A gőzgépet csak Newcomen tette használhatóvá azzal (1712), hogy alacsony nyomással dolgozott és vízzel hűtötte le a gőzt, amivel nagyon meggyorsította a gép munkáját. Newcomen gépe még nagyon kezdetleges volt, de már használható, főleg a szénbányákban, ahol a tárnavizet szivattyúzták ki vele. Ezt a típusút tökéletesítette azután Watt.
A XVIII. század elején Polzunov orosz mechanikus is tervezett egy mindezeknél tökéletesebb gőzgépet, amely már üzemi használatra is alkalmas volt, nemcsak vízemelésre. Két hengerrel működött, tehát a lefelé haladó dugattyú nem adott üres löketet. Az akkori cári Oroszországban azonban nem tudta elgondolását véglegesen megvalósítani, és így találmánya nem terjedt el.
(Denis Papin 1647-ben született Franciaországban. Orvosnak készült, de Huyghens mellé került asszisztensnek, attól kezdve csak fizikával és mechanikával foglalkozott. Megérezte a hugenottákra váró veszedelmet (ami csak tíz évvel későbben következett be), és 1675-ben kivándorolt Angliába. Ott a kiváló Boyle mellé került, majd a londoni akadémián (Royal Society, Királyi Társaság) összekerült egy másik kiváló természettudóssal, Hooke-kal, aki a heti összejöveteleken a fizikai, vegytani és mechanikai kísérleteket irányította. 1679-ben már ő lett Hooke utóda, de a fizetése csak évi húsz font volt.
Az ismertetett gőzgép nem egyetlen találmánya volt Papinnak. 1681-ben feltalált egy készüléket, amelyet így nevezett el: „Új emésztő vagy csontlágyító gép.“ Nagy nyomás mellett hevített állati testrészeket vízben úgy, hogy a csontok meglágyultak. A tudománynak vagy gyakorlatnak ugyan semmi szüksége nem volt a csontok lágyítására, de ez a gép más szempontból jelentett nagy technikai haladást: Papin itt alkalmazott először biztonsági szelepet, hogy a gép fel ne robbanjon. Más szóval ez volt a konyhákban ma is használatos „fütyülő fazék" őse, amelyben 100 fok fölötti hőmérsékleten lehet főzni. Egyik kortársa nagy elismeréssel ír arról a vacsoráról, amelyet a csontlágyító készülékkel főztek meg és az akadémia ülése után fogyasztottak el: „Ez a filozofikus vacsora sok derültséget okozott nekünk, és nagyon tetszett az egész társaságnak." 1680-ban a Royal Society tagjává választották, 1684-ben a kísérletek gondnoka lett. A következő évben Németországba költözött, mert Marburgba a matematika tanárának hívták meg. Itt dolgozta ki a gőzgép eszméjét.
Elmondunk életéből még egy történetet, mert jellemző rá és korára. Mikor 1707-ben elhatározta, hogy visszatér Angliába, a hatvanéves tudósnak az az ötlete támadt, hogy egy általa szerkesztett mechanikus hajtású csónakban teszi meg az utat. El is jutott a Weser folyóig, de ott megállította a bárkások céhe, mert attól féltek hogy az újmódi jármű majd elveszi a kenyerüket és szétrombolták Papin járművét.
Londonban súlyos csalódások vártak rá. Tudós barátai már nem voltak életben. Nem is tudjuk miből tartotta fenn magát hátralevő életében. Csak az bizonyos, hogy mindvégig nagy nyomorúsággal és értetlenséggel küzdött. 1708-ban egy beadvány útján kért az Akadémiától 15 fontnyi támogatást, hogy „megszerkesszen egy csónakot, amelyet hő által hajtott evezők mozgatnak," Nem kapta meg ezt a jelentéktelen összeget sem, pedig akkor Newton volt az Akadémia elnöke. Mindvégig nyomorban vergődött. 1712-ben halhatott meg, de az évszám sem bizonyos, sírjának helye ismeretlen.)
