Kun katsoo vaikka kiveä, on vaikea ymmärtää, että se on suurimmaksi osaksi tyhjää. Tieteessäkin ajatusta oli vaikea sulattaa.


Tieteessäkin ajatusta oli vaikea sulattaa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Aine koostuu atomeista, jakamattomista perusosasista, jotka kieppuvat tyhjyydessä toisiinsa törmäillen. Näin päättelivät antiikin Kreikassa Leukippos ja Demokritos.

Jos siis aine koostuu osista, siinä pitää olla myös osasten välistä tyhjää tilaa. Tämän hyväksyminen oli ratkaiseva askel kohti aineen ymmärtämistä. Leukippos ja Demokritos tunnetaan atomien isinä, mutta he olivat samalla myös tyhjyyden isiä.

Kun luonnontieteen tutkimus uuden ajan alussa heräsi eloon, tyhjyyden mahdollisuus tyrmättiin niin pienessä kuin suuressakin mitassa. Eräät filosofit, vaikutusvaltainen René Descartes etunenässä, olivat tietävinään, että tyhjä avaruus on jo pelkkänä ajatuksena mahdoton. Tyhjyys on "ei mitään", eikä "ei mitään" voi olla olemassa.


Avaruuden täytti eetteri

Jotkut luonnontieteilijät yrittivät kyllä väittää ilmanpaineen pienenemisen ylemmäksi noustessa merkitsevän sitä, että jossain kohtaa ilma loppuu ja alkaa tyhjä avaruus. Painemittarin lasiputkeenkin näytti syntyvän tyhjiö, kun elohopean pinta laskeutui sen sisässä ilmanpaineen määräämälle tasolle. Mutta Descartesin filosofin ja matemaatikon sana painoi enemmän: tyhjyyttä ei ole olemassa, aine on luonteeltaan jatkuvaa.

Descartesin mukaan avaruuden täytti näkymätön aine, eetteri. Tavallinen aine muodostui tämän eetterin tihentymistä, pyörteistä.

Eetteriteoriasta tuli yleisesti hyväksytty oppi. Vasta kun fyysikot ja kemistit parisataa vuotta myöhemmin aloittivat aineen järjestelmällisen kokeellisen tutkimisen, aineen atomirakenne alkoi pikkuhiljaa paljastua ja eetteri sai väistyä.


Kemistit keksivät atomin

Englantilainen kemisti John Dalton toi atomit takaisin luonnontieteisiin. Hän esitti 1805, että kemiallisten reaktioiden systematiikka on selitettävissä olettamalla alkuaineiden koostuvan alkeellisista osista, atomeista.

Kunkin aineen atomeilla on niille tunnusomainen massa. Kemiallisessa reaktiossa atomit muodostavat molekyylejä - ajateltiin, että niissä on ikään kuin koukkuja ja lenkkejä, joiden avulla ne kytkeytyvät toisiinsa.

Fyysikot eivät aluksi pitäneet Daltonin atomiteoriaa uskottavana saati hyödyllisenä. Niitä harvoja, jotka väittivät toista, arvosteltiin ankarasti.

Eräs johtava fysiikan lehti kielsi Ludwig Boltzmannia kirjoittamasta atomeista ja molekyyleistä muina kuin pelkkinä teoreettisia tarkasteluja helpottavina oletuksina. Boltzmann oli kehittänyt  kaasuille tilastollisen teorian, joka oli ensimmäinen merkittävä aineen mikrorakenteeseen perustuva fysiikan teoria.


Einstein antoi tukea

Albert Einstein oli atomipuolueen innokas kannattaja. Hän sai fyysikkokunnan lopulta hylkäämään eetterin ja uskomaan, että atomit ja molekyylit ovat aineen todellisia osia, eivät pelkkää teoreettikkojen kuvittelua.

