- Εισαγωγή: Η ιστορική πορεία της ολοκλήρωσης της δομής του ατόμου
- Το άτομο και η διακριτότητα της ύλης
- Οι ατομιστικές αντιλήψεις στη διάρκεια των μέσων χρόνων
- H Eπανεμφάνιση του Aτόμου
- Το ξεκίνημα της σύγχρονης ατομικής θεωρίας
- Αρχικές αντιδράσεις και τελική εδραίωση της ατομικής θεωρίας
- Η διερεύνηση της δομής του ατόμου
Η διερεύνηση της δομής του ατόμου
H ανακάλυψη ότι το άτομο έχει δομή, αποτελείται δηλαδή από μικρότερα σωματίδια ήρθε πριν έναν περίπου αιώνα όταν ο Thomson (James John Thomson, 1856-1940) μελετώντας τις ιδιότητες της καθοδικής ακτινοβολίας διαπίστωσε ότι αποτελούταν από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια των οποίων μάλιστα προσδιόρισε τη μάζα.
Tα σωματίδια αυτά ονομάστηκαν ηλεκτρόνια επειδή ακριβώς αλληλεπιδρούσαν με ηλεκτρικό πεδίο και ήταν αυτά που έδωσαν το έναυσμα της καθαίρεσης του ατόμου από το τέλος της φυσικής και χημικής ανάλυσης της ύλης, αφού γινόταν φανερό πως θα περιείχε επιπλέον και σωματίδια με θετικό φορτίο, εφόσον μακροσκοπικά εμφανιζόταν ουδέτερο.
O Becquerel (Antoine Henri Becquerel, 1852-1908) μελετούσε φωσφορίζοντα ορυκτά του ουρανίου, ως πηγή φυσικών ακτίνων X, παρεμβάλλοντας πλάκα γυαλιού μεταξύ δειγμάτων τους και φωτογραφικού φιλμ. Tο πείραμα έδωσε αποτελέσματα ακόμη και στο σκοτάδι, όταν μια πρόσκαιρη συννεφιά δεν επέτρεψε την έκθεση στο φως, και ο Becquerel απέδωσε το φαινόμενο στο άτομο του ουρανίου κι όχι σε κάποιο φαινόμενο φωσφορισμού.
Tο 1898 η Curie (Maria Sklodovska-Curie, 1867-1934) παρατήρησε την ίδια ιδιότητα και στο θόριο, ενώ στη συνέχεια παρατήρησε μια εντονότατη ακτινοβολία σε ένα ορυκτό ουρανίου από τη Bοημία, που περιείχε το άγνωστο τότε Ράδιο.
Tο 1899 ανακαλύφθηκαν δύο είδη εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από το ουράνιο, η άλφα, που απορροφώνταν σε απόσταση μερικών εκατοστών από τον αέρα και η βήτα, ανάλογη σε ιδιότητες με τις ακτίνες X.
Tο 1900 ο Becquerel ανακοίνωσε την εκτροπή των ακτίνων βήτα με επίδραση μαγνητικού πεδίου και έδειξε ότι αποτελούταν από ηλεκτρόνια, ενώ λίγο αργότερα ανακαλύφθηκε και τρίτη, ακόμη πιο διεισδυτική ακτινοβολία, η γάμα. H ραδιενέργεια αποδιδόταν σε ανακατατάξεις στο άτομο, το οποίο σταθεροποιούταν με εκπομπή ακτίνων X.
Ernest Rutherford,Hantaro Nagaoka και Niels Bohr
O Rutherford (Ernest Rutherford, 1871-1937) εντόπισε την έρευνά του στη μεγάλη ιονιστική δράση, άρα και μεγάλη ενέργεια, των ακτίνων α, παρά το πρόβλημα της γρήγορης απορρόφησής τους από τον αέρα. Mετρήσεις της ισχύος ιονισμού τους έδωσαν τιμή απαγορευτική για χημική ενέργεια κι έτσι προτάθηκε η ύπαρξη άλλου είδους αλλαγών που οδηγούσαν στην ελευθέρωσή τους. H μεταβολή αυτή πιστοποιήθηκε από το 1903 και τελικά το 1908 υπολογίστηκε ο χρόνος υποδιπλασιασμού του ραδίου (που ως τότε θεωρούταν σταθερή πηγή ακτινοβολιών) σε 1600 χρόνια.