9. NEWTON FELFEDEZI A SZÍNSZÓRÁST
A fénytan volt a fizikának az a területe, amelyet az ókor óta legsikeresebben műveltek. Láttuk, hogy Ptolemaios közel járt hozzá, hogy fölfedezze a törés törvényét, Heron pedig állítólag nagy optikai művet is írt. Az arab Alhazen már hétféle tükröt ismert, Roger Bacon pedig — mint szintén láttuk — fölfedezte a parabolikus tükröt. A lencsék egyes sajátságait ismerték már az arabok is, 1608-ban pedig Galilei-nek is sikerült távcsövét megszerkesztenie. Kepler, a nagy csillagász szintén eredményesen járult hozzá a fénytan területének fejlesztéséhez. Felfedezte a teljes visszaverődést és a XVI. századbeli olasz Della Porta által fölfedezett sötétkamra ismeretében a látásnak körülbelül helyes elméletét adta meg. Ezt egészítette ki Mariotte fölfedezése a vakfoltról. A XVII. szazadban találták meg Snellius és Descartes egymástól függetlenül a törés helyes törvényét.
Láthatjuk tehát, hogy a XVII. században már számottevő volt a fénytani ismeretek mennyisége: visszaverődés, törés teljes visszaverődés, sötétkamra, sík és görbe felületű tükrök, lencsék, távcsövek, mikroszkóp, egyszóval ismerték már mindazt, amit mai szóhasználattal gyűjtő néven geometriai fénytannak nevezünk. Ez az elnevezés onnan származik, hogy a fent felsorolt jelenségek értelmezéséhez, illetve az ott fellépő törvényszerűségek felismeréséhez csupán a fény egy szembetűnő tulajdonságának ismerete szükséges, hogy ti. a fény egyenes vonalban terjed. Ennek következtében a fénysugárral éppen olyan szerkesztéseket lehet végezni, mint a geometriában az egyenes darabokkal, és ezek a szerkesztések helyes eredményekre is vezettek, anélkül, hogy a fény közelebbi természetére, mibenlétére vonatkozóan szükség lett volna valamilyen feltevésre.
Természetesen ilyen feltevésekben sem volt hiány a XVII. századig, de ezek — a többi fizikai elmélethez hasonlóan — filozófiai, spekulatív alapon próbálták többnyire megoldani a kérdést. Így egyelőre ismeretlen volt a színek eredete, a szivárvány keletkezésének oka, egyszóval azok a jelenségek, amelyeket ma az ún. fizikai fénytan körébe sorolunk. Descartes fényelmélete éppoly bonyolult és fantasztikus volt, mint Aristotelesé, vagy más hasonló, a korban divatos elmélet. Jóval közelebb járt a helyes magyarázathoz Huyghens hullám-elmélete, aki elsőnek gondolta, hogy a fény valamilyen finom, súlytalan anyagnak (az aethernek) igen kis kilengésű hullámmozgása. Ezzel az elmélettel nemcsak a geometriai fénytan alaptörvényeit, a visszaverődést és törést tudta helyesen értelmezni, hanem az általa fölfedezett ún. kettőstörést is, amely egyes kristályfajtákban lép fel. Általában Huyghens olyan helyes elveket állapított meg a hullámok terjedésére nézve, amelyeket mindenféle hullámmozgás (hang, elektromágneses hullámok) alapjaiként felhasználunk. A színek értelmezésével azonban Huyghens egyáltalában nem foglalkozott.
A fizikai fénytan tulajdonképpeni megalapítója Newton, nemcsak korának, hanem kétségkívül az egész fizika történetének egyik legkiemelkedőbb fizikusa. Kortársai között Huyghens mellett voltak még más tudósok is, akik fontos felfedezéseket tettek a fizikai fénytan területén.
Grimaldi (1618—1663) bolognai jezsuita fizikus a következő egyszerű kísérlettel fedezte föl a fény elhajlását (diffrakció). Sötét szoba ablakának kis nyílásán át fényt bocsátott keskeny tárgyra, melynek árnyékát fehér falon fogta föl. Észrevette, hogy az árnyék sokkal nagyobb, mintha a fény rendes módon vetítődik a tárgyra; amellett párhuzamos színes csíkokat látott az árnyék mindkét oldalán; ezek magában az árnyékban is mutatkoztak, ha erős napfény vetítődött be a nyíláson, A kísérletet módosítva rájött, hogy a fény nem csupán egyenes vonalban terjed tova, hanem mikor egy tárgynak átlátszatlan széle mellett halad el, hozzáhajlik ehhez s el is hajlik tőle. Kimutatta, hogy ez nem visszaverődés, nem is törés vagy a fényterjedésnek másféle megzavarása okozza, azért elnevezte diffrakciónak. Az átlátszatlan testszélek különleges hatásával magyarázta a jelenséget: ezek valami különös hullámmozgást idéznek elő a fényfluidumban.
