay-Lussac — akinek a gázok kiterjedésére vonatkozó törvényét az előzőkben már említettük —, az 1805 és 1809 közötti években állapította meg. Így például 1 térfogat hidrogéngáz 1 térfogat klórgázzal 2 térfogat sósavgázt ad, 1 térfogat oxigéngáz 2 térfogat hidrogéngázzal 2 térfogat vízgőzt eredményez (az össztérfogat itt tehát nem marad változatlan!), természetesen mindig azonos nyomásra és azonos térfogatra vonatkoztatva.

A torinói Amadeo Avogadro gróf, aki eredetileg ügyvéd volt, azonban mind jobban a természettudomány felé fordult, 1811-ben az előbbiekből azt a mélyreható következtetést vonta le, hogy azonos nyomáson és azonos hőmérsékleten a gázok egyenlő térfogatában a molekulák száma egyenlő.

Ennek az Avogadro-szabálynak a segítségével Berzelius, svéd kémikus mindazon anyagoknak, amelyek gázállapotban reagálnak egymással, minden kiegészítő feltevés nélkül kísérletileg meg tudta határozni a molekulasúlyát. Mindenesetre bizonyos nehézségek is jelentkeztek, amikor például a térfogati viszonyok szerint 2 molekula hidrogén 1 molekula oxigénnel 2 vízmolekulává egyesült, az egyik oxigénmolekulának tehát osztódnia kellett. Ahogyan a viszonyok tisztázódtak, olyan mértékben lett nyilvánvaló a tény: az oxigénmolekula, mint az elemeknek sok más molekulája, két, ez esetben azonos fajta atomból áll.

Tehát nemcsak különböző, hanem azonos fajta atomok is összeállhatnak molekulákká.

Miután pedig Berzelius bevezette a ma is használatos kémiai jeleket — H egy hidrogénatomot, O egy oxigénatomot jelent; egy hidrogénmolekula jelölése H₂, egy oxigénmolekuláé 0₂, egy vízmolekuláé H₂0. Két H₂ és egy 0₂, azaz összesen 4 H és 2 O éppen H₂0 molekulát ad — így minden egyezik; a folyamatnál egyetlen atomnak sem kell osztódnia vagy éppen eltűnnie.

Kezdetben, amikor az analízis még nem volt elég pontos, úgy látszott, hogy az elemek atomsúlya közel egész szám, tehát a hidrogén atomsúlyának egész számú sokszorosa: így a szén 12, a nitrogén 14, az oxigén 16 és a kén 32 atomsúlyú. Különösen így van ez akkor, ha nem a hidrogén (= 1), hanem az oxigén (= 16) atomsúlyát vesszük alapul. Az atomsúlyok egész-számúsága William Prout angol orvos és kémikust 1815-ben annak a hipotézisnek a felállítására vezette, hogy valamennyi atom hidrogénatomokból épül fel. Ez az anyagi világ egyetemességének rendkívül merész feltevése volt.

A pontosabb méréseknél azonban kiderült, hogy az atomsúlyok nem egész számok; egyes esetekben meg éppen durva eltérések is mutatkoznak. Így Prout hipotézisét a következő időkben elvetették. Csak több mint egy évszázaddal később derül majd ki, hogy mégis miben volt igaza Proutnak és miben tévedett.

Időközben azonban már enélkül is hatalmas eredményeket érnek el. A kémia fiatal tudománya most már szilárd alapokra épül, melyben az atom és molekula kiemelkedően fontos szerepet játszik. Egészen pontosan lehet ezt a tudományt definiálni: a kémia az atomok molekulákká kapcsolódásának, a molekulák szétbontásának és az atomok új molekulákká való átrendezésének a tudománya.

De még senki sem tudja, hány atom van valamely anyag egy grammjában, hány molekula van valamely gáz egy literjében. Ismét a fizikán a sor, hogy választ adjon ezekre a kérdésekre.

*

Ehhez pedig a kinetikus gázelméletre van szükség. A hőt, különösen Daniel Bernoulli óta az egyes kutatók ismételten az anyagban foglalt atomok vagy molekulák mozgásával akarták megmagyarázni. Bernoulli téziseire azonban alig figyeltek fel; az idő még nem érett meg rájuk.

Most, amikor az atom és a molekula fogalma új értelmet kapott, minden megváltozott. De vajon miért kinetikus gázelméletről, miért nem általában az anyag kinetikus elméletéről van szó?

A gázok, amelyeket a szilárd és a cseppfolyós testek után csak a legutóbbi időkben kezdtek vizsgálni, rugalmas és termikus viszonyaikat tekintve különösen egyszerű anyagoknak mutatkoztak. Már az a tény, hogy valamennyi gáz, kémiai minőségétől teljesen függetlenül, azonos mértékű összenyomás esetén azonos mértékű nyomásnövekedést mutat, arra utal, hogy itt feltűnően egyszerű viszonyoknak kell fennállniuk, s ezeket legjobban atomelmélettel lehet magyarázni. Az említett tulajdonságok nyilván azzal függnek össze, hogy a szilárd és cseppfolyós anyagokkal ellentétben a gázoknál nincs kohézió; a gázok a rendelkezésükre álló egész teret mindig teljesen kitöltik. Molekuláris nézőpontból ezt úgy kell érteni, hogy a gázban a molekulák aránylag sokkal messzebb vannak egymástól, mint a szilárd vagy a cseppfolyós anyagban, és ebben a viszonylag nagy távolságban jelentékeny vonzóerőt már nem tudnak egymásra kifejteni. Ideális esetben a vonzóerőket teljesen el is lehet hanyagolni; gyakorlatilag persze azt találták, hogy az egyszerű gáztörvények sem érvényesek egész szigorúan, hogy tehát ezek a törvények az ideális esetre vonatkoznak, a gázok valójában némileg különböznek ettől az ideális gáztól.

Ez a kiindulópontja a kinetikus gázelméletnek, az „ideális gázok” elméletének, és így már érthető, miért bukkant fel csaknem 60 évvel korábban, mint a szilárd vagy akár a folyékony halmazállapot kinetikus elmélete. Az energiatétel felfedezése és a hőanyagelmélet letűnése után a kinetikus gázelmélet számára a talaj már elő volt készítve.

Az a két tudós, akinek döntő szerepe van a kinetikus gázelmélet megteremtésében, August Karl Krönig és Rudolf Clausius. Munkásságuk az 1856. és 1857. évekre esik, tehát hét évvel azután, hogy Clausius felállította a termodinamika második fő tételét. (Erről korábban már részletesen beszéltünk.) Az elmélet további kifejtését Clerk Maxwell végezte el néhány évvel nagyszerű alkotása, az elektromágneses tér alapegyenleteinek felállítása után, majd őutána két osztrák tudós, Joseph Loschmidt és Ludwig Boltzmann következett.

A gázokról való elképzelésünk tehát a következő: Nem túl magas hőmérsékleten a gáz legkisebb egységei a molekulák, tekintet nélkül arra, hogy miképpen tevődnek össze atomokból. Ezek a molekulák szabálytalan összevisszaságban, nagy sebességgel repülnek, és rövid, egyenesvonalú útszakasz, az úgynevezett „szabad úthossz” befutása után összeütköznek egy másik molekulával, és — akárcsak a biliárdgolyók — impulzus átadása mellett visszapattannak. A molekulák átlagos kinetikai energiája határozza meg a gáz hőmérsékletét, az edény falát érő folytonos ütközés pedig a nyomását. Nem egyforma hőmérsékletű gázban impulzus-átvitellel energia folyik át a gyorsabb molekulákról a lassúbb molekulákra, azaz a hő a melegebb helyről hidegebb helyre megy át („hővezetés”); áramló gázban a gyorsabban mozgó rétegek a molekulák közötti impulzus-átvitellel magukkal ragadják a szomszédos, lassabban mozgó rétegeket („belső súrlódás”). Elég nagy hőmérsékleten a molekulák olyan hevesen ütköznek, hogy alkotórészeikre esnek szét: atomokra „disszociálnak”. Tudjuk, hogy körülbelül tízezer foknál minden gázban gyakorlatilag már csak szabad, kötetlen atomok nyüzsögnek; sok esetben, így pl. fémgőzöknél a disszociáció már jóval alacsonyabb hőmérsékleten is bekövetkezik. Másrészt nagyon alacsony hőmérsékleten a molekulák hőmozgása mindig gyengébb lesz, bár ahogyan ma tudjuk, még az abszolút nullpontnál sem szűnik meg tökéletesen.

A kinetikus gázelméletnek nemcsak az a nagy jelentősége, hogy elgondolásaiból valamennyi kísérleti gáztörvényt elméletileg le lehet vezetni, hanem az is, hogy a sűrűség, fajhő, hővezetőképesség, belső súrlódás és más mennyiségek megmért adataiból visszafelé ki lehet számítani a molekulák kvantitatív jellemző adatait.

A molekulák nagyságára ezen az úton körülbelül néhány tízmilliomod milliméter, közepes sebességükre normális hőmérsékletnél néhány 100 m/sec, közepes szabad úthosszukra normális nyomás mellett néhány százezred milliméter adódik. A közepes szabad úthossz a molekula átmérőjének több százszorosa, csökkentett nyomás mellett ennek megfelelően még több és az ütközések száma másodpercenként sok milliárd. A legfontosabb számot azonban Loschmidt számította ki 1865-ben, bár még elég pontatlanul: valamely gáz egy literjében a molekulák száma normális nyomás (760 mm higanyoszlop nyomása) és 0 C° mellett kereken 27 000 trillió (valamennyi gázra egyformán!).

Minthogy a különböző gázok sűrűségét (illetve fajsúlyát) nagyon pontosan tudjuk mérni, az egy literben található molekulák számából könnyen ki lehet számítani minden egyes gázra az egy grammban foglalt molekulák számát, amely a különböző gázokra más és más. Egy gramm hidrogénben (most már természetesen a nyomástól és hőmérséklettől függetlenül) kereken 300 000 trillió molekula, vagyis kereken 600 000 trillió hidrogénatom van. Egyetlen hidrogénatom súlya tehát kereken 1,6 kvadrilliomod gramm. Így most már ismerjük egy atom abszolút súlyát, de nemcsak a hidrogén-atomét, hanem bármelyikét, minthogy a régóta meghatározott atomsúlyokkal a súlyviszonyok is adva vannak.

Természetesen az atomok és a molekulák számadatait — olyan pontosan, ahogyan itt megadtuk — a XIX. század második felében, a kinetikus gázelmélet korában még nem ismerték. És tegyük hozzá — nem is hitték el! Mindenféle atomisztikus elméletet és a vele kapcsolatos számítást kételkedéssel fogadtak.

Az atomok és molekulák fizikai realitásának elismerése csak nagyon lassan és akadozva terjed el. Olyan nagy tudósok, mint Wilhelm Ostwald és Ernt Mach még évtizedek múlva sem ismerik el feltétel nélkül az atomokat. A fejlődés még tovább késlekedett volna és az atomisták helyzete talán még tovább gyengül, ha egy egészen jelentéktelen folyamat nem kap atomisztikus magyarázatot. És ez most egyszerre olyan kényszerítő erővel jelentkezik, hogy mindenki meg volt róla győződve, itt közvetlenül a mozgó molekulák hatását lehet látni.

Fél évszázaddal előbb, 1827-ben Robert Brown botanikus Londonban megfigyelte, hogy nagyon finom, mikroszkóppal még éppen látható növényi spórák, amelyek vízbe szórva ott lebegnek, apró, szabálytalan útszakaszokból álló mozgást végeznek; énnek akkor nem tudta a magyarázatát megadni. Miután a helyes értelmezésre elég sokáig vártak, a jelenséget pedig — amit Brown-mozgásnak neveztek — folyadékokban és gázokban lebegő másfajta finom részecskéknél is tapasztaltak, a 80-as években több kutatónak is az a gondolata támadt, hogy a részecskék szakadatlan mozgása a környező folyadék vagy gázmolekulákkal történő szabálytalan ütközésekből ered. E gondolat helyességét hamar be is bizonyították: itt közvetlenül látni lehet, amint egy óriási molekula hőmozgása végbemegy — sokkal nagyobb tömegének megfelelően természetesen erősen lassítva.

A Brown-féle molekuláris mozgás egzakt matematikai elméletét egyébként csak a századforduló után dolgozta ki Smoluchowski és Einstein, akik ebből ki tudták számítani az egy grammban foglalt molekulák számát, és eredményük jól egyezett a más úton nyert értékekkel. Ez most már meggyőző volt. Ekkortájt azonban még sokkal meggyőzőbb erejű megfigyelések is történtek, és ezek az atomelmélet tökéletesen új korszakának kezdetét jelentették: közvetlenül észlelni lehetett az egyes atomi részecskék hatását.

A fejlődés időközben más területen is bekövetkezett. Az ismert kémiai elemek száma újabb és újabb felfedezésekkel szaporodott. Lavoisier táblázata a tévesen elemnek tartott öt anyagot leszámítva annak idején 21 valódi elemet sorolt fel. 70 évvel később már az elemek száma 63, és ezek legnagyobb része fém.

Már régóta feltűnt, hogy az elemek között csoportokat lehet találni, amelyeknek tagjai nagyon hasonló kémiai tulajdon-ságúak. A nemfémek között ilyen csoportot alkotnak a fluor, klór, bróm és jód, az úgynevezett „halogének”, amelyek fémekkel nagyon hasonló sókat, fluoridokat, kloridokat, bromidokat és jodidokat képeznek (a nátriumklorid például a régóta ismert konyhasó). A fémek között különösen szembetűnő a lítium, nátrium, kálium, rubidium és cézium — az úgynevezett alkálifémek csoportja —, továbbá olyan csoportok, mint a vas, kobalt és nikkel, vagy az ozmium, irídium és platina.

Ez utóbbi két csoportban az egyes elemek atomsúlya igen közel áll egymáshoz. A vas-csoportban az akkori ismert atomsúlyok: 56, 59, 59, a platina-csoportban pedig: 195, 197, 198. A többi csoportban azonban erősen különböző atomsúlyok vannak: a halogének 19-től 127-ig, az alkálifémek meg éppen 7-től 133-ig változó atomsúlyúak.