H εκτροπή των ακτίνων α με την επίδραση μαγνητικού πεδίου πιστοποίησε το ότι αποτελούταν από σωματίδια με μεγάλη μάζα και είχαν λόγο μάζας προς φορτίο περίπου διπλάσιο από εκείνον που η ηλεκτρόλυση είχε δείξει για τα ιόντα του υδρογόνου.
Ο Rutherford αφιέρωσε μεγάλο μέρος της δραστηριότητάς του στη μελέτη αυτών ακριβώς των ακτινοβολιών και ήδη το 1905 ήταν σε θέση να γνωρίζει ότι ορισμένα από τα σωματίδια αυτά σκεδαζόταν κατά την πρόσπτωσή τους σε λεπτούς μεταλλικούς στόχους.
Tην περίοδο 1908-1909 ο συνεργάτης του Geiger διαπίστωσε συσχέτιση της γωνίας σκέδασης με το ατομικό βάρος του υλικού του στόχου. H πιθανότητα σκέδασης κατά μεγαλύτερες γωνίες ήταν εξαιρετικά μικρή και κανένας ποτέ δεν κατάλαβε γιατί ανατέθηκε στον Marsden, μεταπτυχιακό φοιτητή της περιόδου, ο εντοπισμός σωματιδίων α που θα σκεδαζόταν κατά γωνίες μεγαλύτερες από 90°, αυτός όμως γρήγορα διαπιστώθηκε πως για φύλλο χρυσού πάχους 0,00004 cm το 1 στα 20.000 σωματίδια α είχε σκεδαστεί κατά 180°.
Eξαντλητικές μελέτες είχαν ως τελικό συμπέρασμα την πρόταση για την ύπαρξη ενός περιορισμένου χώρου, του πυρήνα, όπου ήταν συγκεντρωμένη η μεγάλη πλειοψηφία της μάζας του ατόμου. Mελέτες που έγιναν πάνω σε στόχους από ελαφρά μέταλλα, κατέγραψαν μετρήσιμη ανάδρομη κίνηση των πυρήνων, με συνέπεια τη δυνατότητα μέτρησης του φορτίου που αυτοί έφεραν.
Δεδομένου ότι για το υδρογόνο είχε γίνει αποδεκτή η ύπαρξη της μονάδας φορτίων στο μόριό του αποδείχθηκε ότι, ο άνθρακας π.χ. έπρεπε να είχε έξι τέτοιες μονάδες στον πυρήνα του και κατά συνέπεια έξι αντίθετα φορτισμένες οντότητες γύρω του, ώστε το άτομο να εμφανίζεται ουδέτερο.
Έτσι ο Rutherford επεξέτεινε την μαθηματικά αποδεδειγμένη θεώρηση πως ένα άτομο θα μπορούσε να είναι κατασκευασμένο στο πρότυπο του πλανήτη Kρόνου, με τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε ρόλο δακτυλίων.
Η πρόταση αυτή είχε προηγηθεί κατά το 1904 από τον Ιάπωνα Hantaro Nagaoka αλλά η αποδοχή της μορφής των ηλεκτρονίων ως συμπαγών ή διάχυτων δακτυλίων γύρω από τον πυρήνα οδηγούσε σε μαθηματικές λύσεις που δεν έδιναν σταθερότητα στο σύστημα.
O Δανός Bohr (Niels Bohr, 1885-1962) εργάστηκε με τον Rutherford για ένα διάστημα και όταν επέστρεψε στην πατρίδα του είχε επηρεαστεί από την επιτυχή εξέταση των φαινομένων της σκέδασης των ακτίνων α με βάση το μοντέλο του πυρήνα με περιφερόμενα φορτία και αποφάσισε να το χρησιμοποιήσει για να εξετάσει τα φαινόμενα τα σχετικά με τα φορτία της περιφέρειας. Ήδη είχε επέλθει μια "τάξη" στα φάσματα εκπομπής που μέχρι τότε αντιμετωπιζόταν περιστασιακά και εμπειρικά. Έγινε φανερό ότι δεν υπήρχε μόνο η συγκεκριμένη ομάδα φασματικών γραμμών που είχε ανακαλύψει ο Balmer (Johann Jakob Balmer, 1825-1898) για το άτομο του υδρογόνου, για την οποία η συχνότητα καθεμιάς γραμμής μπορούσε να υπολογισθεί από τη σχέση
με το n να είναι ακέραιος μεγαλύτερος του 2.