Grimaldi fölfedezte azt a jelenséget is, amit a fény interferenciájának (fénytalálkozásnak) nevezünk. Két kis nyílást csinált az ablaktáblára a máskülönben elsötétített szobában, s olyan távolságban fogta föl a képeket egy ernyőn, hogy ezek kis részben fedték egymást (20. ábra). Grimaldi észrevette, hogy legvilágosabb az a hely, ahol a két körfelület egymásra vetítődik; a többi rész halványabb volt, a szélén sötétebb, mint a közepén.
20. ábra. Grimaldi fényinterferenciára vonatkozó kísérletéhez
Vöröses színt is látott a középső rész szélén. Ebből arra következtetett, hogy „a fény olykor sötétebbé tehet más módon már megvilágított felületet". Bebizonyította, hogy ez az elsötéted és nem árnyékképződés, nem is érzéki csalódás. Grimaldi a fény hullámmozgásával magyarázta ezt a jelenséget is. 1665-ben megjelent könyvéből vett idézetből megérthetjük, hogy képzelte el ezt a hullámmozgást: „Ahogy egy vízbe dobott kő körül köralakú hullámok képződnek, ugyanúgy keletkeznek az átlátszatlan tárgyak árnyéka körül azok a fényes csíkok. — És mint ahogy azokat a kör alakú hullámokat csupán a felhalmozott víz alkotja, úgy a fényes csíkok sem egyebek, mint maga a fény, amelyet a heves szétszórás egyenlőtlenül oszt el és árnyékos közök választják el." Mindebből az látszik, hogy Grimaldi hajlott a fény hullámfelfogása felé és éppen azt a két jelenséget próbálta értelmezni, amelyeket más feltevés alapján nem is lehet. Ez az elmélet végleges igazolást azonban csak a XIX. század elején nyert, addig — kivételektől eltekintve — Newton alább ismertetendő elmélete uralkodott. Olaf Roemer fölfedezését úgy látszik nem ismerte, de helyesen látta azt is, hogy a fény terjedése mérhetetlenül rövid idő alatt történik, de azért nem pillanatnyi.
Hooke-ot, a század kiváló fizikusát már említettük fentebb, mint Papin főnökét és tanítómesterét. Ő még tovább jutott a fizikai fénytan területén, ugyancsak kísérleti úton. Vékony lemezkéken vizsgálta a fénysugarak törését és elhajlását. 1675-ben dolgozatot nyújtott be az Angol Akadémiához a fény elhajlásáról. Ugyanazon eredményekhez jutott el, mint Grimaldi egy évtizeddel előbb. Ebben a dolgozatában fordul elő ez a fontos mondat: „Egyenletes közegben a fény terjedése egyszerű és egyenletes hullámok útján történik, amelyeknek rezgései merőlegesek a terjedés irányára."
Az egyes helyes részletfelismerések ellenére a XVII. században még nagy volt a bizonytalanság a fény természetére nézve, különösen a színekre vonatkozóan. Nem épülhetett addig ki helyes elmélet, amíg a színek fellépését nem sikerült egy alapvető kísérlettel tisztázni. Ezt a kísérletet végezte el Newton.