Einstein julkaisi 1905 tutkimuksen molekyylien törmäyksistä nesteessä uiskenteleviin pieniin ainehiukkasiin. Kun tällaista hiukkasta tarkastelee mikroskoopilla, sen huomaa tekevän satunnaista siksakliikettä. Ilmiö oli tunnettu jo pitkään, mutta kukaan ei osannut selittää sitä. Einstein väitti liikkeen johtuvan molekyylien törmäyksistä hiukkaseen ja perusteli väitteensä Boltzmannin tilastollisen teorian avulla.

Silloin tällöin - Einstein laski kuinka usein - hiukkasen toiselle puolelle iskeytyy huomattavasti enemmän molekyylejä kuin vastakkaiselle puolelle ja hiukkanen saa kovan potkun enemmistön määräämään suuntaan. Tämä selittää hiukkasen poukkoilun.

Tarkat mikroskooppiset mittaukset varmistivat pian Einsteinin laskelmat oikeiksi. Myös atomien ja molekyylien koolle pystyttiin näiden mittauksien perusteella esittämään arvio, kuten Einstein oli ennakoinut.


Atomista irtosi osia

Atomi tarkoittaa kreikan kielessä jakamatonta, mutta fyysikot saivat huomata, etteivät atomit olleet nimensä veroisia. J. J. Thomson tutki niin sanottuja katodisäteitä eli sähkökentän metallista irrottamia hiukkasia ja päätteli niiden olevan atomin osia, elektroneja. Tämä tapahtui jo 1897. Samoihin aikoihin löydettiin  uraanin lähettämä beetasäteily, jossa myös on kyse elektroneista.

Aineesta tiedettiin irtoavan myös isompia osia. Ernst Rutherford huomasi, että eräät radioaktiiviset aineet lähettävät beetasäteilyn lisäksi heliumia, toiseksi kevyintä alkuainetta. Hän kutsui tätä säteilyä alfasäteilyksi.

Säteilyn ominaisuuksia selvitettiin tutkimalla, miten alfahiukkasten kulku muuttuu, kun ne ammutaan ohuen metallikalvon läpi. Tehtiin yllättävä havainto: suurella nopeudella metallikalvoon osuvat hiukkaset ponnahtivat silloin tällöin takaisin tulosuuntaansa.


Aine keskittyi ytimeen

Rutherford päätyi eri vaihtoehtoja tutkittuaan siihen, että atomissa on kova ydin, johon lähes kaikki atomin aine on keskittynyt. Kun jotkin alfoista sattuivat osumaan tähän pieneen mutta raskaaseen ytimeen, ne kimposivat siitä takaisin kuin jalkapallo maalitolpasta.

Heti ei huomattu, että aineen rakenteen selvittämisessä oli tehty suurin edistysaskel sitten muinaisten kreikkalaisten atomihypoteesin.

Atomi koostuu pienestä ytimestä ja ydintä tuhansia kertoja kevyemmistä elektroneista sekä suunnattomasta määrästä tyhjää tilaa niiden välillä. Jos ydin olisi jalkapallo, hiekanjyvän kokoiset  elektronit kiertelisivät sitä satojen metrien etäisyydellä.

Tätä kuvaa ei alkuun pidetty uskottavana. Ongelma oli atomin pysyvyys: miten moinen hutera rakennelma voisi säilyä ehjänä ja muodostaa kiinteää ja kovaa ainetta, kuten kiveä ja rautaa? Eikö sittenkin uskottavampi ollut esimerkiksi Thomsonin esittämä malli, jossa atomit olivat umpiaineisia palloja, vaikka se ei näyttänytkään selittävän alfahiukkasten siroamista taaksepäin.

Kiistelty näkemys atomin rakenteesta sai pian tuekseen uuden teoriaan, kvanttimekaniikan - josta niin ikään kiisteltiin alkuun. Se kuitenkin selitti mainiosti, miksi atomi on pysyvä, vaikka on tyhjää täynnä (ks. s. 36).


Jukka Maalampi on Jyväskylän yliopiston fysiikan professori.

Sisältö jatkuu mainoksen alla