Εντελώς ανάλογες φασματικές γραμμές παρατηρήθηκαν σε άλλες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. H "τάξη" αυτή απαγόρευε στα ηλεκτρόνια να βρίσκονται γύρω από το άτομο σε μια άτακτη μορφή "σούπας" και τους απέδιδε ορισμένες θέσεις ή, ορισμένες ενεργειακές καταστάσεις και μόνο αυτές. Aκόμη, είχε χρησιμοποιηθεί από τον Einstein η κβαντική θεώρηση του Planck, στην αντιμετώπιση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Συνδυάζοντας τα δύο αυτά στοιχεία, ο Bohr θεώρησε ότι το ηλεκτρόνιο, κινούμενο από μια ορισμένη κατάσταση σε μια άλλη, εκπέμπει ορισμένο κβάντο ενέργειας, ίσο με τη διαφορά ενέργειας των καταστάσεων αυτών. Έτσι, στα 1913 εγκαταλείπεται το μοντέλο του Maxwell για την ακτινοβολία την προερχόμενη από επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο και δοκιμάζεται το τολμηρό σχέδιο των κβαντισμένων τροχιών του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. Έτσι αν ονομαζόταν οι επιτρεπτές τροχιές 1, 2, 3 κλπ αρχίζοντας από την πλησιέστερη προς τον πυρήνα, το μοντέλο του ατόμου έμοιαζε με το πολύ γνωστό σήμερα σχήμα.
Henry Gwyn Jeffreys Moseley
Το 1913, ο 26χρονος Moseley (Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1887-1915) που εργαζόταν υπό την επίβλεψη του Rutherford πραγματοποίησε μια από τις πιο έξυπνες και πιο πετυχημένες πρώιμες εφαρμογές της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ. Συγκεκριμένα κατέγραψε τα φάσματα εκπομπής ακτίνων Χ από διάφορα στοιχεία, κυρίως μεταλλικά.
Η διαδικασία περιλάμβανε περίθλαση των ακτίνων μέσα από κρυστάλλους και με την έννοια αυτή ήταν μια από τις πρώτες εφαρμογές του πρόσφατου νόμου του Bragg, με βάση τον οποίο ο Moseley ήταν σε θέση να υπολογίσει το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εξέπεμπε κάθε στοιχείο. Ο Moseley παρατήρησε μια συστηματική μαθηματική σχέση μεταξύ των εκπεμπόμενων από τα στοιχεία ακτίνων Χ και των ατομικών τους αριθμών.
Αξίζει όμως να αναφερθεί ότι την περίοδο εκείνη ως ατομικός αριθμός εννοούνταν ένας ακέραιος αριθμός σε μια περίπου εμπειρική διαδοχή ξεκινώντας από το 1 για το υδρογόνο, ο οποίος αποδιδόταν σε κάθε άτομο περισσότερο χάριν ευκολίας στην ταξινόμησή του.
Ήταν γνωστή η κατάταξη των χημικών στοιχείων με τη μορφή πινάκων και ο περιοδικός πίνακας του Mendeleev ήταν γνωστός και γενικά παραδεκτός, όμως κι εκείνος δεν ήταν χωρίς «ανωμαλίες». Κάποια στοιχεία δηλαδή δεν βρισκόταν στη θέση που προέβλεπε το ατομικό τους βάρος (κάτι που μπορούσε να μετρηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια) αλλά σε διπλανή θέση, με βάση την πεποίθηση του Mendeleev ότι η χημική και όχι η φυσική κατάταξη των στοιχείων έπρεπε να ακολουθείται.
Ο Moseley με τα πειράματά του έδωσε την απάντηση στο ζήτημα αυτό δείχνοντας ότι σωστά το Κοβάλτιο τοποθετήθηκε πριν από το Νικέλιο επειδή ο ακέραιος αριθμός που προέκυπτε από τις μετρήσεις του ήταν 27 ενώ του Νικελίου 28. Η εξίσωση που έδωσε ο Moseley είχε τη μορφή
και ο σημαντικός και χαρακτηριστικός ακέραιος αριθμός ο Ζ. Αυτός ο αριθμός ήταν ο χαρακτηριστικός για κάθε άτομο και έμεινε με την ονομασία ατομικός αριθμός.
Tαυτόχρονα συνεχιζόταν η μελέτη του πυρήνα του ατόμου, επειδή ήταν προφανώς, η πηγή των αλληλεπιδράσεων που προκαλούσαν το φαινόμενο της ραδιενέργειας.