Newton már 1666 óta foglalkozott a fénytani kísérletekkel. Előbb csak egyetemi tanítványai előtt ismertette a kísérletek eredményeit, de 1671-től kezdve már dolgozatokat nyújtott be fénytani kutatásairól az Angol Akadémiához. Ezekkel kapcsolatban elsőbbségi vitába keveredett a kiváló, de kötekedő természetű Hooke-kal és ezért Hooke haláláig nem tette közzé fénytani eredményeit, és csak 1704-ben adta ki híres könyvét: „Optika, vagyis értekezés a fény visszaverődéseiről, töréseiről, elhajlásairól és színeiről" címen. A legfontosabb a mi szempontunkból munkájának célkitűzése, amit már a könyv elején hangsúlyoz: nem föltevésekkel, elgondolásokkal kell magyarázni a fény természetét, hanem kísérletekkel és számításokkal kell eldönteni ezeket. Ezt a célkitűzést azonban nem valósította meg egészen következetesen. Igaz, hogy elsősorban kísérletekre támaszkodik, mikor a fényjelenségeket kutatja, de a fény mibenlétére, természetére vonatkozólag mégis elméletet állít fel, az ún. emanációs elméletet, amely a múlt századig uralkodó maradt az optikában. Eszerint a fény apró, rugalmas testecskék kisugárzásából áll, amelyeket a világító testek bocsátanak ki.
Első kísérleteivel Newton a napfény természetét kutatta. Hadd írja le ő maga ezeket a klasszikus és korszakalkotó kísérleteket. (Előbb idézett munkájából vesszük a szöveget és a két ábrát is. L. 22. és 23. ábra).
„A napfény különbözőképpen törhető sugarakból áll. — Nagyon sötét szobában, az ablaktáblán levő 1/3 hüvelyk átmérőjű kerek nyílás mögé üveghasábot helyeztem. (Az üveghasáb vagy prizma olyan átlátszó anyagból készült test, amelyet egymással szöget bezáró sík lapok határolnak. A lapok által bezárt szög a prizma törőszöge. Ha a prizma egyik lapjára egy fénysugár esik, a törés törvénye értelmében irányát megváltoztatja, és amikor a másik határfelületen kilép, ismét irányváltozást szenved (21. ábra). Az eltérítés szöge, δ a prizma anyagától (törésmutatójától) és törőszögétől függ.
Newton kísérletének lényege, hogy a prizma a fehér (nap-) fényt nemcsak eltéríti, hanem színeire is bontja, mert a törésmutató a különböző színekre különböző. Az együtt belépő sugarak tehát különböző eltérítésük következtében külön lépnek ki a prizmából, és így jön létre a szivárvány színeit mutató színkép, bizonyítva, hogy a napfény végtelen sok különböző szín összetételéből áll.)
21. ábra. Egyszerű prizma
Utóbbi arra való volt, hogy eltérítse a nyíláson behatoló fénysugarat, fölfelé vetítse a szobának szemközti falára, s ott a Nap színes képét hozza létre. Ennél és a következő kísérleteknél a hasáb tengelye merőleges volt a behatoló fénysugarakra. A hasábot lassan forgattam a tengelye körül, s akkor láttam, hogy a Nap színes képe előbb lefelé, majd fölfelé mozog. A lefelé és fölfelé mozgás között, abban a pillanatban, amikor a kép megállni látszott, megerősítettem az üveghasábot. (Ez volt az a helyzet, amikor az eltérítés minimális). (Minimális az eltérítés, ha a fény szimmetrikusan megy át a prizmán, azaz a belépés és kilépés szögei egyenlők. A prizma szerepe egyébként a legtöbb optikai berendezésben az, hogy vele a fénysugár irányát tetszés szerint változtathatjuk.)
A megtört fényt most rávetítettem egy ív függőleges fehér papirosra, amely a szobának szemközti falára volt erősítve, s megfigyeltem az ott keletkezett Nap-kép alakját és nagyságát. Hosszúra nyúlt két egyenes és párhuzamos vonal határolta; a végek félkör alakúak voltak, oldalt elég élesen volt határolva, de a végein elmosódott és bizonytalan, amennyiben ott a fény a teljes eltűnésig csökkent.