1869-ben Lothar Meyer, német vegyész és Dmitrij Ivanovics Mengyelejev, orosz kémikus egymástól függetlenül rendkívül érdekes szabályosságra bukkannak: ha valamennyi ismert elemet növekvő atomsúlyok szerint sorba állítjuk a legkönnyebb elemtől, a hidrogéntől kezdve a legnehezebbig (a már akkor is ismert uránig), és ha ezt a sort alkalmasan választott hosszúságú szakaszokra bontva egymás alá írjuk, akkor — feltéve, hogy a szakaszok hosszát ügyesen választottuk meg — elérhető, hogy egymás alatt mindig kémiailag hasonló elemek állnak. A vas-csoport és a platina-csoport háromhárom eleme természetesen egymás mellé kerül, minthogy az atomsúlyok közvetlenül követik egymást, viszont a két csoport ennél az elrendezésnél ismét egymás alá kerül, sőt, közöttük még egy további hármas-csoport is található: a ruténium, ródium és palládium fémek csoportja, az akkor ismert atomsúlyuk 104, 104 és 106 volt.

Ez az elrendezés az elemek híres periódusos rendszere, amit azért hívnak így, mert bizonyos periódusok (a rendszer egyes sorai) után a hasonló elemek azonos sorrendben ismétlődnek. Meyer és Mengyelejev mindenesetre kénytelenek voltak egy kicsit „csalni”, hogy a rend mindvégig megmaradjon. Nevezetesen: gyakran kénytelenek voltak üres helyeket hagyni, hogy a megfelelő elemek egymás alá kerüljenek.

Emellett az atomsúlyok pontosabb meghatározása nyomán az is kitűnt, hogy a 127,6 atomsúlyú tellurnak a 126,9 atomsúlyú jód mögött kellene állnia, míg a kémiai hasonlóság alapján a jód elé kerül. A teljes rend megóvása érdekében néhány további helyen is hasonló jellegű kisebb „változtatásokkal” kellett a táblázatot felépíteni.

Ennek ellenére az a szabályszerűség, amely a periódusos rendszerben kifejezésre jut, egyenesen megdöbbentő. Itt mutatkozik meg a különböző elemek, azok kémiai tulajdonságai és atomsúlyai között fennálló rejtélyes összefüggés, valami rokonság, ami valamennyi elemet egyetlen nagy családba fogja össze. Vajon miféle mélyebb titok rejtőzik ebben a szabályosságban? A megoldásra azonban még több mint 40 évig várni kell!

Nagyon rövid időn belül jelentkezik a rendszernek néhány feltűnést keltő igazolása. Meyer és Mengyelejev úgy gondolták, hogy a táblázat üres helyeit még fel nem fedezett elemek számára kell fenntartani. A periódusos rendszer általános törvényszerűségeiből ezeknek a még ismeretlen elemeknek előre meg tudták mondani — legalábbis közelítőleg — az atomsúlyát, sőt kémiai sajátságait is; egyeseknek még nevet is adtak: eka-alumínium pl. az az elem, amelyik az alumínium alatt, vagy eka-szilícium az, amelyik a szilícium alatt áll.

1857-ben azután Lecoq de Boisbaudran megtalálja a galliumot, 1886-ban pedig Winkler a germániumot. Ez a két elem éppen olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint amilyeneket a periódusos rendszer alapján az eka-alumínium és az eka-szilícium számára előírtak. Az, hogy az ember részéről még soha elő nem állított vagy kézbe nem vett anyagoknak a kémiai tulajdonságait helyesen tudták megjósolni, talán még érdekesebb, mint a bolygók mozgásának pálya-zavaraiból előre megmondani egy olyan új bolygó helyét és pályáját, amit emberi szem még soha nem látott.

A „csalásokat” a szabad helyek fényesen igazolták. A néhány elem kivételes sorrendcseréje is igazolást nyer — igaz, hogy csak sokkal később —, amikor majd felismerik, hogy az alapvető rendező elv éppen nem az atomsúly. Meyernek és Mengyelejevnek igen nagy szerencséje volt, hogy az atomsúlyok alapján megszerkesztett táblázatból egyáltalában ki tudtak hámozni törvényeket.

Mindenesetre a periódusos rendszer és az annak alapján az előre megjósolt elemek felfedezései azt mutatják, hogy az anyag tudománya abban az időben elég magas fokra jutott el. Az összefüggésekből nemcsak az derül ki, hogy az áttekinthetetlenül sokféle anyag kereken 70 elemre vezethető vissza, hanem az is, hogy ezek az elemek ismét egy családban egyesülnek, amelyen belül határozott szabályok érvényesülnek. Ezeket a szabályokat természetesen csak gyakorlati úton lehetett kideríteni. A megértéstől, az anyag rejtélyének tulajdonképpeni megoldásától abban az időben még igen-igen messze voltak.

*

A különböző kémiai elemek közötti rokonság most az a probléma, amelynek megoldásához mélyreható ismeretek szükségesek, ismeretek, amelyek nem állhatnak meg az atomoknál, hanem továbbmenve fel kell tárniuk az atomoknak kisebb alkotórészekből való felépítését is. Ezekről a részletekről könyvünk legutolsó fejezetében adunk tájékoztatást. Egyelőre még mindig van valami egyszerű, de a XIX. század végén még mindig nem teljesen megoldott feladat: a különböző anyagok makroszkópos, mérhető tulajdonságainak magyarázata atomos vagy molekuláris szerkezetük alapján.

Ezen a területen akkoriban alig van valami, ami túlmenne a kinetikus gázelméleten. A folyékony és szilárd halmazállapot legnagyobbrészt még mindig terra incognita. Spekulációk a szilárd anyagokról ugyan már évszázadok óta léteznek. A szilárd anyag egyik speciális formája, a kristályos forma (amely később ugyan csaknem mindenütt jelentkező normális formának bizonyul) már külsőre is feltűnő alakjával ősidők óta foglalkoztatta az emberek képzeletét. Vajon mi az alapja a sík határfelületeknek, a szabályos geometriai alakzatoknak és a jellegzetes hajlásszögeknek ezeknél a természetben előforduló vagy akár oldatokból mesterségesen létrehozott kristályoknál?

Attól a pillanattól kezdve, amikor az ember ezekre a formákra már nem fogadta el magyarázatnak az anyag misztikus törekvését, csaknem kényszerűen a legkisebb részecskék szabályos elrendeződéséhez kellett eljutni, ami a külső megjelenési formában jut kifejezésre.

Valóban, Kepler már a gömbök szabályos összeállításáról beszél, más tudósok pedig legkisebb építőkövek építményéről, amely a maga egészében ezeknek az építőköveknek a szimmetriáját tükrözi. Ludwig August Seeber fizikus 1824-ben már odáig jut el, hogy a modern atom-fogalmat kapcsolatba hozza a kristályok szerkezetével, és a kristályt mint az atomok térbeli háromszoros periodikus elrendeződését, mint úgynevezett térrácsot tekinti, amelyben az atomok távolságát a közöttük működő erők határozzák meg. Annak ellenére, hogy az elméleti matematikában az évszázad folyamán behatóan foglalkoztak az ilyenféle térrácsokkal, és azok szimmetria-tulajdonságaival, a fizika számára ez a gondolat csaknem száz éven át meglehetősen terméketlen maradt mindaddig, amíg a kristályok atomos felépítését kísérleti módszerekkel ki nem derítették.

A tapasztalati úton megismert anyagi sajátosságok atomos vagy molekuláris értelmezéséhez pillanatnyilag csak a kinetikus gázelmélet áll rendelkezésre, amely ezen a területen is valóban komoly sikereket ér el, érvényességi tartományát pedig, bizonyos molekulák között ható erők és a molekulák „saját térfogatának” bevezetésével végül is kiterjeszti egészen a gázok cseppfolyósodásának a területéig. Valamely gáz tulajdonságait kétféle csoportba kell sorolnunk: az egyikbe olyan tulajdonságok tartoznak, amelyek számtalan sok molekula összhatása révén jelentkeznek, és ezeket az egyes molekulákhoz hozzárendelni teljesen értelmetlen dolog volna; a másik csoportba viszont már az egyes molekulák tulajdonságai tartoznak.

Az első csoportba sorolhatók a következő tulajdonságok: sűrűség, nyomás, hőmérséklet, kompresszibilitás (összenyomhatóság), hőkitágulás, hővezetés, belső súrlódás és még sok más egyéb. Vegyük szemügyre pl. az összenyomhatóságot: egy gáz nem azért nyomható össze, mert molekulái összenyomhatok — a molekulákat a kinetikus gázelméletben mint merev gömböcskéket lehet tárgyalni —, hanem azért, mert nagyobb nyomás mellett a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz, tehát mert a kölcsönös elrendeződésükben történik változás. Teljesen értelmetlen lenne egyetlenegy molekula nyomásáról, hőmérsékletéről vagy hővezetőképességéről beszélni.

De másrészt vegyünk szemügyre valamely színes gázt, például az ibolyaszínű jódgőzt, nem túl magas hőmérsékleten. Itt már minden egyes jódmolekula is „ibolyaszínű”, azaz valamennyi jódmolekulának megvan az a tulajdonsága, hogy a ráeső — mindenféle hullámhosszúságú fényből összetett — fehér fénynek pontosan azokat a hullámhosszait abszorbeálja, amelyeknek hiánya az „ibolya” színt eredményezi. Itt tehát a gáznak olyan tulajdonságával van dolgunk, amely az egyes molekuláknál is megtalálható. És ez éppúgy érvényes nemcsak a „színre”, hanem annak fizikai alapjára, az illető anyag teljes abszorpciós sávspektrumára vonatkozóan is.

És most érdekes kérdés vetődik fel: Vajon egy molekulának a tulajdonságai additív módon jönnek-e létre az őt alkotó atomok tulajdonságaiból? A kérdés talán csak fokozatosan válik egészen világossá, de a végeredményt máris kimondjuk:

Valóban, vannak ebben az értelemben vett „additív” sajátságok. Valamely molekulának röntgen- és gamma-sugár abszorpciója atomjai elnyelőképességének összegezéséből, tehát additíve adódik. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a vízgőz ezeket a sugarakat pontosan úgy abszorbeálja, mint az azonos sűrűségű durranógáz, tehát hidrogén és oxigén keveréke, amelyben a kétféle atom még nem egyesült H₂0 vízmolekulává, hanem H₂ és 0₂ elemi molekulák formájában van jelen.

Van tehát ilyen additív tulajdonság; de van másféle is. Az optikai abszorpció például, amelyről előbb már beszéltünk, nem tartozik az additív tulajdonságok közé, hasonlóképpen a fényemisszió sem. A vízgőz az infravörösben másképpen abszorbeál, mint a hidrogén és oxigén keveréke (a látható fény területén pedig egyáltalában nem abszorbeál).

De hiszen ha a gázlángba konyhasó, tehát nátriumklorid molekulát viszünk, megjelenik a nátrium sárga fénye, amely oly jellemző a nátriumatomra! Valóban, megjelenik, de nem azért, mert a nátriumklorid molekula optikailag a nátriumatom és a klóratom sajátságainak összegével rendelkezik, hanem azért, mert magas hőmérsékleten a nátriumklorid molekula két atomra, nátrium- és klóratomra esik szét.

Ilyen és hasonló megfigyelésekről már igen korán arra kellett következtetni, hogy egy molekulában az őt alkotó atomok nem őrzik meg minden vonatkozásban sértetlenül a teljes individualitásukat. A mai értelemben vett atomoknak vannak meghatározott tulajdonságaik, amelyek jellemzők a mindenkori atomfajtára — ebben különböznek alapvetően Démokritosz tulajdonság nélküli atomjaitól —, de ha molekulákká egyesülnek, ezeket a tulajdonságokat nem örökítik át, vagy legalábbis nem valamennyit.

Az anyagi tulajdonságok atomos és molekuláris értelmezésének problémája tehát lényegesen bonyolultabb, mint azt esetleg kezdetben feltételezték. És ezzel összefüggésben mi csak a legegyszerűbb részterülettel, a gázokkal foglalkoztunk. Mégis, éppen ezek a most érintett különbözőségek programot jelentenek az anyag minden formájára, olyan programot, amelyet az elkövetkező évtizedekben lépésről lépésre, és gyakran csak igen fáradságos részletmunkák során lehetett teljesíteni.

Mindenesetre egy nagyon fontos felismerés az új évszázad, a mi XX. századunk második évtizedében már teljesen megérlelődik: tökéletesen és biztosan betekintést nyerünk a kristályok szerkezetébe.

Ezt a betekintést több oldalról is előkészítették. Seeber felfogása — hogy a kristály atomok térrácsa — ugyan még nem tudott érvényre jutni, minthogy nem támogatták alapos kísérleti eredmények, mint lehetőség azonban, számos kutatónak a gondolatában élt tovább. A térrácsokat, szimmetria-tulajdonságaikra való tekintettel, matematikailag nagyon alaposan tanulmányozták. Olyan nevek, mint Bravais, Sohnke, Fjodorov és Schoenflies a sikerek folyamatos láncolatát jelentik, míg végül is 1891-re ezeknek a rácsoknak 230 különböző lehetséges ún. tércsoportját már tisztán felismerték.

Mégis valami új lökésre volt szükség, hogy ezt a matematikai konstrukciót a valóságos kristályokkal kapcsolatba lehessen hozni, valami zseniális ötletre, hogy kísérleti oldalról lehessen behatolni a kristályos halmazállapot szerkezetébe. Egy ilyen zseniális gondolata támadt 1912-ben Max v. Laue fiatal elméleti fizikusnak, aki akkor Sommerfeld szemináriumában dolgozott Münchenben. 17 éve már, hogy a röntgensugarakat felfedezték, de a természetüket még mindig nem derítették ki. A kérdés: vajon a röntgensugarak hullámsugarak-e, vagy korpuszkuláris sugarak? A hullámsugarak feltételezését — amely mellett egyébként sokan kardoskodtak — nagyon megnehezítette, hogy kitartó fáradozások ellenére sem sikerült ezekkel a sugarakkal interferencia-jelenségeket előidézni, holott a hullámsugaraknak feltétlenül interferálniuk kellene. Természetesen azt is mondhatták, hogy a röntgensugarak hullámhossza rendkívül kicsi, s ehhez képest még a legfinomabb elhajlási rács is túlságosan durva, s így nem képes észrevehető interferenciát előidézni.

Itt jelentkezik Laue ötlete: Minthogy valamennyi mesterségesen előállított rács túlságosan durva, vajon mi volna a helyzet természetes, rendkívül finom elhajlási rácsok alkalmazása esetén, amelyek talán a kristályok térrácsaiban minden további nélkül rendelkezésünkre állnak?

Talán —, ami azt jelenti, hogy a többször is megnyilvánult sejtés valóban helyes, ha a kristályokban az atomok térrácsos elrendezésben vannak.