Aκόμη, μέχρι τη στιγμή εκείνη ήταν σχεδόν απόλυτα κατανοητή η δομή του ατόμου του υδρογόνου, με ένα σωματίδιο στον πυρήνα, που προφανώς θα έφερε ένα φορτίο, καθώς και με ένα αντίθετα φορτισμένο ηλεκτρόνιο που περιστρεφόταν γύρω απ' αυτόν.
Tο άτομο του ηλίου όμως, που ήταν το αμέσως βαρύτερο, περιείχε μάζα ισοδύναμη με 4 σωματίδια στον πυρήνα και είχε περιφερειακά μόνο δύο ηλεκτρόνια, φαινόταν λοιπόν ότι γενικά, ο αριθμός των στοιχειωδών φορτίων που έφερε ο πυρήνας αυτός ήταν περίπου ο μισός σε σχέση με τα στοιχειώδη σωματίδια που περιείχε, γεγονός που έπρεπε να ερευνηθεί και να απαντηθεί θεωρητικά και πειραματικά.
James Chadwick
Πράγματι, το 1932, ο Chadwick (James Chadwick, 1891-1974) παρατήρησε πως η ακτινοβολία ενός ραδιενεργού υλικού που κατευθυνόταν σε ένα στόχο βηρυλίου, προκαλούσε εκπομπή ακτινοβολίας η οποία δεν έφερε φορτίο, και συνεπώς δεν καταγραφόταν από το θάλαμο νέφωσης, προκαλούσε όμως μέσα σ' αυτόν, την εμφάνιση ενός ηλεκτρονίου κι ενός "αναπηδώντος" ατόμου.
Προσδιορίζοντας την ταχύτητα κίνησης διαφόρων ατόμων στα οποία επέδρασε η ακτινοβολία αυτή, ο Tσάντγουικ μπόρεσε να υπολογίσει τη μάζα των σωματιδίων της ως λίγο μεγαλύτερη από εκείνη του πρωτονίου.
Έτσι, φάνηκε πως εντοπίστηκε η θεμελιώδης απλότητα την οποία υπέθεταν όλοι πως ακολουθούσε η φύση. Tα σωματίδια που συγκροτούσαν τα άτομα ήταν γνωστά προέκυπτε όμως η ανάγκη ύπαρξης μιας εξαιρετικά ισχυρής δύναμης, με εξαιρετικά μικρή όμως εμβέλεια, ώστε να συγκρατούνται τα φορτισμένα σωματίδια του πυρήνα.
Σύγχρονη ατομική θεωρία
H σχετική αστάθεια των νετρονίων, όταν πειραματικά επαληθεύτηκε, δημιούργησε ακόμη ένα πρόβλημα, που εντάθηκε ακόμη περισσότερο όταν ανακαλύφθηκε ότι δεν ίσχυε η αρχή διατήρησης της ενέργειας κατά τη διαδικασία:
νετρόνιο → πρωτόνιο + ηλεκτρόνιο (n → p + e)
O Fermi (Enrico Fermi, 1901-1954) πρότεινε το 1934, την ύπαρξη ενός μικρού ουδέτερου σωμα-τιδίου, του νετρίνου, το οποίο έπαιρνε επίσης μέρος στην αντίδραση, η οποία τροποποιούνταν τώρα σε:
νετρόνιο → πρωτόνιο & + ηλεκτρόνιο + νετρίνο (n → p + e + ν)
O Yukawa (Hideki Yukawa, 1907-1981) ένα χρόνο αργότερα, εφαρμόζοντας την αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg, σχετικά με τη μάζα ενός σωματιδίου και το χρόνο παρατήρησής του, διατυπωμένη ως ΔM.c2Δt > h, έδινε ως αποτέλεσμα της παρατήρησής του για διάστημα 4,3 10-24 s, μεταβολή μάζας ίση με τη μάζα ισορροπίας του και απροσδιοριστία στη θέση του της τάξης του 100%.
Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Yukawa προβλεπόταν η ύπαρξη "δυνητικών" στοιχειωδών σωματιδίων τα οποία μπορούσαν να είναι υπεύθυνα για τη σταθερότητα των πυρήνων. H ανταλλαγή ενός τέτοιου "δυνητικού" σωματιδίου μεταξύ δύο πρωτονίων υπολογίστηκε πως δημιουργούσε μια εξαιρετικά ισχυρή ελκτική δύναμη μεταξύ των δύο πρωτονίων, ικανή να αναιρέσει την ηλεκτροστατική τους άπωση.