22. ábra. Newton készüléke a spektrum vizsgálatához
EG legyen az ablaktábla, F a nyílás rajta, amelyen át a fénysugár belép az elsötétített szobába. ABC legyen az üveghasáb, amelynek egyik oldala éppen a néző szeme felé fordul. XY a Nap, MN a papiros, amelyre a színkép vetődik, PT maga a színkép, amelynek v és w oldalai párhuzamos egyenesek, a végei pedig félkör alakúak, YKHP és XLIT két sugár; YKHP a Nap alsó szélétől halad a kép felső részéig s az üveghasábon belül törik meg K-nál és H-nál. A második sugár a Nap felső szélétől halad a kép alsó részéig, s L-nél és I-nél törik meg. Ha az XLIT és az YKHP meg a PwTv színképet létrehozó valamennyi sugár egyformán törne meg, akkor a színkép kerek lenne. De miután a kísérlet azt mutatja, hogy a színkép nem kerek, hanem körülbelül 5-ször olyan hosszú mint széles, ennélfogva a felső P részhez jutó fénysugarak térítődnek el legerősebben, ezek tehát jobban megtörnek, mint az alsó T részhez érkezők.
A PT színkép színes volt, mégpedig a legkevésbé megtört T végén vörös, a legerősebben eltérített P végén ibolyaszínű. A közöttük levő tér sárga, zöld és kék volt. Ez megfelel annak az általam már előbb bebizonyított törvénynek, hogy a különböző színű fénysugarak különböző fokokban törékenyek.
Két vékony deszka de és DE közepére egy-egy 163 hüvelyk átmérőjű kerek nyílást csináltam (23. ábra), az ablaktáblán pedig, F-nél, sokkal nagyobb nyílást, amelyen át a napfény teljes sugara behatolt a sötét szobába. Az ablaktábla mögött az ABC üveghasábot helyeztem ennek a fénysugárnak útjába, hogy ez törje meg a sugarat a szemközti falra.
23. ábra. A napfényspektrum törésének vizsgálata
De közvetlenül az ABC hasáb mögött úgy erősítettem meg a DE deszkát, hogy a megtört fénynek csak egy része mehetett át a deszkán levő nyíláson, a többit elfogta a deszka. Ettől az első deszkától 12 lábnyira állítottam föl a de második deszkát úgy, hogy a nyíláson behatolt és megtört fénynek megint csak egy része mehetett át ennek a második deszkának lyukán, s ugyanez a deszka felfogta a színkép többi részét s létrehozta rajta a Nap színes színképét. És ezután közvetlenül a de második deszka mögött elhelyeztem az abc második üveghasábot, hogy ez eltérítse a g nyíláson behatoló fényt. Mikor most az ABC első üveghasábot lassan ide-oda forgattam a tengelye körül, elértem, hogy a színkép minden része egymás után áthatolt a g nyíláson s rá kellett esnie az emögött levő üveghasábra. Egyidejűleg a szemközt levő MN falon megjegyeztem azokat a helyeket, amelyekre a fénysugarak estek az abc második hasábon való áthatolásuk után. E helyek különböző nagyságából megállapítottam, hogy a legerősebb törésű sugarak, amelyek a színkép kék részét képezték, a második üveghasábban is erősebben törtek meg, mint a vörös fény.
F legyen ez a nyílás az ablaktáblán, amelyen át a Nap rásüt az ABC első üveghasábra. Megtörés után a fény a DE deszka közepére esik, s ennek a fénynyalábnak egy része áthatol a G nyíláson, amely ennek a deszkának közepén van. A fénynek átjutott részét megint a második de deszka közepére vetítjük, és ott hosszúkás színképet kapunk, mint fentebb leírtuk. Ha most lassan a tengelye körül ide-oda forgatjuk az ABC hasábot, akkor ez a kép le és föl fog mozogni a de deszkán s ezen a módon a színkép minden része egymás után átlép a g nyíláson, hogy másodszor is megtörje az átjutott fénysugarat. Miután megcsináltam ezt az elrendezést, a szemközti falon megjegyeztem az M és N helyeket, amelyekre a megtört sugár esett. Úgy találtam, hogy ha a két deszka és a második hasáb mozdulatlanul maradt, azok a helyek állandóan változtak az első hasáb forgatására. Ugyanis ha a
de második deszkán átlépett fény alsó része áthaladt a g nyíláson, akkor ez a fény a falnak mélyebb M helyére került. Ha ellenben a színkép felső része vetődött át ezen a g nyíláson, akkor az illető sugár a magasabb N helyre vetődött. Végül a színképnek egy közbeeső része, a nyíláson való áthatolás után, a falnak M és N helyei közé esett. A deszkák G és g nyílásainak változatlan helyzete tette, hogy az abc hasábra vonatkozóan a beesési szög minden esetben ugyanaz marad. Ugyanazon beesési szög mellett egyes sugarak mégis erősebben törnek meg, mint mások, éspedig azok törtek meg erősebben, amelyeket az első hasáb is erősebben eltérített az irányuktól. Ezért ezeket a sugarakat, miután mindig erősebben térítődnek el, helyesen nevezzük nagyobb törésű sugaraknak."