Alig született meg a gondolat, Laue javaslatára Friedrich és Knipping kísérleti fizikusok máris végrehajtják a szükséges kísérletet. Ezek a kutatók keskeny röntgensugár-nyalábot bocsátottak át egy korong formájú rézszulfát kristályon, és már az első kísérletnél jelentkezik a teljes siker: a sugárzás a fényképezőlemezen nem, egy éles foltot rajzolt, nem is elmosódott foltot, amit a kristályban való szóródás okozott volna, hanem csodálatosan szép, többnyire szabályszerű mintát, a középpont körül csoportosan elrendezett számos foltot, pontosan olyat, amilyet a térrácson elhajló hullámsugarak interferenciája esetében várni kellett.

Egyetlen kísérletnek ritkán van ekkora bizonyító ereje és világít be hirtelen egy egész, sőt nem is egy, de két tudomány területére. Most már sziklaszilárdan biztos, hogy a röntgen-sugárzás hullámsugárzás. És ezen kívül az is biztos, hogy a kristályok térrácsos felépítésűek. Néhány éven belül matematikai eljárásokat dolgoznak ki, hogy azok segítségével a röntgen-interferenciakép szerkezetéből levezessék a kristályrács építőköveinek térbeli elrendeződését. Hamarosan megtanulják, hogyan kell egy meghatározott „monokromatikus” röntgensugár hullámhosszát a kristály-interferenciától függetlenül megmérni, ezzel pedig megkapták a rács építőköveinek abszolút távolságát is, amit hozzávetőlegesen természetesen már a Loschmidt-szám, az egy grammban foglalt atomok számának segítségével is ki lehetett számítani. A molekulák nagyságrendjére néhány tízmilliomod milliméter adódott.

És most a kísérletek hatalmas hulláma indul el: a számtalan kristályfajta szerkezetének analízise. Közben két eléggé meglepő felismerésre jutnak. Egyrészt a röntgensugarak lehetővé teszik a rácsszerkezet kimutatását tetszés szerinti kis kristályszemcsék esetében is, ha ezek elegendő számban vannak jelen (tehát például porított anyagok, vagy olyan kompaktabb testek vizsgálatánál is, amelyek ilyen kicsiny szemcsékből vannak „összeállva”), még akkor is, ha az egyes szemcsék kicsiségük miatt a legjobb mikroszkóppal sem láthatók. Ez a tény világított rá a szilárd anyagok mikrokristályos szerkezetére, bár a test külsőre egyáltalában nem mutat kristályos formát. És ennek során felfedezik, hogy csaknem valamennyi szilárd anyag mikrokristályos szerkezetű. A jól kifejlett, nagy kristályok tehát a természetben csak kivételek, de a kristályos állapot a szilárd anyag szabályos megjelenési formája.

A másik meglepetés a kristályrács legkisebb építőelemeire vonatkozik. A gázoknál szerzett tapasztalatok alapján azt kellene gondolnunk, hogy ezek az építőkövek a molekulák. Valóban, találunk olyan szilárd anyagokat, amelyeknek kristály-rácsa molekulákból van felépítve: ilyen pl. a szilárd szénsav (általánosan ismert neve: szénsavhó, vagy száraz jég) és sok organikus kristály. A rács építőkövei azonban sokkal gyakrabban egyes atomok, valamennyi fémnél pl. olyan atomok, amelyek elvesztették egy külső elektronjukat, tehát pozitív ionok; a hozzájuk tartozó elektronok mint valami folyadék mozognak az ionok között és ezek okozzák az elektromos vezetőképességet. Van végül számos olyan kristály, és ezek éppen a különösen jól kristályosodott anyagok, amelyek pozitív és negatív ionokból vannak felépítve. A kősó kristály rácspontjaiban például szabályosan váltakozva pozitív nátrium és negatív klórionok foglalnak helyet.

És még valamire fel kell figyelni: természetesen a szilárd anyagokban, a kristályokban is van hőmozgás. A rácspontokat a molekulák, az atomok vagy az ionok nem megmerevedve foglalják el, hanem ezek a pontok az egyensúlyi helyzetet jelentik, amely körül az építő elemek kis szabálytalan mozgásokat végeznek, annál hevesebben, minél magasabb a hőmérséklet. Ez a röntgen-interferenciaképekben az interferenciapontok bizonyos fokú életlenségében mutatkozik meg, és közvetlenül is meg lehet figyelni, miként növekszik ez az életlenség a hőmérséklet emelésével.

Ha a hőmérséklet növelésével az építő elemeknek az egyensúlyi helyzettől való kitérése már megegyezik a rácstávolság nagyságrendjével, akkor a rács elveszti stabilitását és a szabálytalan mozgások zűrzavarában omlik össze: a kristály megolvadt. A folyékony halmazállapot struktúrája — egyformán távol a gáz ideális rendezetlenségétől és az alacsony hőmérsékletű kristály ideális rendezettségétől — annyira bonyolult, hogy azt itt részletesébben nem tárgyalhatjuk.

Legújabban speciális esetekben a kristály építő elemeinek rácsos elrendezése olyan kísérletet tett lehetővé, amely csaknem közvetlenül láthatóvá teszi valamely kristályos fém felső rétegének atomjait, a maguk szabályos elrendezésében. Ezt a megdöbbentő kísérletet Erwin Mutter berlini fizikusnak köszönhetjük, aki újabban az Egyesült Államokban, a Pennsylvania-egyetemen dolgozik, ő fejlesztette ki ezt az úgynevezett csúcsemissziós mikroszkópot, amely elektron- vagy ionsugarakkal valamely rendkívül finom wolfram-csúcs felületét több mint milliószorosra nagyítva tárja elénk. Ilyen felvételek (1958 óta már kifogástalan formában) megmutatják a csúcs atomi egyenetlenségeit. Ez a csúcs a valóságban körülbelül tízezred milliméter sugarú, nagyjából gömbfelület. Egy ilyen erősen görbült gömbfelülettel szemben állva a legfelső atomok — szabályos rácselrendeződésben — észrevehetően kilépnek a felületből, és a felvételen nagyfokú rendezettségben finom pontokat lehet felismerni, amelyek azonban most már nem elhajlott röntgensugarak, hanem maguknak az atomoknak a leképezései!

Egyébként gázmolekulák esetében már jóval előbb megtalálták a módját, hogy hogyan lehet a kinetikus gázelmélet alapján a molekulák közepes sebességét és az egyes sebességek statisztikus eloszlását közvetlenül is meghatározni. Hamburgban Otto Stern 1922 óta kidolgozott egy eljárást, amelynek segítségével töltetlen atomokból vagy molekulákból álló sugarakat nagyvákuumban meg lehetett tartani; ezeket a sugarakat gáz- vagy gőztöltésű tartályból finom nyíláson át engedték kilépni a vákuumba. A sugárban közvetlenül meg lehetett mérni a molekulák sebességeloszlását és közepes sebességét, ami egyébként ugyanaz, mint előzőleg a gázban volt. Az eredmények jól, tökéletesedő kísérleti technikával pedig mind jobban megegyeztek azzal, amit száz évvel korábban Maxwell és mások elméletileg levezettek.

Most már senki sem kételkedik többé az atomok és molekulák valóságos létezésében, a gáz- vagy gőzmolekulák vad száguldozásában, a kristály építőelemeinek szabályos rácsos elrendezésében. Az anyag atomos vagy molekuláris szerkezetének legfontosabb problémája ezzel megoldódott.

*

De vajon mi az anyag? Lehet erre végső fokon egyáltalában világosan felelni?

A matéria önálló tudományának, a kvantitatív kémiának a kezdete egybeesik a mérleg használatának bevezetésével; kézenfekvő, hogy a matéria definíciójában is szerepel a mérleg, amikor azt mondják: matéria minden, ami mérlegelhető, tehát minden, aminek súlya, minden, aminek tömege van. A levegőnek — vagy akármilyen más gáznak — súlya van, tehát matéria. Abban az időben azt hitték, hogy a hőnek, a fénynek, az elektromágneses térnek nincsen súlya, azért ezeket nem számították a matériák közé. Ezeket az utóbb említett természeti jelenségeket a XIX. század közepe táján egy másféle általános fogalom, az energia fogalma alá sorolták. Így szinte magától adódik a szembeállítás: erő és anyag, vagy ahogyan nemsokára megjelölik: energia és matéria. Az ebbe a két kategóriába való besorolás kritériuma továbbra is a mérleg marad: a matériának tömege van, az energiának nincs.

1905-ben azonban Einstein kidolgozza speciális relativitás elméletét, és ebből az következik, hogy az energiának mindenféle formája tömeggel rendelkezik, hogy tehát minden kilowattóra energia — mindegy, hogy milyen formában — mindenképpen 1/25 000 milligrammot nyom. Ezt a merész elméletet később kísérletileg is sikerült igazolni. Ezzel aztán vége is van a matéria és energia mérleg alapján történő megkülönböztetésének. A fénynek, az elektromágneses térnek is súlya van, még ha rendkívüli kicsisége következtében normális körülmények között nem is lehet ezt a súlyt tapasztalatilag érzékelni. A matéria—energia szembeállítás értelmét vesztette, hiszen minden energia egyúttal tömeggel is rendelkezik, és minden matériális tömeg egyszersmind energiát is képvisel.

Atomok, mint az anyag építőkövei, és az anyagi világ áttekinthetetlen változatossága — ez az a bizarr kép, amely az anyagi világ titkainak felfedése után megmaradt számunkra. Mindenesetre ez még nem a legutolsó, amit az anyag önmagáról elárulhat.

Kénytelenek voltunk továbblépni az elemi részecskék most még homályos világába, hogy az anyag természetére jobban rávilágíthassunk. De már korábban is újra meg újra eljutottunk olyan pontokhoz, ahol az atommal kapcsolatban kérdések merültek fel, ahol az atomoknak, mint végső, oszthatatlan egységeknek az elképzelése már tarthatatlannak látszott.

Miféle erők kötik össze az atomokat molekulákká? Az elektrolízis folyamatára gondolva nagyon kézenfekvő az elektromos erők feltételezése. De hogyan lehetséges az, hogy az elektromosan semleges atomokra elektromos erők hatnak? Hogy ilyesmi megtörténhessék, az atomok belsejében elektromos töltéseknek kell lenniük, és bár a pozitív és negatív töltések mennyiségének egyenlőnek kell lennie, a térben mégis úgy kell elhelyezkedniük, hogy a környezet erőhatásai érvényre jussanak.

A mágnesség jelenségei szükségessé tették, hogy az atomokat is kis mágneseknek tekintsük. Ampere az atomokban már köráramokat képzelt el, amelyek a mágnességet előidézik.

Hogy mindezt meg lehessen magyarázni, nyilván valami bonyolult, eddig még teljesen ismeretlen birodalomba tartozó struktúrát kell az atomoknak tulajdonítanunk.

Általában az anyag számos tulajdonsága egészen nyilvánvalóan az egyes atomok tulajdonságaira vezethető vissza. Vegyük csak az optikai folyamatokat: mi módon képes például az atom fényt kibocsátani, vagy fényt elnyelni? Méghozzá jól meghatározott hullámhosszú fényt, amely pontosan jellemző az illető atomra? Mindehhez járulnak még a röntgen-sugarakra vonatkozó teljesen hasonló kérdések, végül pedig — mint legmélyebb rejtély, legalábbis egyelőre — a radioaktivitás jelenségei.

De még ha nem is megyünk ennyire messzire, akkor is állandóan nagy kérdőjelekbe ütközünk. A kristályok térrácsa például igen gyakran ionokból van felépítve, azaz atomokból, amelyek egészen pontosan meghatározott nagyságú pozitív vagy negatív elektromos töltéssel rendelkeznek. Viszont az elektromos folyamatoknál megismerték az elektromosság atomját, az elektront. Milyen vonatkozásban áll ez az elektron az ionokkal? Mi történik a fémekben, ahol az elektronok — amelyek csakis az atomokból származhatnak — olyan könnyedén mozognak, hogy elektromos áramot képesek létesíteni?

Kérdések, amelyeknek soha sincs végük! Kérdések, amelyek mind sürgetőbben és mind mélyebbre hatolva arra kényszerítenek, hogy az atom felépítését, struktúráját igyekezzünk kiderítem. A görög „atomosz” (oszthatatlan) már nem sokáig tartható, az atomra vonatkoztatva semmi esetre sem, hiszen ez — úgy látszik — egyáltalában nem oszthatatlan. Talán az atom kisebb alkotórészei az oszthatatlanok?

Óriási probléma kezd kialakulni és megoldást sürget: Milyen az atom felépítése? Milyen kis részecskékből áll, és ezek a részecskék miképpen tevődnek össze atommá? Azt persze még senki sem sejthette, hogy a kutatás, amely ennek a kérdésnek a tisztázását tűzte maga elé, egyszer csak hirtelen valami egészen új és tarka világgal, a számtalan elemi részecske világával találja magát szemben. Az atom titokzatos szerkezetébe való behatolás most, a XIX. és XX. század fordulóján már az idők parancsa volt.

Ezért könyvünk utolsó fejezetének csak ez lehet a címe: Túl az atomon!

TÚL AZ ATOMON

A XX. század fizikája az atom szerkezetére vonatkozó kérdéssel kezdődik. A rendkívüli parányok birodalmába való betörés néhány évtizeden belül soha nem sejtett titkok felderítéséhez vezet el és a kutatásnak olyan erőteljes ösztönzést ad, olyan hatalmas tempót diktál, amilyet azelőtt senki még csak elgondolni sem volt képes. A kutatás nyomában pedig ott jár azonnal a technika, az újonnan felderített ismeretek ipari felhasználása. Még ma is, amikor pedig már jócskán túl vagyunk az új évszázad közepén, még ma is ennek a példa nélkül álló fejlődésnek a sodrában élünk. Az út messze a homályba vezet. A fejlődés ellenállhatatlanul magával sodor mindent, mint valami elementáris természeti folyamat, amely fölött már rég elveszítettük az uralmat.

Próbáljuk meg magunk elé idézni, milyen volt a fizikai kutatás helyzete ennek a derengő évszázadnak a kezdetén, amely évszázad első felében két világháború is pusztított. Az atom megvetette lábát a tudományos kémiában és fizikában. De azért általánosan még nem ismerték el. Wilhelm Ostwald, a híres „energetikus” az atomot mindenestől elvetette, és abban legjobb esetben is minden konkrét valóság-tartalom nélküli, szemléletes, összehasonlító képet látott. Ernst Mach, osztrák természettudós és filozófus — számos gondolatával Einstein előfutára —, ha atomokra fordult a szó, csak ezt mondotta: „Láttak csak egyet is valaha?”

