Kui füüsikas seniõpitu üle lähemalt järele mõelda, tuleb tunnistada, et maailma asjade ja nähtuste uurimine on meil toimunud enamasti nähtumuse tasemel – nii nagu asjad ja nähtused meile parajasti paistavad, nii nagu me neid oma meeltega tunnetame. Loomulikult oleme kasutanud selleks abivahendeid, sest uurida näiteks elektrivoolu ainult oma meelte abil oleks ohtlikuvõitu…
Valgusõpetuses uurisime valguse omadusi ning saime valguse kohta teada palju olulist, praktilist ja huvitavat, ilma et meil oleks vaja olnud mingitki teavet valguse olemusest. Valgusõpetuse osa lõpus on vaid kümmekond rida selle kohta, et valgust on peetud nii osakeste vooks kui ka laineteks. Alles 20. sajandi alguses kujunema hakanud kvantfüüsika näitas, et valguse juures esinevad need omavahel vastuolulised omadused korraga. Ja sellest on juba üsna raske aru saada.
Mehaanikat, õpetust kehade liikumisest, võib samuti arendada kaugemale, kui seda on tehtud meie õpikutes, teadmata samas midagi aine siseehitusest. Kui järele mõelda, on ju mehaanikas käsitletavate jõudude päritolu üsna salapärane, sellele vaatamata opereeritakse nendega täiesti endastmõistetavalt. Mingil määral toob jõudude olemusse selgust raskusjõud.
Ent ega mehaanika nende jõudude päritolu ja liikuvate kehade siseehituse üle nii väga ei muretsegi – see on mehaanikaväline probleem, mis ei kuulu üldse mehaanika kompetentsi. Täpselt samuti oli valgusõpetuski sisuliselt vaid geomeetriline optika, mis tugines valguskiire mõistele. Sellise valgusõpetuse jaoks on valguse sisemine olemus väline probleem. Meie aga tahaks veidi rohkem teada.
Akustika, heliõpetus, toob sisse mõisted võnkumine ja laine. Need nähtused on omased mingile keskkonnale, kus võnkumine või laine levib (enamasti õhus). Nimetatud mõistete sissetoomisel kasutati omakorda täpsemalt määratlemata osakese mõistet. Ja päris kindlalt võib ka akustikat arendada ilma eriliste teadmisteta aine süvastruktuurist.
Elektriõpetuses, selles suuremas ja tähtsamas füüsika osas, on juba olulisem teada, et elektrinähtused tulenevad laetud osakeste, enamasti elektronide liikumisest. Lisaks elektriõpetuse saatesõnale on seda ka tekstis elektrinähtuste selgitamisel korduvalt rõhutatud.
Soojusõpetus, (selle õpiku kolm esimest peatükki), on ehk selline füüsika osa, kus aine osakestest koosnemise hüpoteesi kasutatakse kõige rohkem. Selle asjaolu rõhutamine annab igal sammul sisemist ja loogilist toetust nähtavatele ja tajutavatele asjadele ja nähtustele.
Aatomi ehitusega (selle õpiku kaks viimast peatükki) jõuame oma füüsikakursuses esmakordselt tervenisti 20., möödunud sajandisse, kui mitte arvestada 19. sajandi pärandit, s.t selle viimastel aastatel avastatud elektroni ja radioaktiivsust. Kuigi eelmistes osades on füüsikat esitatud moderniseeritud kujul, rakendatuna tänapäeva maailmas, meie endi olmes, siis päris kindlasti on enamik füüsikaseadusi pärit varasematest sajanditest. Aatomi ehitusega tutvudes aga jõuame kohe üsna alguses täiesti uude maailma.
See piirkond, kus toimub esemete ja nähtuste sügavam ühtlustamine (molekulide, aatomite ja veelgi väiksemate osakeste maailm ehk mikromaailm, nagu seda vahel ka nimetatakse), on igapäevaelu maailmaga kohanenud inimmeelte jaoks raskesti tajutav. Žiletitera paksust (0,1 mm = 10–4 m) tuleb veel kuus korda kümnega jagada, alles siis saame aatomimaailma iseloomuliku pikkuse, „aatomimeetri” 1 ongström (Å) = 10–10 m, aatomituumadeni jõudmiseks tuleb veel viis korda kümnega jagada, alles siis saame „tuumameetri” 1 femtomeeter (fm) = 10–15 m. On ka päris loomulik, et see maailm erineb oluliselt varem käsitletust ja ei tohiks olla üllatav, et mikromaailmas kehtivad hoopis uued arusaamad ja seaduspärasused.
Meie ise aga seisame oma meetriposti juures (100 m = 1 m) ja püüame hoomata seda kõiksuse hiigelulatust. Soovime selleks sulle, noor õppur, huvi ja nutikust.
Mis on aatom?
Selleks, et aru saada, millega me selles õpikus kokku puutume, toome kõigepealt ära Ameerika tuntud füüsikateoreetiku Richard P. Feynmani (1918–1988) kirjutise „Mis on aatom?"