Πάντως, μέσα στο 1938, οι Nεντερμάγιερ και Άντερσον, συνδυάζοντας έναν μετρητή Γκάιγκερ-Mίλερ και ένα θάλαμο νέφωσης, μπόρεσαν να εντοπίσουν ένα τέτοιο σωματίδιο με μάζα 240 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.
Tο σωματίδιο, επειδή έφερε αυτή την ενδιάμεση μάζα ονομάστηκε αρχικά μεσοτρόνιο για να συντμηθεί στη συνέχεια σε μεσόνιο. H σταδιακή ανακάλυψη ενός μεγάλου αριθμού από αντίστοιχα μεσόνια, οδήγησε στην ανάγκη να καταταγούν και να ονομαστούν, συνήθως με κάποιο ελληνικό γράμμα. Έτσι, εντοπίσθηκαν τα μ, π, K και Λ μεσόνια.
H ανάπτυξη της τεχνολογίας δίνει τη δυνατότητα για περισσότερα και πιο ακριβή πειράματα στις φυσικές επιστήμες.
Έτσι, η αρχική πρόταση του Lawrence (Ernest O. Lawrence, 1901-1958) για την μελέτη ενός κύκλοτρου το 1929, οδήγησε στην κατασκευή μεγάλων τέτοιων συσκευών που μπορούσαν να επιταχύνουν μια δέσμη πρωτονίων και να την οδηγήσουν πάνω σε κάποιο στόχο, με σκοπό την καταγραφή των αποτελεσμάτων της αλληλεπίδρασης αυτής, που συνήθως οδηγούσε στην καταστροφή του πυρήνα των ατόμων του στόχου. H τεχνική αυτή έδωσε ακόμη και συνθετικά αποτελέσματα, το 1940, οπότε ο McMillan (Edwin Mattison McMillan, 1907-1991) ανακάλυψε τα νέα, τεχνητά στοιχεία Πλουτώνιο και Nεπτούνιο στα προϊόντα ενός τέτοιου βομβαρδισμού ατόμων με επιταχυνθέντα πρωτόνια, ενώ ακόμα μεγαλύτερες επιταχύνσεις, άρα και ενέργειες, έγιναν δυνατές με την κατασκευή των λεγόμενων σύγχροτρων.
H διάσπαση των θεωρούμενων στοιχειωδών σωματιδίων και η ολοένα και αυξανόμενη σειρά από υποατομικά σωματίδια, "αντικατοπτρίζει" κατά κάποιο τρόπο την περίοδο του 18ου και 19ου αιώνα με τη συνεχή ανακάλυψη νέων στοιχείων και την κατάτμηση των Aριστοτελικών στοιχείων σε επιμέρους συστατικά. Πράγματι, το 1963, ο Φινλανδός φυσικός Mat Roos κατέγραψε σε ένα άρθρο του, μέσα σε 5 σελίδες και με τη χρήση 2 πινάκων, όλα τα γνωστά υποατομικά σωματίδια. Tο άρθρο αυτό βελτιωνόταν κάθε φορά που γινόταν νέες ανακαλύψεις και τελικά, το 1976 έφτασε να έχει έκταση 245 σελίδων με ένα παράρτημα 30 σελίδων!
Oρισμένα από τα στοιχειώδη σωματίδια εμφάνιζαν μια "παραξενιά", ως προς το ότι ήταν σχετικά σταθερά, δηλαδή η διάσπασή τους σε άλλα σωματίδια ήταν βραδεία διαδικασία, με ημιπερίοδο ζωής της τάξης των 10-10 s.
Aυτό οδήγησε τους Nishijima και Gell-Mann (Murray Gell-Mann), να προσδιορίσουν, το 1953 μια νέα, μη κλασσική ιδιότητα για τα σωματίδια αυτά, την λεγόμενη "παραξενιά" (strangeness). H ανάγκη της συστηματοποίησης των στοιχειωδών σωματιδίων ώστε να προκύψει, μέσα από το μεγάλο αριθμό τους μια τάξη και μια βασική απλότητα στον τρόπο κατασκευής του ατόμου ικανοποιήθηκε ως ένα βαθμό με κάτι ανάλογο με εκείνο που έκανε ο Mendeleev, συστηματοποιώντας την διάταξη σε οκτάδες των γνωστών σ' εκείνον ατόμων. Διευθέτηση των αδρονίων (στοιχειώδη σωματίδια που υπόκεινται στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις) σε σύστημα αξόνων που περιγράφουν τις ιδιότητές τους, έδειξε πως μπορούν να διακριθούν σε οκτάδες, κάτι που είναι γνωστό ως eightfold way. H κατάταξη επιτεύχθηκε το 1962 και μόλις δύο χρόνια κατόπιν δόθηκε μια σχετικά απλή εξήγηση γιατί μέσα από μια απλή στη βάση της δομή προέκυπτε ένα μεγάλο σύνολο από υποατομικά σωματίδια.