És ebben a stádiumban, amikor tehát maga az atom egzisztenciája sem egészen biztos, a kutatók az atom szerkezetének problémájához nyúlnak hozzá!

Itt azután egészen gyorsan megvalósul a kísérleti lehetőség az egyes atomi részecskék kimutatására, olyan csodálatos meggyőző erővel, hogy ezeknek a részecskéknek, és ugyanúgy az atomoknak a realitásához többé már semmi kétség sem fér.

Hogy 1897-ben mi módon bukkant fel a tudomány világában a szabad elektron, ez a fizikában és technikában csakhamar igen nagy jelentőségű elemi rész, arról már beszéltünk. Felfedezését egyébként két másik nagy horderejű felismerés előzte meg: 1895. november 9-én Konrad Wilhelm Röntgen Würzburgban felfedezi a később róla elnevezett nagy áthatoló képességű sugarakat, 1896 februárjában pedig Henri Becquerel Párizsban az urán radioaktivitásának titokzatos jelenségét. Mindkét felfedezés a véletlen műve, de felbukkanásuk mélyebb értelemben véve arra az időre szinte elő volt készítve. Amikor Pierre és Marie Curie 1898-ban megtalálták az uránnal milliószorta erősebben radioaktív elemet, a rádiumot (sőt csakhamar tiszta rádiumsót is elő tudtak állítani), ezen a területen készen volt az alap a nagy kísérletek kibontakozására. A híres új-zélandi fizikus, Ernest Rutherford, először a montreali McGill egyetemen, 1907-től Manchesterben, majd 1919-től mint a híres Cavendish-laboratórium vezetője Cambridge-ben, több mint három évtizeden át hatalmas lendülettel végre is hajtotta ezeket a kísérleteket.

A századforduló óta azonban olyan gondolatok is felbukkantak, hogy módosítani kellene az elméleti alapokat, minthogy egy idő óta ezek az akkor érvényben levő elméleti elgondolások a kísérleti eredményekkel feloldhatatlan ellentmondásban voltak. Valamely üreg hősugárzásának kísérleti eredményei és az elmélet ellentmondásából kiindulva dolgozta ki Max Planck Berlinben, 1900-ban a kvantumokban történő sugárzás eszméjét, és ezzel megalapozta a kvantumelméletet. A világűrben mozgó Földről tovaterjedő fény — a Michelson-kísérlet — mérési eredményeinek és az elméletnek az ellentmondásaiból építette ki 1905-ben Albert Einstein, akkor még a berni Szabadalmi Hivatal tisztviselője, a speciális relativitáselméletet. A korszakalkotó kísérleti eredményekkel csaknem egyidejűleg látjuk kibontakozni azokat a matematikai módszereket, amelyek az új fizika problémáinak megoldásához nélkülözhetetlenek, miután a „klasszikus” leírás és értelmezés itt hajótörést szenvedett. Ezek a mind szélesebben és mind finomabban kiépített módszerek az egész elméleti fizikát fokozatosan uralmuk alá hajtják, és valóban alkalmasnak mutatkoznak valamennyi új ismeret feldolgozására. Ugyanakkor azonban a kezdeti elgondolásokkal ellentétben, le kell mondani a szemléletességről, a kézzelfogható képről, amelynek helyébe most a csupasz, absztrakt matematikai formalizmus lép.

Forradalom a kísérletben és forradalom az elméletben, csodálatosképpen összehangolva és egymást kiegészítve. És ha itt, a fizikai kutatás területén a fejlődési folyamat évtizedeken át tart, az emberiség történetében ezek az évtizedek csak pillanatok.

*

A radioaktivitás bizonyos atomok tipikus sajátsága; semmi esetre sem valamennyié, csak ezzel a speciális kivételes tulajdonsággal rendelkezőké. Hogy a radioaktivitás az atomtól függ és nem a molekulától, vagy éppen az összefüggő anyagtól, azt Becquerel kutatásainak első esztendejében felismerte. Mindazok az anyagok, amelyek radioaktívaknak mutatkoztak, uránt tartalmaztak, és a radioaktivitás erőssége arányos volt az anyag urántartalmával, függetlenül attól, hogy az urán miféle más anyaggal volt keverve, ötvözve vagy kémiailag vegyülve. Radioaktív tehát az uránatom. Nemsokára egyéb radioaktív atomfajtákat is találnak, így a tóriumatomot, a rádiumatomot, a polóniumatomot és még egész sor másfélét. Ezek az atomok az elemek sorában a legnehezebbek közé tartoznak, bár a legnehezebb, a 238-as atomsúlyú uránatom nem a legerősebben radioaktív. A 226-os atomsúlyú rádiumatom radioaktivitása több mint milliószorta erősebb, és vannak még erősebben sugárzó atomok is. De azért nyilvánvaló, hogy éppen ezek a legnehezebb atomok hajlamosak az instabilitásra, ami azután a radioaktivitásban nyilvánul meg. Vajon ezért nincsenek a természetben az uránatomnál nehezebb elemek?

Arról persze, hogy miféle instabilitás ez a radioaktív atomoknál, a kutatóknak annak idején sejtelmük sem volt. Kezdetben csak azon fáradoztak, hogy a radioaktív anyagok különös sajátságait minél pontosabban megismerjék, rendszerezzék és analizálják. Átmenetileg megelégedtek azzal, ha egy fontos felfedezés megerősített egy másikat. Néhány évi intenzív kutatás után végül is tiszta képet kaptak az egész jelenségről:

Minden radioaktív anyag szakadatlanul és minden külső beavatkozás nélkül, sőt külső hatásokkal teljesen befolyásolhatatlanul sugarakat bocsát ki, amelyek háromfélék lehetnek: alfa-, béta- és gamma-sugarak. Az alfa-sugarak korpuszkuláris sugarak, és a gázkisülési sugarak közül körülbelül a csősugaraknak felelnek meg. Kettős pozitív töltésű héliumionokból állnak — ma egyszerűen azt mondjuk: héliumatommagokból —, amelyek igen nagy, 14 000—21 000 km/sec sebességgel repülnek. Ennek ellenére, minthogy a sugárzás viszonylag nehéz részecskékből áll, áthatolóképessége aránylag kicsi: századmilliméteres fémréteg már tökéletesen feltartja ezeket a sugarakat, amelyek normális sűrűségű levegőben is csak 3—9 centiméterre jutnak el.

A béta-sugarak ugyancsak korpuszkuláris sugarak; részecskéi már régi jó ismerőseink: a szabad elektronok. A gázkisülések katódsugarainak felelnek meg tehát, csak a bétasugarak elektronjai még sokkal nagyobb sebességűek, a fénysebesség 99%-át, 297 000 km/sec értéket is elérik. Ezért, valamint könnyűségük folytán az anyagba sokkal mélyebben képesek behatolni. Több milliméteres fémrétegen és sok méternyi levegőn is áthaladnak.

Végül a gamma-sugarak gyakorlatilag megegyeznek a röntgensugarakkal, azaz hullám- vagy kvantumsugarak aszerint, hogy hogyan tárgyaljuk őket. Az akkori röntgensugaraktól csak még valamivel rövidebb hullámhosszukban különböztek, és ennek megfelelően valamivel magasabb kvantumenergiájukkal. Minthogy ma mesterségesen akár ezerszer nagyobb kvantumenergiájú röntgensugarakat is elő tudunk állítani, a gamma-sugarak egyszerűen a röntgensugarak energiasávján belül helyezkednek el, és a készülékek segítségével előállított röntgensugaraktól kizárólag keletkezésük módjában térnek el. A gamma-sugarak tehát semmiféle elektromos töltést nem visznek magukkal és teljes fénysebességgel haladnak. Még sokkal nagyobb áthatolóképességűek, mint a bétasugarak, vagy mint a technikai röntgensugarak, és még olyan nehéz fémnek is, mint az ólom, több centiméter vastag rétegén át tudnak hatolni.

Kvantitatíven vizsgálva, valamennyi sugárzásnál igen fontosak az energiák: az alfa- és béta-sugárzásnál az egyes részecskék — tehát az alfa-részecskék és az elektronok — mozgási energiája, a gamma-sugárzásnál pedig az egyes kvantumok energiája.

Ezeket az energiákat most új egységgel mérjük, amit az atomi energiákra használunk, és ez az egység: az elektronvolt (eV). Egy elektronvolt egy elektronnak (vagy egy másik, egy elemi töltéssel rendelkező részecskének) az a mozgási energiája, amellyel akkor rendelkezik, ha nyugalomból kiindulva 1 volt elektromos feszültségen fut át. Ha pl. kisülési csőben katódsugarakat létesítünk, és a cső katódja és anódja között 30 000 volt feszültség van, akkor ennek a sugárzásnak valamennyi elektronja az anódra történő becsapódásnál 30 000 eV energiával rendelkezik, feltéve, hogy (a nagyon légritkított csőben végigfutva) semmiféle energiavesztesége nincsen. A radioaktív részecskék és kvantumok energiái még sokkal nagyobbak, és elérik a millió elektronvoltot (MeV) is. Így pl. a rádium-C radioaktív anyag béta-sugárzásában egy elektron energiája 3 MeV, a tórium-C' alfa részecskéié pedig közel 9 MeV (ez a természetes radioaktív anyagoknál előforduló legnagyobb részecske-energia).

A radioaktív sugárzással azonban a radioaktív jelenségek még nincsenek kimerítve. Az anyagok ugyanis, amelyek radioaktív sugarakat bocsátanak ki, eközben — vagy helyesebben mondva: ennek következtében — másféle anyagokká alakulnak át. Meghatározott kémiai elemekből másféle kémiai elemek lesznek. Ez a lényege Rutherford és Soddy radioaktív bomláselméletének, amelyet 1902-ben, még a sugárzás természetének pontos ismerete előtt állítottak fel. Azzal, hogy a radioaktív atomok eredetileg hozzájuk tartozó részecskéket, például alfa-részecskéket vagy elektronokat löknek ki magukból, másfajta atommá, másfajta elemmé alakulnak át.

Ez pedig az eddigi ismeretek szemszögéből nézve valami hallatlan dolog! A kémikusok elem-fogalma, az elemek változatlanságáról vallott elv, ami végső fokon az alkimisták transzmutációs kísérleteinek állandó sikertelenségét okozta, most romokban hever. Az urán pl. néhány közbülső fokon áthaladva rádiummá alakul át. A rádium számos lépcsőfokon át ólommá alakul át. Az urán, a rádium és az ólom vitathatatlanul elemek, ugyanúgy az összes közbülső radioaktív elemek is, amelyek azzal, hogy atomjaik alfa-részecskéket vagy elektronokat löknek ki magukból, a legközelebbi közbülső elemmé alakulnak át, amely szintén radioaktív. Ennek a bomlássornak a vége, az ólom, már nem radioaktív.

A korai kutatásban három ilyen bomlássor kristályosodik ki. Az egyik az uránnal kezdődik, a másik a tóriummal, a harmadik pedig az ugyancsak radioaktív aktinourán elemmel, amelyet ma mint „235-ös urán”-t, mint az atomerőművek „üzemanyagát”, vagy az atombomba „robbanó töltetét” ismerünk. E három bomlássorhoz később egy mesterségesen előállított anyagból kiinduló negyedik sor is járul majd. Ezek a bomlássorok kereken három tucatnyi különböző radioaktív anyagot tartalmaznak, s ezek mindegyike a reá jellemző sugárzás fajtával és jellemző részecske energiával tűnik ki.

Még valami más is jellemző ezekre a radioaktív anyagokra: az átalakulás sebessége, amit semmiféle külső behatás, meleg vagy hideg, nyomás vagy akár elektromos vagy mágneses tér nem képes befolyásolni. Valamennyi átalakulás — ahogyan azt a radioaktivitás kutatásának első éveiben már világosan felismerték — egy úgynevezett exponenciális időtörvény szerint megy végbe. Ha pl. valamely anyagból egy év alatt az atomoknak a fele (ami azt jelenti, hogy az összes anyagmennyiségnek a fele) alakul át, akkor a következő évben a megmaradt fele anyagnak ismét a fele, a rákövetkező évben a még megmaradt negyednek ismét a fele alakul át, és így tovább. Az átalakulásnak tökéletesen soha sincs vége. A még szét nem bomlott atomok csökkenő számával természetesen együtt csökken — ugyanezen törvény szerint — a sugárzás erőssége is: példánkban a sugárzás erőssége egy év után a felére, két év után a negyedére, három év után a nyolcadára stb. csökken.

Példánkban az egy évet az illető anyag felezési idejének nevezzük. A felezési idő méri az átalakulás „lassúságát”. Ez az idő a különböző radioaktív anyagoknál rendkívül különböző: az uránnak csak 4 és fél milliárd év alatt, a tóriumnak meg éppen 14 milliárd év alatt bomlik el a fele, a rádium felezési ideje már „csak” 1620 év, a polóniumé 138 nap, a rádium-emanációé 4 nap, és a bomlássorban vannak olyan közbülső anyagok, amelyeknek a felezési idejét csak percekkel, másodpercekkel, sőt tízmilliomod másodpercekkel lehet mérni.

Ezeket az eredményeket évszázadunk első évtizedében a radioaktív kutatásokban résztvevő különböző országok kutatói állapították meg. Soraikban kiemelkedő helyet foglalnak el Becquerel, a Curie házaspár, Rutherford, Soddy és még mások. Ahogy a vizsgálatok áramlata szélesedik, mind nehezebb dolog a nevek említése. Néhány felfedezés ugyan a legújabb időkben is névhez kapcsolódik, igen sok azonban a különböző helyen történt erőfeszítések, gyakran teljesen név nélküli munka eredménye, ami egyébként korunk egyik jellemző vonása.

Hogyan lehet megállapítani a radioaktív sugárzás jelenlétét? Legegyszerűbben úgy, hogy a sugárzás útjába fényképezőlemez fényérzékeny rétegét helyezzük — Becquerel is így fedezte fel a sugárzást —, és ekkor a sugárhatás erősségének és időtartamának megfelelően ez a fényérzékeny réteg megfeketedik, éppen úgy, mint ha fény vagy röntgensugárzás érte volna.