Asjade ja nähtuste ühtse ja sügavama mõistmise aluseks, mille poole inimene on püüelnud, on alati olnud arusaamad aine ehitusest. Esimesed enam-vähem selgelt sõnastatud seisukohad öeldi välja juba väga ammu, üle 2000 aasta tagasi Vana-Kreekas. Põhilisi seisukohti oli kaks – ained on kas lõpmatuseni peenestatavad nii, et järjest väiksematesse tükikestesse kanduvad edasi ikka ühed ja samad omadused, või siis koosnevad lõpuks mingitest ühtsetest jagamatutest algosakestest, aatomitest (kr atomos – ‘jagamatu’). Tol ajal polnud mingit võimalust otsustada ühe või teise seisukoha kasuks, need jäid lihtsalt oletusteks.
Esimesed teaduslikult põhjendatud ettekujutused aine ehitusest tekkisid 19. sajandi keskpaiku, kui keemias kujunesid välja mõisted molekul ja aatom. Molekul on aine, keemilise ühendi väikseim osake, millel on veel selle aine iseloomulikud omadused. Molekul koosneb aatomitest, mis kujutavad endast keemiliste elementide väikseimaid osakesi. Aatomeid uurides jõudsid keemikud ja füüsikud möödunud sajandi lõpuks üksmeelsele arusaamisele kahes küsimuses, mis on meie jaoks edaspidi erakordselt tähtsad, kuid millel me siiski pikemalt ei saa peatuda. Esiteks, aatomid on üsna väikesed, läbimõõdu suurusjärk nii umbes 10–10 m, ja teiseks, nad on elektriliselt neutraalsed. Üldiselt arvati, et niisugune aatom ongi vanade kreeklaste atomos.
19. sajandi lõpuks aga selgus, et ka aatom ise peaks veel millestki koosnema. Nimelt sai ainest üsna kergesti eraldada väga kergeid negatiivse elektrilaengu kandjaid, elektrone. Võrreldes kõige kergema, vesiniku aatomiga, olid need osakesed umbes 2000 korda kergemad. Enam-vähem siitkohalt algab ka meie jutt sellest, mis sai „jagamatust” aatomist edasi.
Eelmise sajandi alguses, 1910.–1913. a paiku leiti, et aatomid koosnevad positiivselt laetud üliväikesest (10–15 m), ent raskest tuumast, millesse on koondunud vähemalt 99,95% kogu aatomi massist, ja elektronkattest. Aatomimudeli areng näitas, et elektronid asetsevad elektronkattes kihiliselt ja et aatomi keemilised omadused – keemiliste ühendite moodustumise võimalused – määrab elektronkatte välimine kiht. Elemendi järjenumbri keemiliste elementide perioodilisuse süsteemis aga määrab tuuma laenguarv ehk – mis on sama – elektronide arv neutraalse aatomi elektronkattes.
1930. aastatel leiti, et aatomituum omakorda koosneb veel väiksematest osakestest – prootonitest ja neutronitest (üldnimetusega nukleonid), mis lubas seletada ka mõned seni arusaamatud nähtused, nagu isotoopide esinemine ja radioaktiivsus. Jõud nukleonide vahel tuumas on väga tugevad ja tuumamuundumistele iseloomulikud energiad on miljoneid kordi suuremad kui keemilistes protsessides. Tuumareaktsioonides võivad seetõttu vabaneda erakordselt suured energiahulgad. See asjaolu on tundmatuseni muutnud inimese elu Maal.
Richard P. Feynmani poolt öeldule võime lisada, et juba eelmise sajandi kuuekümnendatel ja seitsmekümnendatel aastatel selgus, et ka prootonid ja neutronid koosnevad omakorda „väiksematest” osakestest – kvarkidest, mis on nii elementaarsed, et tavamõttes ei koosne nad millestki. Meie piirdume oma õpikus aatomite ja molekulide maailmaga, käsitleme aatomi ehitust ja aatomituumade maailma.
Õpiku esimeses osas käsitleme soojusõpetust, kus aatomite ja molekulide liikumise kaudu püüame seletada erinevaid soojusnähtusi. Pidevas liikumises olevad aatomid ja molekulid mõjutavad üksteist jõududega, kusjuures sama aine tahkes, vedelas või gaasilises olekus erineb vaid molekulide vastastikuse paiknemise ja liikumise iseloomu poolest. Kogu soojusõpetus on põhjendatav nn molekulide soojusliikumisega. Ka keha temperatuur sõltub aineosakeste liikumise kiirusest.
Õpiku teises osas siirdume aatomite ja aatomituumade maailma. Räägime, milline on aatomi ehitus, kuidas tekivad spektrid, millest koosneb aatomituum ja mis on tuumaenergia. Näeme, et aatomisisest maailma on raske piltlikult ette kujutada, sest mikroosakesed on paljuski teistsuguste omadustega kui meie tavalises makromaailmas eksisteerivad objektid.