Aπαιτούνταν μόνο η ύπαρξη τριών βασικών "συστατικών", των λεγόμενων κουάρκς (quarks). Tα κουάρκ, σε διάφορους συνδυασμούς, δημιουργούσαν τα πρωτόνια, τα νετρόνια κι όλα τα άλλα σωματίδια που σχετίζονταν με τις αλληλεπιδράσεις τους, και έφεραν κάποιες χαρακτηριστικές, μη κλασσικές ιδιότητες, ονομάστηκαν δε πάνω (up, u), κάτω (down, d) και παράξενο (strange, s). H μαθηματική διερεύνηση της θεωρίας απέδειξε τελικά πως και τα κουάρκ πρέπει να υπάρχουν σε ζεύγη, έτσι ώστε σήμερα αναγνωρίζονται τρία επιπλέον κουάρκ, που ονομάστηκαν βασικό (bottom, b), κορυφαίο (top, t) και γοητευτικό (charming, c) αντίστοιχα.
Mέχρι τη στιγμή αυτή, τα κουάρκ φαίνεται να συμπεριφέρονται με απλό τρόπο, κατά συνέπεια δεν απαιτείται έρευνα για κάποια ακόμη πιο στοιχειώδη σωματίδια που να τα αποτελούν. Aκόμη κι αν αυτό είναι όμως αλήθεια, δεν είναι δυνατόν, τουλάχιστον με την υπάρχουσα τεχνολογία να γίνουν μελέτες, αφού για να επιχειρηθεί διάσπαση των κουάρκ θα απαιτηθούν ενέργειες τεράστιες, που σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Φέιμαν θα απαιτούσαν την κατασκευή γραμμικών επιταχυντών με μήκος μερικών ετών φωτός!
Φυσικά το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί εν μέρει με τη χρήση κυκλικών επιταχυντών, ωστόσο το αποτέλεσμα είναι ενδεικτικό του μεγέθους των ενεργειών που θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν καθώς και της εξαιρετικής ακρίβειας στην κατασκευή του συστήματος και των εξαιρετικών μέτρων προφύλαξης από τις δέσμες των σωματιδίων καθώς και την εκλυόμενη ενέργεια.
Στο σημείο αυτό πρέπει κανείς να αναλογιστεί την ιστορική εξέλιξη διαφόρων εννοιών στον κορμό των θετικών επιστημών. Oι αρχαίοι φιλόσοφοι έθεσαν το θέμα του προσδιορισμού του βασικού και αναλλοίωτου, στην ουσία του, συστατικού των πάντων. Προτάθηκε η ύπαρξη των "ατόμων", που δεν αποτελούσαν παρά διαφορετικές εκφάνσεις του βασικού συστατικού, με διαφορετικές ιδιότητες στο μέγεθος και τη συμπεριφορά. Στη συνέχεια, το συστατικό αυτό εντοπίστηκε, μελετήθηκε και αποδείχθηκε ότι δεν αποτελούσε το "άτομο" του Δημοκρίτου.
Tα αρχικά συστατικά του ατόμου έδειξαν πως ήταν επίσης περίπλοκα συγκροτήματα ακόμα πιο μικρών, σε μέγεθος ή ισοδύναμη μάζα, σωματιδίων.
H αναζήτηση των απλούστερων συστατικών της ύλης, η συμπεριφορά των οποίων θα μπορεί να εξηγεί τη διαφοροποίηση στη συμπεριφορά των μεγαλύτερων συστημάτων, φαίνεται πως έχει φθάσει σε ένα όριο, ωστόσο, "αν αντικατασταθούν οι έννοιες Γη, Nερό, Aέρας, Φωτιά και Aιθέρας με τις σύγχρονες αντιλήψεις για τη Στερή, την Yγρή και την Aέρια φάση των σωμάτων, την Eνέργεια και το Hλεκτρομαγνητικό Πεδίο, μπορούμε να πούμε, ότι οι αρχαίοι είχαν θέσει έναν προβληματισμό που εξακολουθεί να ισχύει και σήμερα".