A feketedés mindezekben az esetekben számtalan, egyelőre még nem látható, de kémiai művelet (előhívás) útján láthatóvá tehető, előhívható ezüstszemcséből áll. Ezekben a szemcsékben testesülnek meg a béta-, és még kifejezettebben az alfa-sugarak nagyon nagy energiával odarepülő anyagi részecskéi. Felvetődik az a kérdés, hogy vajon egyetlen ilyen részecske képes-e parányisága ellenére már egy ezüstszemcsét, vagy esetleg ezeknek már egész sorát létrehozni, és ezzel a fotolemezben mikroszkopikusan kimutatható nyomot hagyni. A radioaktív kutatás kezdeti idejében még nem mertek vállalkozni ennek a kérdésnek a megoldására; néhány évtizeddel később azonban újra felvetették, és ez tette lehetővé egy érdekes eljárás kidolgozását az egyes sugárrészecskéknek és pályájuknak a kimutatására.

De már most is, a radioaktív kutatás kezdeti korszakában eljárásokat keresnek az egyes sugárrészecskék, tehát az egyes elektronok, vagy alfa-részecskék, később pedig az egyes gamma-kvantumok jelenlétének kimutatására. A kutatás három különböző irányban is megindult.

Az első út az elektromos ütközési ionizációs számlálóhoz vezet, amelyet 1908-ban Hans Geiger (akkor Rutherford asszisztenseként Manchesterben) dolgozott ki. Alapja az a jelenség, hogy egy alfa-részecske (később egy elektron is, vagy kerülő úton egy gamma-kvantum, amely a számlálócső falából elektronokat old ki) ritkított gázban azokon a helyeken, ahol erős elektromos tér uralkodik, ionlavinát indít el, amely ugyan rögtön kialszik, azonban kimutatható áramlökést kelt, és ilyen módon a sugárzásban egymásután jelentkező részecskéket meg lehet számlálni. Ebből fejlődik ki azután a híres Geiger-számláló, korunk legnépszerűbb sugárzást-jelző készüléke.

A második eljárás, amellyel ugyanebben az évben Erich Regener kezdett foglalkozni, a már jóval előbb felfedezett szcintillációt igyekezett felhasználni a részecskék megszámlálására, tehát azokat a finom fényfelvillanásokat, amelyek az alfa-sugaraknak valamely fluoreszkáló anyagra való becsapódásánál jelentkeznek. Ezt az eljárást mindenekelőtt Rutherford használta néhány híres kísérleténél, de nehézségei és szemfárasztó volta miatt alkalmazása sokáig teljesen háttérbe szorult. Csak a legújabb időben került ismét előtérbe, miután sikerült a fényfelvillanással a fotokatódon kiváltott elektronokat elektronsokszorozó segítségével úgy megszaporítani, hogy ezek már kimutatható áramlökést eredményeznek, és így a szemmel való megfigyelést — akárcsak a Geiger-számlálónál — elektromos regisztrálással lehet helyettesíteni.

Végül a harmadik út a legcsodálatosabb eredményekhez vezetett el. És ezt C. T. R. Wilson kitartó fáradozásának köszönhetjük, aki Cambridge-ben a Cavendish-laboratóriumban 1910 és 1912 között megalkotta ködkamráját. Ebben az átrepülő alfa-részecskék, de a béta-sugarak elektronjai is túltelített vízgőzben a parányi kondenzált vízcseppek sorát létesítik, ködcsíkokat tehát, amelyek — akárcsak a magasan szálló repülőgépek kondenzcsíkjai — pontosan lerajzolják az egyes részecskék röppályáját, közvetlenül láthatóvá teszik hatótávolságukat. Ebből és a pálya mágneses térben történő elhajlásából pedig kiszámíthatjuk a részecskék tömegét és mozgási energiáját, sőt, ütközéseknél — mintha csak biliárdgolyók volnának — látjuk az ütköző és az ütközés után eltérített részecskék nyomát is. Innen indul el a modern nyomolvasás, amely az atomi parányok világába pillantásunkat oly hallatlanul kiszélesítette. Kézzelfoghatóan a szemünk előtt vannak, ha nem is maguk az egyes részecskék, de legalább az út, amit éppen végigfutottak. Az atomi részecskék realitásában itt-ott még kételkedőket ezek a képek végleg elnémítják. Ha meg vagyunk győződve egy meteor létezéséről, amely fényes sávot húz az égbolton, akkor meg lehetünk győződve az alfa-részecske létezéséről is, amely fehér ködcsíkot rajzolt le a Wilson-kamrában.

A nyomolvasás később, a második világháború után még rádium, amíg teljes mennyiségében ólommá változik át, kereken 4 millió kilowattóra (kWó) energiát ad le, egy kilogramm urán pedig még valamivel nagyobb energiakészlettel rendelkezik, minthogy ólommá való átalakulása a rádiumon keresztül történik.

Hogy ebből az óriási energiamennyiségből csak olyan keveset veszünk észre (még egy erős rádiumpreparátum is csak néhány fokkal melegebb a környezeténél), annak az az oka, hogy az energia kibocsátása csak nagyon lassan történik: a rádium esetében évezredekig, az uránnál meg éppen évmilliárdokig is elhúzódik.

Hogy a radioaktív atomok óriási energiakészletéről helyes fogalmunk legyen, hasonlítsuk össze más energiákkal, például azzal, amely a kémiai reakcióknál válik szabaddá. Egy kilogramm kőszén elégésénél, a megfelelő mennyiségű oxigénnel való egyesülésnél kereken 8 kWó energiát kapunk; ugyanilyen nagyságrendű energiatermelése van másféle kémiai reakcióknak is. A radioaktív anyagok radioaktív energiakészlete ugyanazon tömegű anyagra számítva tehát körülbelül egymilliószor nagyobb, mint a kémiai energiakészlet azokban az anyagokban, amelyek hajlandók egymással kémiai reakciókra lépni.

A szén elégetésekor felszabaduló energia a mi legfontosabb ipari energiaforrásunk. Mi lenne, ha sikerülne technikai energiatermelésre a szén energiája helyett az urán energiáját felhasználhatóvá tenni? Vajon valóban lehetne 1 gramm uránnal helyettesíteni 1 tonna szenet? Ilyen kérdések már a radioaktív kutatás legelső éveiben felvetődtek, minthogy Rutherford már 1903-ban számokat közölt, amelyek rávilágítottak a radioaktív energia hatalmas méreteire, de ezek a kérdések amilyen gyorsan jöttek, olyan gyorsan el is némultak. Mert a radioaktivitás, például az uránbomlás lassúságát semmiféle eszközzel, még a legerősebb behatással sem lehetett a legparányibb mértékben sem meggyorsítani. Úgy látszott, hogy a természet itt az ember technikai haladásának útjába áthághatatlan korlátokat állított.

Természetesen a radioaktív atomok rendkívüli mértékű energia-halmozása tisztán tudományosan is igen érdekes volt és új eszmék keltésének volt a kiindulópontja. A kémiai energia is az atomokban rejtőzik. Ez az energia atomonként — ha most ismét az atomi energia-egységet, az elektronvoltot használjuk — néhány eV. Hasonló energiák szerepelnek akkor is, ha az atom egy fénykvantumnyi látható fényt bocsát ki vagy nyel el. Röntgensugarak emissziójánál vagy abszorpciójánál az energiák már lényegesen nagyobbak, ezer vagy tízezer eV nagyságrendűek. A radioaktív részecskék és a gamma-kvantumok azonban, mint láttuk, millió eV energiával lépnek ki. Hogyan helyezkednek el egy és ugyanazon atomban ilyen rendkívül különböző energiák?

Egy térbeli kép bukkan fel: a kémiai reakciók és a fénykibocsátás az atom külső tartományában játszódnak le; a röntgensugarak már a mélyebb rétegekből származnak, ahol nagyobb energiák vannak. Az óriási energiájú radioaktív jelenségeknek valahol az atom legbelsejében kell helyet foglalniuk. Kell tehát, mint valami centrumnak, egy atommagnak lennie, ahonnan a radioaktív sugárzások erednek?

Az atommag gondolata egészen más oldalról is jelentkezik. Lénárdnak az elektronsugarak anyagon való áthaladására vonatkozó kísérletei megmutatták, hogy az atom legnagyobb részét tulajdonképpen üresnek, teljesen átjárhatónak kell tekinteni. Még inkább ezt mutatja a tömör anyagok viszonylag erős átjárhatósága, a még sokkal masszívabb alfa-részecskék számára is. Ha az alfa-sugarak csak ezredmilliméteres fémlemezen tudnak áthatolni, akkor is sok ezernyi atomrétegen haladtak át!

1911-ben Geiger és Marsden Manchesterben kísérletet végeznek, amelynek az alfa-részecskék szóródását kell tisztáznia az anyagon való áthatolás közben, és amely kísérletnek az eredményét mesterük, Rutherford nagyon türelmetlenül várja. Valóban azt találják, hogy az alfa-részecskék csak nagyon de nagyon ritkán térnek el nagyobb szöggel, hogy tehát jelentős eltérítés nélkül hatolnak át az ezernyi atomon, mintha azok ott sem lennének. Rutherford ebből arra következtet, hogy az atom belsejében csak egy parányi kis tartomány, az atom magja az, ami erősen pozitív elektromos töltése és nagy tömege következtében eltérítőleg hat az alfa-részecskékre, ha ezek elég közel jutnak a maghoz. Azok az alfa-részecskék azonban, amelyek az atom lazán összeálló és csak nagyon kevéssé masszív burkán mennek át, útjukat alig változtatják meg. Azok a számítások, amelyeket Rutherford ezzel az atom-„modellel” végzett, a szórt alfa-részecskéknek pontosan olyan szögeloszlásához vezettek, mint amilyeneket Geiger és Marsden mind pontosabb mérései szolgáltattak.

Így ebben a jelentőségteljes 1911-es évben, sok más egyeben kívül, egy mérhetetlen horderejű felfedezés született, ami a további fejlődést megszabta: megszületett az atommag, megszületett az elképzelés az atomról, mint olyan képződményről, amelyben a pozitív töltésű és csaknem az atom egész tömegét képviselő magot laza, negatív töltésű burok veszi körül, amelynek tehát elektronokból kell állnia. Az atom „méretét” a burok határozza meg, átmérője mintegy tízmilliomod milliméter. A mag viszont, jóllehet csaknem az egész tömeg benne van összesűrítve, még néhány tízezerszer kisebb, és mindössze billiomod milliméter átmérőjű. Ebben a magban az anyag olyan sűrített állapotban van jelen, hogy egy gombostűfejnyi ilyen sűrűségű anyag súlya egy hadihajó súlyával volna egyenlő.

Ez az összesűrített anyag azután megmagyarázza azt az óriási energiát is, amely nyilván éppen az atom magjában rejtőzik. Ezért ez az energia nem is „atomenergia”, hanem „magenergia”. Nem az atom, hanem az atommag tulajdonsága minden rendkívüli radioaktív tulajdonság. Így az atommag születésének órájában kiderül, hogy a fizikusok a radioaktív jelenségek kutatása közben már 15 év óta magfizikával foglalkoztak, anélkül hogy tudták volna.

♦

Az atommag felbukkanása most rövid időn belül megold számos problémát és rendet teremt az atomok kezdetben még zűrzavaros világában. Mindenekelőtt világos lesz, hogy az elemek rendszáma (az a szám, amelyet a természetes sorrendben az elemek kapnak), nem egyéb mint a pozitív elemi töltések száma, amellyel az illető elem atomjának magja rendelkezik, és egyúttal az elektronhéjban foglalt elektronok száma, minthogy semleges atomban a pozitív magtöltés pontosan kompenzálódik negatív elektronokkal.

Egy hidrogénatomnak egyszeresen töltött magja és egy héjelektronja van; a héliumatomnak kettősen töltött magja és két héjelektronja, és így tovább; végül egy uránatomnak 92-szeresen töltött magja és 92 héj-elektronja van. A magok tömege (ami gyakorlatilag az egész atom tömege; az elektronok tömege ugyanis az egész atom tömegének egy ezrelékénél is kevesebb) másféle rend szerint sorakozik: a héliummag (a radioaktív kutatás alfa-részecskéje) nem kétszer, hanem négyszer nehezebb, az uránmag pedig nem 92-szer, hanem 238-szor nehezebb mint egy hidrogénmag.

Emellett a radioaktív magok még valami különös, egészen sajátságos jelenséget mutatnak: vannak közöttük többszörösen is azonos töltésű (tehát ugyanazon elemhez tartozó), de különböző tömegű magok. A rádiumnak például ugyanúgy, mint a „mezotórium-1”-nek azonos rendszáma, vagy magtöltésszáma van: 88. A rádium atomsúlya 226, a mezotórium-1-é viszont 228. A három „emanáció”, a három különböző radioaktív bomlássor három nemesgázának magtöltése azonos: 86, atomsúlyaik viszont 219, 220 és 222. Soddy, aki először tanulmányozta rendszeresen a radioaktív magoknak ezt a sajátosságát, ugyanazon elemnek ezeket a „testvér”-magjait izotópoknak nevezte. Egy és ugyanazon elemnek a különböző radioaktív izotópjai nemcsak különböző atomsúlyúak, hanem egészen különböző radioaktív sugarakat bocsátanak ki, és különböző a felezési idejük is. Atomjaiknak ezért nyilván különböző magjaik vannak, természetesen azonos töltéssel, és éppen ezért azonos elektronburokkal is rendelkeznek.

Ezért viselkednek a különböző izotópok kémiailag tökéletesen egyformán; az izotópok tehát egy elemnek a különböző atomsúlyú változatai.

Ez a felismerés már két évvel az atommag felfedezése után, 1913-ban felszínre kerül, és még ugyanazon évben tovább is fejlődik: J. J. Thomson azt találja, hogy a teljesen szabályos, nem radioaktív nemesgáz, a neon (atomsúlya 20,2), 91 százalékban 20-as tömegű neon-izotópból és 9 százalékban 22-es tömegű neon-izotópból áll. Vajon az izotópia valamennyi atommagnak tulajdonsága? A felelet e kérdésre még sok éven át várat magára.

Közben azért még 1913-ban az atom szerkezetéről való ismereteink más oldalról, az elektron-burok oldaláról is tökéletesednek. Niels Bohr, fiatal dán fizikus a mag környezetében levő elektronok elrendezéséről és mozgásáról pontosabb elgondolást fejt ki, és eljut egy képhez, amelyben az atom mint valami bolygórendszer jelentkezik. A mag megfelel a középpontban elhelyezkedő csillagnak, az elektronok pedig a bolygóknak. A mi kozmikus bolygórendszerünket összetartó gravitáció helyébe az atomon belül az elektromos vonzás lép, amely a pozitív mag és a negatív elektronok között hat. A legegyszerűbb atom, a hidrogénatom esetében csak egyetlen bolygó van, azaz egyetlen elektron található; ennek az elektronnak a lehetséges pályáit pontosan ki lehet számítani. Az elektronnak ezzel a mozgásával azonban nyilvánvalóan valami módon összefüggésben kell lennie a hidrogénatom fénykibocsátásának. Ezt a „hogyant” akarja Bohr kideríteni.

Azt már régóta tudják, hogy a hidrogénatom csak egyes színképvonalakat, meghatározott frekvenciájú fényt bocsát ki, és 1885 óta ismeretes a Balmer-féle képlet, amelynek a segítségével ezeket a frekvenciákat pontosan ki lehet számítani. A képlet értelmét azonban eddig senki sem tudta elméletileg megmagyarázni. Az atom bolygórendszer modelljével most ezt a Balmer-képletet kellene értelmezni!

És Niels Bohr végrehajtja a csodát. Természetesen olyan feltevéseket is bele kellett vinnie a számításaiba, amelyek ellenkeztek az addigi elképzelésekkel. Feltételezi, hogy a klasszikus mechanika szerint lehetséges számtalan elektronpálya közül a hidrogénatom elektronja számára csak egyes, pontosan meghatározott pályák a „megengedettek”. A körbefutó bolygó-elektron nem sugároz ki folytonosan fényt, ahogyan annak a klasszikus elektrodinamika szerint lennie kellene, hanem csak akkor, amikor az egyik megengedett pályáról „kvantumugrást” végez egy másikra, amikor is a fény kvantumenergiája pontosan megegyezik az atom két — a kvantumugrás előtti és utáni — állapotának az energiakülönbségével. Bohr számításaiba tehát bevonul a Planck-féle hatáskvantum. Bohr zseniális ötlete, hogy ezt a fizika egészen más területéről származó fogalmat összekapcsolja az atom szerkezete és a fényemisszió (valamint abszorpció) törvényeivel.

A siker csodálatos: Nemcsak a Balmer-képletet kapjuk meg pontosan a spektrumvonalak szériáira, mint a számítás eredményét, hanem ebben a képletben szereplő úgynevezett Rydberg-állandót is — amelynek számértékét a spektrum segítségével nagy pontossággal, de tapasztalati úton határozták meg — könnyen és helyesen ki lehetett számítani olyan alapvető mennyiségekből, mint az elektron töltése, az elektron tömege, a Planck-féle hatáskvantum és a fény sebessége!

Ezzel tehát sikerült az első nagy betörés az atom elektronhéj szerkezetének titkaiba. Nyilvánvaló lett, hogy az optikai spektrum az atom titkos, de talán megfejthető önéletrajza. Természetesen a „Bohr-féle atommodell” belső ellentmondásai olyan értelemben még nagyok, hogy általában az a benyomásunk, mindez legjobb esetben is valami átmeneti lehet, átvezetés a következetes „kvantummechanikához” és „kvantumelektrodinamikához”. De a hidrogénatom számszerű eredményei itt vannak, azokat letagadni nem lehet, és a jövendő dolgokat is valahogyan Bohr gondolataira kell majd felépíteni.

Így mind az atommag, mind az elektronburok kérdésében a további fejlődés számára igen biztatók a kilátások. Ez a fejlődés azonban durván derékba törik. 1914 augusztusában kitört az első világháború. Az ellenfelekként szembenálló csoportokon belül ugyan még folynak kutatások, de csak olyan speciális területen, aminek hadi fontossága van. Az eszmék nagy áradata és a nemzetközi együttműködés megszakad. Az éppen hogy felvetett nagy kérdések nyitva maradnak.

*

1918-ban, amikor véget ért a háború, legelőször is sok fáradsággal újra meg kell teremteni a kutatások legelemibb feltételeit és nagy nehézségek közepette újra kell szervezni a szétszakadt kapcsolatokat. Mindennek ellenére már az első két évben két nagy jelentőségű felfedezés is születik, mindkettő Angliában, és mindkettő az atommaggal kapcsolatban.

Ernest Rutherford, aki most 48 éves, újra a békés kutatás felé fordul és folytatja egyik korábbi kedvenc munkáját. Gondolata a következő: vajon ezek a nagyenergiájú radioaktív alfa-részecskék, amikor egy atommagra csapódnak, képesek lennének a magot megváltoztatni? Persze az atommag rendkívüli kicsisége miatt nagyon ritkán fordulhat elő, hogy az alfa-részecske, amely mondjuk valamilyen gázban repül, éppen „eltaláljon” egy atommagot —, „célozni” pedig nyilvánvalóan nem lehet! De hiszen nagyon ritka eseményeket, egyes atomi részecskéket is ki tudunk mutatni kísérletileg. Rutherford tehát munkához lát — és rövid időn belül teljes sikert ér el. Alfa-részecskéknek nitrogénen való áthaladásakor egyes hidrogénatommagok — vagy ahogyan akkor nevezték: H-részecskék — jelentkeznek. Számos ellenőrző kísérlet alapján felismerik, hogy ezt az eredményt csak így lehet értelmezni: valamely alfa-részecskének (tehát héliumatommagnak) egy nitrogénmagra való centrális becsapódásakor a két mag egyesül, és ugyanakkor egy hidrogénmag repül ki. A megmaradó képződmény: oxigénmag.

Ezt a folyamatot sokszor „atomrombolásnak” nevezték, nem egészen helyesen, hiszen nem atomok, hanem atommagok vesznek benne részt, másrészt itt nincs szó semmiféle rombolásról, hiszen a keletkezett mag nehezebb, mint az eredeti.  „Magátalakulás” — mondják nemsokára helyesen. Ez a magátalakítás, amely Rutherfordnak 1919-ben sikerült, és amit gyors egymásutánban néhány más is követ, rendkívüli tudományos szenzáció. Nyilván már a radioaktív átalakulások is magátalakulások voltak, de olyanok, amelyekkel nem volt mit tenni, hiszen semmiféle külső beavatkozással sem lehetett befolyásolni. Itt azonban mesterséges magátalakulásokról van szó, egyik elemnek másik elemmé, nitrogénnek oxigénné való átalakításáról. És ha nem liternyi mennyiség, de még csak nem is egy köbmillimétemyi mennyiség, hanem mindössze néhány atom változott át, mégis itt most az alkimisták ősrégi álma, az elemek transzmutációja valósult meg elvileg!

Ezzel egészen nyilvánvaló lett — amit már önmaga a radioaktivitás is elárult, de még csak a radioaktív magokra vonatkozóan —, hogy az atommag egyáltalában nem a legutolsó, oszthatatlan építőkő, hanem ennek is többnyire belső átalakulásokra képes, tehát összetett struktúrájának kell lennie. A cél most már nemcsak az atom, hanem az atommag szerkezetének a kiderítése.

Ugyanerre a területre tartozik a második felfedezés is, amit Francis Aston, angol kutatónak köszönhetünk, egy évvel később, a cambridge-i Cavendish-laboratóriumban (ennek időközben Rutherford lett a vezetője). Aston Thomsonnak azon a háború előtti felismerésén indult el, hogy kétféle neon van, 20 és 22-es atomsúlyú (illetve magtömegű), tehát kétféle neon izotóp létezik. Kísérletéhez egy olyan készüléket szerkesztett, amely az ionsugarak elektromos és mágneses eltérítésével a sugár különböző súlyú ionjait nagyon pontosan szét tudja választani, így tehát a különböző izotópok szétválasztását is lehetővé teszi: ez az úgynevezett tömegspektrográf. Ezzel a berendezéssel hamarosan megállapítja, hogy a legtöbb elem — éspedig a közönséges, tehát nem radioaktív elem —, amit megvizsgált, valójában többféle izotópnak a keveréke.

És valami más is feltűnik Aston-nek: míg a kémiai atomsúlyok elég gyakran közel egész számok, de azért több esetben elég komoly eltérés van az egész számúságtól, addig az egyes izotópoknál az atom (vagy a mag) tömege, a 16-os oxigénre vonatkoztatva, igen nagy közelítésben egész szám (ma inkább a 12-es szénre vonatkoztatjuk a tömegeket, ez azonban a számértékekben csak egészen parányi változást okoz). A nem egész számú kémiai atomsúlyok olyképpen jönnek létre, hogy ezek az elemek különböző izotópok keverékei, amelyeknek viszont egész számú atomtömegük van. Új formában villan most fel Prout régi hipotézise: ő azt gondolta, hogy minden atom hidrogénatomokból van felépítve. A megfogalmazás most még élesebb: talán minden atommag hidrogénmagokból áll, ezekből a nyilvánvalóan legkönnyebb és legegyszerűbb atommagokból, amelyekre Rutherford éppen most ajánlotta a proton elnevezést.

Természetesen az elektromos töltéssel nem egyezik a dolog, mert pl. egy héliummagnak a tömege alapján 4 protonból kellene állnia, az oxigénmagnak 16 protonból, pedig az előbbi csak 2, az utóbbi pedig csak 8 elemi töltéssel rendelkezik. Lehetséges talán, hogy a magban a pozitív töltések egy részét elektronok semlegesítik, amelyeknek a tömegét egyáltalában észlelni sem lehet? A magnak protonokból (és hozzá még elektronokból) történő felépítése valóban a legegyszerűbb magyarázatát adja Rutherford átalakítási kísérleteinek, amelynél egy alfa-részecske becsapódására mindig pontosan egy proton repül ki az eltalált magból.

Ezek a gondolatok jelentik az atommag felépítése elméletének a kezdetét. Mindenesetre már jelentkeznek kételyek is. Elektronoknak a magban való jelenlétét — a béta-sugarakban jelenlevő és nyilván a magból kirepülő elektronok ellenére — különböző alapos megfontolások után kétségbe vonják. Mi tehát a magyarázat? Abban az időben — még mindig csak 1920-at írunk — néhány kutató, közöttük maga Rutherford is, azon a véleményen van, hogy talán létezik egy még fel nem fedezett, proton tömegű, de elektromos töltés nélküli részecske, egy bizonyos töltetlen proton.

Akkor pedig az atommagok részben töltetlen, részben töltött protonokból lehetnek felépítve.

A töltés nélküli, elektromosan semleges proton kezdetben természetesen tisztán a fantázia szüleménye. Ennek ellenére az amerikai Harkins már nevet is ad neki: neutron. És valóban, 12 évvel később a neutron valósággá válik! Ekkor azonban már nemcsak az atommag felépítésének lesz a szilárd bázisa, hanem az eseményeknek olyan örvénylését indítja el, amely az atombombához vezet.

*

Míg a fiatal atomfizika egy lélegzetvételnyi időre megállapodik, addig az atom elektronburkának a húszas években még mindig eléggé rejtélyes kérdései ragyogóan megoldódnak.

Bohr zseniális ötlete, amely az atom szerkezetét kapcsolatba hozta a Planck-féle kvantumelmélettel, a hidrogénatom esetében ugyan csodálatos sikereket hozott, konkrét kifejtésében azonban súlyos belső ellentmondásokat tartalmazott, amelyek megakadályozták az összefüggések mélyebb megértését. A klasszikus mechanika szerint lehetséges elektronpályákból egyeseket, mint egyedül lehetségeseket, járulékos „kvantumelőírások” (kvantálási szabályok) alapján válogatták ki. Így klasszikus és kvantumelméleti gondolatok keveredtek össze áttekinthetetlenül. Az elméletnek Sommerfeld és mások által történt továbbfejlesztése sem tudta ezeket a nehézségeket kiküszöbölni. Valóban megmutatkozott, hogy a Bohr-féle atommodellel csak a hidrogénatom — és bizonyos közelítéssel még az egyetlen messze „kint” fekvő elektronnal rendelkező alkálifématomok — esetében lehet a helyes számításokat elvégezni. De már a legközelebbi, valamivel bonyolultabb atom, a két egyenlő értékű elektronnal rendelkező hélium esetében hiába fáradoztak azon, hogy a kísérleti tapasztalattal egyező eredményt kapjanak.

Nyilván Bohr hipotézise csak durva, sok részletében még meg nem felelő vázlata egy helyes, mélyreható elméletnek, valamilyen következetes kvantummechanikának vagy kvantumelektrodinamikának, aminek egészen újfajta feltevésekből kell kiindulnia, valami egészen másból, mint amit a klasszikus mechanika és a klasszikus elektrodinamika évszázadok óta megszokott. Ilyen konzekvens elméletet megalkotni éppen azért volt olyan szokatlanul nehéz, mert igen sok ismeretlen dolgot többnyire intuitíven kellett megfogalmazni, még mielőtt egy logikailag kifogástalan és ellentmondásmentes matematikai formalizmust az atomvilág folyamataira kidolgoztak volna. Több mint egy évtizeden át ebben az irányban alig sikerült egy lépéssel is előbbre jutni.

A 20-as évek közepén azonban hirtelen döntő változás következik be. Ennek kezdetét de Broglie anyagi részecskékhez rendelt hullám-gondolatának a bevezetése jelenti — amiről már előbb is szóltunk. A hullám-korpuszkula kettősség, a fény esetében mint fényhullám-foton, már két évtizede beigazolódott, és most eléri az elekronokat is, ami láthatóan igen nagy hatással van az atom elektronhéjának elméletére is.

Valójában az elektronhéj problémája először egy sokkal absztraktabb oldalról oldódik meg egy különös matematikai forma, a mátrix-számítás alkalmazásával együtt. Heisenherg Göttingában, Dirac pedig Cambridge-ben, mindketten 1925-ben, különböző, lényegében azonban egyenértékű módon kidolgozzák az új kvantummechanika alapjait. A következő évben, tőlük függetlenül, Schrödinger — de Broglie anyaghullámaihoz kapcsolódva — „hullámmechanikájával” lép elő, ami tökéletesen más kiindulópontja ellenére matematikailag egyenértékűnek mutatkozik a „mátrix-mechanikával”, valamennyi kérdésre ugyanazt a feleletet adja, mint ez, csak más módon. Born és Jordan munkája nyomán azután az egész elmélet egységes és zárt formát nyer, amelyben Heisenberg és Schrödinger gondolatai már összeolvadnak. Ezt a fejlődést Heisenberg zárja le 1927-ben híres határozatlansági összefüggésével.

Nem egészen három év alatt új kvantummechanika született, most már nem a klasszikus és kvantumelméleti elemek egységesség nélküli konglomerátumaként, hanem mint egy önmagában zárt, tiszta kvantumelméleti törvényrendszer. Ez a klasszikus mechanikával csak olyképpen kapcsolatos, hogy a kvantummechanika törvényei elég nagy tömegű testekre, elég „durva” folyamatokra alkalmazva asszimptotikusan átmennek a klasszikus mechanika törvényeibe. A kvantummechanika tulajdonképpeni birodalma a parányi tömegű részecskék, az atomok világa.

Az új elméletet itt lehet igen sokrétűen alkalmazni — és itt találja meg ragyogó kísérleti bizonyítékát. A nemrég még meglevő nehézségek néhány éven belül tökéletesen eltűnnek. A héliumatomot pontosan ki lehet számítani, és ugyanezt meg lehet tenni — bár igen nagy matematikai fáradság árán — tetszés szerinti nehéz atomokkal is. Az atomok molekulákká összeállásának ugyancsak megtalálják az elméleti alapjait; ilyképpen az egész kémia elméleti oldaláról nézve bevonul az atomfizikába. Megismerik az atomok és a molekulák színképeit. A legfinomabb részletekig tisztázzák az elektromos és mágneses térhatását az atomokra és a molekulákra. Minden, ami az atomok vagy molekulák elektronhéjával van összefüggésben, alapjában véve kiszámítható lesz. Ezeknek a számításoknak a gyakorlati kivitelezése természetesen évtizedekre szóló programot jelent és részben — sokkal később

—    várni kell az elektronikus számítógépek bevezetésére, amelyek egy ember egy évig tartó számításait egy perc alatt elvégzik.

A kvantummechanikának és a kezdeteiben már éppen kirajzolódó kvantumelektrodinamikának óriási hatása van az egész fizikára. Nemcsak abban a tekintetben, hogy most sikerrel old meg olyan problémákat, amelyek eddig dacoltak minden elmélettel, hanem mindenekelőtt a teljesen új alapfogalmak, matematikai módszerek és gondolkodásmód bevezetésével. Az atomi részecske szemléletes képe, a „valahol van” és „valamely pályán mozog” most teljesen elveszett. Amennyiben egy atom elektronburkáról még egyáltalában valamilyen képet alkotni szabad, ez már csak valami elmosódott felhő; az egyes elektronok — amelyek még mindig minden atomban vagy ionban jól meghatározott számban vannak jelen — mindenütt vannak vagy sehol sincsenek. Vannak „durva” pályák, amelyeket az elektronok külső elektromos vagy mágneses térben közvetlenül megfigyelhető méretben írnak le, „elegendő” élesen ahhoz, hogy például ködkamrában vagy fotoemulzióban világos nyomot hagyjanak. De a pálya fogalmát az atomon belülre már nem lehet vinni. A Bohr-féle bolygó-modellnek tökéletesen vége van.

Valamit még el kell mondanunk az újonnan létrejött kvantummechanikáról: az atommag szerkezetére egyelőre nem lehet alkalmazni. Még azt sem tudjuk, milyen részecskékből épül fel ez a parányi képződmény, nemhogy azt tudnánk, milyen erők hatása alatt „mozognak” ezek az építőkövek.

*

1932-ben változik a helyzet. Eléggé zavaros előjáték után, amely két éven át tart, és amelyben először Bothe Berlin-Charlottenburgban, azután Párizsban Joliot és felesége Iréne, a híres Madame Curie lánya igen közel vannak a döntő felfedezéshez, végül is Cambridge-ben, a Cavendish-laboratóriumban Rutherford egyik tanítványa, az angol James Chadwick sikeres felfedezésre bukkan. Chadwick 1932. február 17-én a „Nature”-ben hírt ad arról, hogy felfedezte a neutront! Megtalálta a számos kutató részéről már korábban is sejtett töltés nélküli részecskét, amelynek tömege körülbelül megegyezik a proton tömegével (pontosabban: 1,4 ezrelékkel nagyobb annál), és ezt kísérletileg is minden kétséget kizáróan igazolta. Szabad állapotban bizonyos magátalakulásoknál jelentkezik, így például — amint azt Chadwick és előtte már Bothe és Joliot is tették — amikor berillium-magokat bombáznak alfa-részecskékkel. A folyamat egészen hasonló ahhoz, amit Rutherford 1919-ben az első magátalakításnál véghezvitt, csak ez esetben nem egy proton, hanem egy neutron lép ki az eltalált magból.

Most egy csapásra világossá válik: az atommag protonokból és neutronokból áll. Minden magban annyi proton van, ahány töltést hord a mag; a tömeg a protonok és a neutronok tömegének összegéből adódik. A normális oxigénmag például 8 töltéssel és 16-os tömeggel nyilván 8 protonból és 8 neutronból áll. Az oxigén 18-as izotópja (O¹⁸), amelynek tömege 18, 8 protonból és 10 neutronból tevődik össze. A normális uránmag, melynek töltése 92 és tömege 238 92 protonból és 146 neutronból áll. Az a tény is, hogy az egyes atommagok tömege, amelyeket most a tömegspektográf segítségével gyakran 6 tizedesjegynyi pontossággal lehet kísérletileg megállapítani, nem pontosan egyenlő a mag protonjai és neutronjai tömegének az összegével, hanem ennél valamivel kevesebb, egészen egyszerű, de nagyon érdekes magyarázatot nyer: a hiány, a mag „tömegdefektusa” az energia csökkenésének a kifejezése, ami az egyes részeknek közös atommaggá összeállásakor lép fel. Ez a mag kötési energiájának felel meg az Einstein-féle E = mc² egyenlet szerint, és lehetővé teszi, hogy a magátalakulások kötési energiáinak a különbségét közvetlenül mérni lehessen. A tömeg és energia ekvivalenciájának, ennek az alapvető összefüggésnek ez nagyon meggyőző kísérleti igazolása.

Az új felfogás szerint elektronok nincsenek a magba beépítve. A béta-sugarakban jelentkező elektronok többnyire az emisszió pillanatában jönnek létre a mag egyik neutronjának protonná való átalakulásakor, amikor is egy elektron keletkezik (ezzel az összes elektromos töltés nem változik meg), és — amint az később kiderült — egy további, egészen különös, elenyészően kis nyugalmi tömegű semleges részecske, egy neutrínó is jelentkezik.

Most, miután az atommag részeit már mind megismertük, megkísérelhetjük energetikai felépítésének elméletét is felvázolni. A kvantummechanika ehhez a munkához új utakat nyit meg. A körülmények azonban itt összehasonlíthatatlanul sokkal nehezebbek, mint az elektronburokban. Ott az elektronok az erős töltéssel rendelkező mag centrális hatása alatt állnak; egymás közötti kölcsönhatásuk ehhez képest csekély. Az atommagban azonban egészen más a helyzet. Benne nincs középpont, ahonnan kihat egy főerő. Az elektronburokban kizárólag elektromos erők játszanak szerepet, olyan erők, amelyeknek törvényeit már régóta pontosan ismerjük. Az atommag alkotórészeinek összetartását elektromos erők nyilvánvalóan nem okozhatják, mert az egyetlen elektromos erő a protonok között fellépő taszítás. Ezért a protonok és a neutronok között — egymás között is és kölcsönösen is — nagyon erős vonzóerőknek kell létezniük, amelyek ezenkívül csak rendkívül kis, billiomod milliméternyi távolságokban hatnak.

Ezeknek a „magerőknek” a törvényeiről kezdetben semmit sem tudnak; csak nagy fáradsággal, az atomok mérhető tulajdonságaiból következtetnek reájuk. Így jut lassan előre az atommag szerkezetének elméleti birtokbavétele. A magfizika fejlődését még hosszú időn át túlnyomórészt az új kísérleti eredmények határozzák meg.

Ez a helyzet egyébként csaknem lázas folytatás ellentétébe csap át. Már kevéssel a neutron felfedezése előtt, az 1931-es év két legutolsó napján, pontosan a magfizika csodálatos esztendejének beköszönte előtt Urey, amerikai vegyész bejelenti a „nehéz hidrogén”, a 2-es tömegű hidrogén izotóp felfedezését (a normális hidrogén tömege 1). Ezt az új elemet deutériumnak nevezi el, atommagját pedig, amely egy protonból és egy neutronból áll (tehát a legegyszerűbb összetett atommag!), deuteronnak. Ehhez járul majd később a (radioaktív) tricium, a még nehezebb hidrogén izotóp, amelynek atommagja, a triton egy protonból és két neutronból áll, tömege tehát 3.

Kevéssel a neutron felfedezése után, ugyancsak a Cavendish-laboratóriumban, Cockcroft és Walton sikerrel fejezik be több mint két év óta tartó kísérleteiket. Nagyfeszültségű berendezéssel kisülési csőben néhány százezer voltra gyorsítottak fel protonokat, és ezzel bombázták az anyagot. Így először sikerült magátalakulást előidézniük mesterségesen gyorsított lövedékkel. Most már nem szorulnak rá a természet részéről oly fukaran szolgáltatott alfa-részecskékre! Mesterségesen tudnak protonokat, deuteronokat, vagy héliummagokat, később nehezebb ionokat is felgyorsítani és mint atomi lövedékeket alkalmazni. Igaz, hogy Cockcroft és Walton csak fél MeV energiákat értek el az alfa-részecskék 4—9 MeV energiájával szemben. De már csak hónapok kérdése és ez a fogyatékosság is eltűnik.

Kaliforniában, Berkeleyben ugyanis már két éve foglalkozik Ernest Lawrence egy új készülék megszerkesztésén, amelynek a töltött részecskéket kell igen nagy energiára felgyorsítania anélkül, hogy ehhez magas elektromos feszültségre volna szükség. A részecskéknek, amelyek ebben a készülékben kör vagy spirális pályán futnak körbe, minden körbefutásnál kétszer is lökést ad az elektromos tér úgy, hogy ezek a részecskék fokozatosan igen nagy energiára tesznek szert. Lawrence a készüléket ciklotronnak nevezte el. Az első kísérleti modellel 80 000 eV-ig jutott el, 1931 végén már túllépte az egymillió elektronvoltot, 1932 végére pedig elérte az 5 MeV értéket. A közepes alfa-részecskék energiáját tehát sikerült megvalósítani, és ezzel a magátalakulásoknak új, széles területe nyílt meg. Azt, hogy nem egészen 30 évvel később a ciklotronból továbbfejlesztett berendezésekkel a protonokat 30 000 MeV-ra is fel lehet majd gyorsítani, még Lawrence sem sejtette.

Az 1932-es év még egy szenzációt hozott: Anderson Pasadénában — kezdetben a kozmikus sugárzásban, nemsokára azonban a laboratóriumban is — egészen új részecskét talál, amit Dirac az elmélet alapján már jóval előbb megjósolt: az elektron pozitív ellenpárját, tehát ugyanolyan tömegű, pontosan ugyanakkora, de pozitív töltésű részecskét, mint az elektron. Ezt a részecskét pozitronnak nevezte el. Ez volt az első képviselője azoknak a részecskéknek, amelyeknek a mélyebb jelentőségét csak sokkal később ismerték fel: ez volt az első antirészecske. Részecske-antirészecske pár, itt mint elektron-pozitron pár, többnyire együtt jönnek létre és együttesen ismét el is tűnnek, amikor is energiájuk nem vész el, hanem — mint például az elektron-pozitron esetében — gamma-kvantum formájában marad vissza. Itt a gamma-sugárzásból történő párképződésben a sugárzó energia matériális részecskékké való nagy jelentőségű átalakulása előtt állunk, egy részecske pár „szétsugárzásában” pedig a fordított folyamat megy végbe: matériális részecskék alakulnak át sugárzó energiává.

Az új felfedezések eme lavinájának nagyszerű lezárása — vagy akár azt is mondhatnánk: egy még izgalmasabb korszak kezdete — jó egy esztendővel később, 1934 januárjában meghozza a mesterséges radioaktivitás felfedezését. Ez alkalommal a Joliot-Curie házaspár Párizsban több szerencsével dolgozott, mint a neutron körüli harcban. Igen gondos vizsgálataik során, amikor is anyagnak alfa-részecskékkel való bombázásánál termékként a nemrég felfedezett pozitron jelentkezett, legnagyobb meglepetésükre azt találták, hogy az ilyenféle magátalakulásoknál nem kapnak mindig stabil magot, hanem némely esetben radioaktív magokat is, amelyek a radioaktivitás ismert törvényei szerint sugárzás (az első vizsgált esetben pozitron-sugárzás) közben tovább bomlanak. Így találnak rá Joliot-ék egy radioaktív alumíniumra, egy radioaktív bórra és egy radioaktív magnéziumra. Ezeket az anyagokat kémiai módszerekkel azonosítani is tudják.

Igen nagy jelentőségű az a felismerés, hogy a közönséges elemek — és rövid idő után kiderül, hogy kivétel nélkül valamennyi — radioaktív izotópokkal rendelkeznek, és hogy ezeket az izotópokat mesterségesen, magátalakításokkal, besugárzásokkal lehet létrehozni. A radioaktivitást, eddig a legnehezebb elemek különleges tulajdonságát tehát ki lehet terjeszteni az elemek egész birodalmára! Kezdetben ugyan csak kevés ilyen anyag van, Joliot-ék kísérleteinél csak három, de számuk nemsokára 20, majd 100, végül sok száz lesz; ma az ismert radioaktív magok száma már megközelíti az ezret.

A 30-as évek legelején néhány esztendő az atommag birodalmában az új kísérleti eredmények egész áradatát tárta elénk. És ez még mindig csak előkészület a még hatalmasabb eredményekhez.

Az elmúlt évek az új ismereteknek olyan bőségét árasztották, hogy szinte alig látják merre kell továbbvezetni és belőlük következtetéseket levonni. Különösen a mesterséges radioaktivitás felfedezése adott új eszméket a kutatás számára. Miféle különböző radioaktív anyagokat lehet mesterségesen előállítani? Miféle különböző sugárzások lépnek fel eközben? Milyen különféle lövedékrészecskék hatásosak a magátalakulásoknál, amelyek ezeket a mesterséges radioaktív izotópokat eredményezik?

Az hamarosan kiderül, hogy a neutronoknak itt különösen fontos szerepük van. Ezeknek a neutronoknak ugyanis, mint töltés nélküli részecskéknek nem kell főleg a nehéz atommagoknál meglevő igen erős elektromos taszító erőket legyőzniük, mint mondjuk az alfa-részecskéknek vagy a protonoknak. A neutronok még elég alacsony energiával is egyszerűen be tudnak csúszni a legnehezebb magokba és ott átalakulási folyamatot indíthatnak meg. Így a további fontos eredményekhez ezek a neutronok vezetnek el.

A nehéz atommagoknak neutronnal való bombázásával mindenekelőtt két kutató foglalkozik: Otto Hahn Berlin-Dahlemben, aki — mint annak az időnek minden jelentős magkutatója — Rutherford tanítványa volt, s akinek számos eredménye, felfedezése nyomán már ismert neve van, továbbá Rómában a fiatal, olasz Enrico Fermi, aki egészen kezdő ezen a területen. És csodálatosképpen az első menetet a kezdő nyeri meg! Rövid időn belül Fermi arról értesíti a tudományos világot, hogy sikerült néhány nehéz elemet neutronok segítségével átváltoztatnia, sőt — és ez ennek a kísérletnek a szenzációja — a természetben előforduló legnehezebb magot, a 238-as urán magját fokozatosan fel tudta tölteni néhány neutronnal, és így még nehezebb elemeket, transzuránokat állított elő mesterségesen.

Hahnnak nem marad más hátra, mint ezt a kísérletet megismételni és igazolni. A transzuránok létezéséről ő is meg van győződve, minthogy azok a radioaktív anyagok, amelyek az uránnak neutronokkal való bombázásánál létesültek, csaknem egészen bizonyosan így voltak értelmezhetők. Amikor a dolog már annyira világosnak látszott, mint ahogyan annak idején az egyáltalában lehetett, Fermi ismét újabb problémák felé fordul. A transzuránok biztosak — gondolta. Nem is sejtette, hogy ez az egész transzurán ügy — tévedés (néhány évvel később majd valóban felfedezik a transzuránokat), és hogy a nyert anyagok mögött, amelyeket ő igazoltnak látott, valami még jelentősebb dolog rejtőzik, a szó igazi értelmében véve világot rengető felfedezés, ami mellett ő is, és egyelőre Hahn is hajszálnyi közelségben ment el.

De most néhány apró zavar jelentkezik. Ezek arra ösztökélik Hahnt, hogy újból és fokozott gondossággal felülvizsgálja ezeket a jelenségeket. És most olyasmit talál, amit alig akar elhinni, annyira ellentmond minden eddigi tapasztalatnak: a kérdéses anyag egyik bomlásterméke, amit eddig mindig rádiumnak gondoltak, minden kétséget kizáróan báriumnak bizonyul. A bárium azonban nem néhány egységgel könnyebb csak az uránnál — mint a rádium —, hanem körülbelül csak fele olyan nehéz. Ha viszont bárium képződött, akkor az uránmagnak két nagyobb darabra kellett széttörnie, tehát hasadnia kellett!

Rendkívül szubtilis kísérletek nagyon valószínűtlen eredménye! Ennek ellenére Otto Hahn és Fritz Strassmann híres értekezése, amely 1938. december 22-én a Naturwissenschaftenben jelent meg, nem sejtett következményekkel járt. Az uránhasadás felfedezésének mérhetetlen következményeit gyorsan megismeri a világ. Az uránhasadásnál ugyanis — mint az néhány hónappal később nyilvánvaló lett — további neutronok válnak szabaddá, amelyek mint „lövedékek” ismét újabb uránmagokat hasítanak szét. Így alapjában véve elgondolható egy „láncreakció”, amelynél néhány kezdeti neutronból kiindulva, lavinaszerűen a neutronok óriási tömege keletkezik, ennek megfelelően óriási tömegű uránmag kerül széthasitásra, és ezzel együtt rendkívül nagy energiamennyiség szabadul fel.

A magfolyamat, amely mindig csak olyan parányi mennyiségben játszódott le, hogy gyakorlati felhasználásra soha senki még csak gondolni sem mert, most — igaz, hogy egyelőre még csak elméletben — komoly lehetőséggel kecsegtet. A gondolat láthatárán atommag erőművek emelkednek, amelyekben 100 tonna szén helyett néhány kilogramm uránból állítják elő az áramot egy egész város számára. De nemcsak erőművek jelentkeznek a látomásokban. A mérhetetlen energia, amely a maghasadásnál nagy mennyiségben szabaddá válik, robbanásszerűen kiszabadulva szükségképpen beláthatatlan pusztítást is okozhat. Megszületik egy szó, amely megfagyasztja a vért az erekben: atombomba.

*

És éppen akkor, amikor mindez egészen világosan kirajzolódik, 1939. szeptember elsején kitört a háború.

*

Az események tragikuma, hogy az emberiség éppen abban a pillanatban kapta kézbe az atommag óriási energiájának a kulcsát, amikor megkezdődött minden idők legkedvetlenebb háborúja. A háborúban minden gondolat, minden kutatás a hadi felszerelésre irányult, új fegyverekre, a megsemmisítés új eszközeire. Az uránhasadást is ennek a célnak a szolgálatába kellett állítani. A továbbfejlődés célja ekkor csak az atombomba megvalósítása lehetett.

Az ilyen fejlődés természetesen nem megy egyik évről a másikra. Azelőtt többnyire évtizedekre volt szükség egy új felfedezés első laboratóriumi kísérleteitől a gyakorlati felhasználásig. Most különösen nehéz volt a helyzet, minthogy a kutatók előtt hatalmas ismeretlen terület állott, amit lépésről lépésre akartak meghódítani, még mielőtt — esetleg — a technikai vívmányok felé szabaddá lenne az út.

Hatalmas erőfeszítések és óriási anyagi eszközök bevetése ellenére is az Egyesült Államoknak kereken öt évre volt szüksége, amíg célhoz ért: 1945. július 16-án kora reggel, csak néhány beavatott megfigyelése mellett robbant az első kísérleti bomba Alamogordo sivatagjában, összesen három készült. A másik kettőt néhány héttel később Hirosimára és Nagaszakira dobták le.

Az atombomba megszerkesztése öt év alatt — tisztán műszakilag nézve is rendkívüli teljesítmény — természetesen egész sor új tudományos felismerést is hozott, ami nem háborús célok szemszögéből nézve igen nagy jelentőségű, a háború alatt azonban mint „haditit.ok” csak néhány beavatott előtt volt ismeretes. A háború befejezése után, amikor ezeknek a tudományos titkoknak jelentős része nyilvánosságra került, az érdekes eredmények tömegét tárta a világ országainak kutatói elé, és ezek az eredmények rögtön a további kutatás és technikai előretörés kiindulópontjai lettek.

Neveztesen az egész világ megtudja, hogy az atommagból ipari célra szolgáló energia szabályozott termelése alapjában véve már megoldott probléma, és 1942. december 2. óta az első „reaktor” már üzemben is van. Ezt Chicagóban Enrico Fermi vezetésével, fizikusok építették meg. Fermi emlékezetes neutron-kísérlete annak idején az események meglepő sorát indította el, és ő időközben az Egyesült Államokba emigrált. Megtudja továbbá a világ, hogy később Oak Ridge-ben 100 kW-os, majd Washington államban a Columbia folyó melletti Hanford Művekben egy körülbelül egymillió kW-os összteljesítményű reaktor létesült, amelynek energiáját mindeddig felhasználatlanul a folyó vizébe vezették, minthogy a reaktor kizárólag az atombomba gyártáshoz szükséges plutónium előállítására szolgált. Erőművé való átalakítása azonban — mihelyt ez szükséges lett — már nem okozott nehézséget: a hulladék-hőt gőz előállítására fordították és vele gőzturbinákat hajtottak meg.

A szörnyű háború végén az emberiség közvetlenül egy teljesen új helyzet előtt, az atomkorszak kapujában áll. Az atomerőmű elérhető közelségbe került — a bomba pedig már készen van.

*

Kezdetben „közönséges” atombombákat robbantanak, amilyen a hirosimai volt, azután „tökéletesítetteket”, végül pedig egészen más elvi alapon szerkesztett hidrogénbombákat. Amíg a közönséges atombombában a 235-ös urán vagy a 239-es plutónium izotóp mag hasadása szolgál energiaforrásul, addig a hidrogénbombában a legkönnyebb atommagok, mindenekelőtt a nehéz-hidrogén, a deutérium magok egybeolvadása, fúziója. Amíg az uránhasadást békés célokra is fel lehet használni, és fokozódó mértékben fel is használják — itt-ott ténylegesen már erőművek nőnek ki a földből és kapcsolódnak be a nagy elektromos hálózatok energiaszolgáltatásába — addig a hidrogén-fúzió egyelőre csak robbanás formájában áll rendelkezésünkre. A fúziót az ipari energiatermelés szolgálatába állítani, ez első feladata az óriási kutatási programnak. De a hallatlan nehézségek miatt, amelyeket le kellene győzni — a fúzió megvalósításához százmillió fokos gáz hőmérsékletet kellene elérni és fenntartani — csak nagyon lassan halad előre a megoldás.

Azért ez a viszonylag rövid időköz, ez a nem egészen két évtized, ami a háború végétől elválaszt bennünket, számos egyéb tudományos eredménnyel dicsekedhet. Minden lehetséges területen meglepő új fejlődés mutatkozik, ami a további fizikai kutatásnak ismételten új színt ad.

A háborúban megszületett radar-eljárás a mindinkább rövidebb rádióhullámok felderítéséhez vezet el, a centiméteres, milliméteres hullámokhoz, végül pedig lehetővé teszi a tized-milliméteres hullámok birodalmába való betörést is. Ezek a mikrohullámok a tudomány számára igen értékesek. Lehetővé teszik a molekulákban és a kristályokban a legfinomabb atomi energiakülönbségek hihetetlen pontosságú megmérését, és mély bepillantást engednek a kristályok és molekulák energetikai viszonyaiba, szinte a legvégső finomságokig. Az atom- és molekula-óra még pontosabb alapra helyezi az időmérést, velük megvalósítható a jó öreg Föld nem egészen szabályos forgásának az ellenőrzése is.

A félvezetők tulajdonságainak rendszeres felderítése csodálatos alkalmazásokat varázsol elő. A tranzisztorral egy olyan erősítőféleséget valósítanak meg, amely kisebb energiát, kisebb helyet és súlyt igényel, mint az elektroncső, amit e területen korábban kizárólagosan használtak. A félvezetőket egyenirányításra is fel lehet használni, sőt még fényelemként is, amely a Nap sugárzó energiáját közvetlenül felhasználható elektromos energiává alakítja át.

Az elektronikus számítógépek megépítése — legújabban főleg tranzisztorok alkalmazásával — a matematikusok és fizikusok kezébe olyan eszközt adott, amely a számolási műveleteket hihetetlenül rövid, néha kevesebb mint tízmilliomod másodpercnyi idő alatt végzi el. Ezt az elektronok csaknem teljesen tehetetlenségtől mentes reagálása teszi lehetővé. A számító automatákat úgy kell tekinteni, mint az automatizálás általános láncának egy tagját, amely az emberi izomerőt és szellemi munkát mind fokozottabban takarítja meg, gépekkel, technikai rabszolgákkal helyettesíti, és nemcsak az ipari termelésben, hanem a kutatásban is a módszerek tényleges forradalmát idézi elő.

A rakétatechnika fejlődése az automatizálással együtt az emberiség régi álmát is megvalósítja, lehetővé teszi bolygójának nehézségi erejéből való kiszabadulását — először ember nélküli mesterséges holdakkal, amelyek automatikus műszereket visznek magukkal és új értesüléseket szereznek a világűrről. — Földünk körül, messze kint néhány tucat parányi mesterséges hold kering, közülük néhány már a Naprendszerbe tört előre. A Hold kénytelen volt túlsó oldalát is felfedni, ami korábbi véleményünk szerint számunkra örök titok volt. Végül 1961. április 12-én űrhajójában 90 perc alatt az első ember is megkerülte a Földet.

Ebben a rövid két évtizedben az atommag birodalma is alaposan bővül és fejlődik. A magfizika önálló tudományág lesz. Az atommag szerkezete — kezdve azzal a felismeréssel, hogy protonokból és neutronokból áll, és hogy minden atommag ezekből van felépítve —, mind kísérleti, mind elméleti oldalról a legvégső finomságokig ismeretessé válik, bár a nehézségek itt sokkal nagyobbak voltak, mint annak idején az atom elektronhéjának esetében.

A mesterséges transzuránok sora a 92-es rendszámú uránon túl a 103-as rendszámig bővül; az atomsúlyok a természetes urán 238-as atomsúlyával szemben a 257-et is elérik. A természetes elemeknek mind több és több radioaktív izotópját fedezik fel, és részletesen tanulmányozzák ezek sugárzását is.

A mag tömege mellett most már mérni tudják a mag spinjét, azaz mechanikai forgási impulzusát, mágneses dipólus momentumát, valamint elektromos kvadrupólmomentumát is, részint meglepően nagy pontossággal, továbbá még néhány tulajdonságát, mint például a „paritás” vagy az „izospin”, amelyek a nehéz elméleti formulákkal olyan szoros kapcsolatban vannak, hogy róluk itt közelebbit már nem mondhatunk.

Tanulmányozzák a legkülönfélébb magfolyamatokat, amelyeknek a száma már ezrekre nő, „közönséges” folyamatokat, hasadást, sok töredékrészre való szétrepesztést. Igen változatos a „lövedékek” sora, mint pl. protonok, neutronok, deuteronok, alfa-részecskék, nehezebb ionok, egészen a neonig, végül pedig növekvő mértékben gamma-kvantumok.

Az atomok „gerjesztett állapota” és ennek összefüggése a belőlük kibocsátott karakterisztikus gamma-sugárzással, amelynek kvantumenergiáját nagy pontossággal tudjuk megmérni, fontos része lett a magfizikának. A mag-gammasugarak vonalas spektrumai hasonló módon derítenek fényt az atommag szerkezetére, mint korábban az optikai spektrum-vonalak az atom elektronhéjának a szerkezetére. Emellett a gamma-vonalak rendkívül élesek; a legújabb időkben az ún. Mössbauer-effektus útján lehetővé vált bizonyos gamma vonalaknak a maguk természetes élességében való megmérése és ezzel parányi frekvenciaváltozások kimutatása — például azoknál a gamma-kvantumoknál, amelyek a Föld nehézségi erőterében felfelé vagy lefelé futnak —, a frekvenciaérték ezerbilliomod részénél is kisebb bizonytalansággal: ez a mérési pontosság sok nagyságrenddel haladja meg az egész fizika valamennyi eddigi mérési pontosságát.