Ezek a korszakalkotó kísérletek először derítették föl a fény legfontosabb fizikai tulajdonságait. Newton arra következtetett a leírt kísérletekből, hogy a napfény számtalan, különféle törékenységű fénysugárból tevődik össze, és hogy bizonyos fokú törés mindig ugyanazt a színt hozza létre. Még bizonyosabbá tette ezt a megállapítást az, hogy alkalmas módon ismét fehér fénnyé tudta egyesíteni a színkép különféle színes sugarait. Ennek az utóbbi kísérletnek rendkívüli fontosságát Newton is felismerte, mert ő maga nevezte „experimentum crucis"-nak, döntő kísérletnek (ez a kifejezés Bacontól származik). Newton kísérletében döntő, hogy fölfedezte az egyszínű és összetett fényt. Összeállítása lényegében a spektroszkópnak nevezett és általában színképek előállítására szolgáló berendezés őse, amelynek nagy szerepe van az anyag szerkezetének kutatásában. A kísérletet elméletileg Newton a korpuszkuláris felfogás alapján értelmezte, és még nem gondolt arra, hogy a különböző színű sugarak hullámhosszban különböznek. Mivel azonban — mint láttuk — a fény mibenlétének kérdése ma is komoly probléma, ez a tévedés mit sem von le Newton kísérletének jelentőségéből.
(Isaac Newton Woolsthorpe kis angol községben született 1643-ban. Olyan vézna csecsemő volt, hogy mikor két szomszédasszony elment bejelenteni a születést, útközben arról beszélgettek, hogy talán kár is megtenni az utat, mert mire hazaérnek, a gyerek már nem lesz életben. A gyerek mégis életben maradt és a világ egyik legnagyobb szelleme lett belőle. A falusi iskolába járt. Gyenge tanuló volt. Egyszer verést kapott a legjobb tanulótól, mire a bosszúnak arra a módjára határozta el magát, hogy ő lesz az első tanuló; hamarosan az lett. Szabad idejében folyton fúrt-faragott, mindenféle gépet állított össze, többek között egy víziórát, amelyet hulló vízcseppek lökése hajtott, ezt sokáig használta a család. Továbbá összeállított egy nagyon bonyolult szélmalmot, kerekes szerkezet által mozgatott kocsit; fölállított több napórát, ezek közül egyet az Angol Akadémia könyvtárában őriznek. Mikor 14 éves korában mostohaapja meghalt, anyja gazdálkodásra akarta fogni, de Newtonnak semmi érzéke nem volt ehhez. Így került az egyetemre, ahol főleg matematikát tanult, és első jelentős felfedezéseit is a matematika területén tette. 1669-ben a matematika tanára lett Cambridge-ben. Harminc éven át töltötte be ezt az állást s igen nagy tekintélynek örvendett. A fénytan területén a fent említett alapvető kísérlete mellett Newton nevéhez fűződik a tükrös teleszkóp felfedezése. Foglalkozott a vékony lemezek színeivel is, és a róla elnevezett optikai berendezéssel egy szép interferencia-jelenséget állított elő, az ún. színes gyűrűket. Ezeknek matematikai elméletét is kidolgozta.
Bármily fontosak és jelentősek is azonban Newton fénytani vizsgálatai, nem ezek alapján tartjuk őt minden idők egyik legnagyobb fizikusának, hanem az általános gravitáció felfedezéséért, a dinamika és általában az elméleti fizika végleges kidolgozásáért, amelyben segítségére volt az ugyancsak általa Leibniztől függetlenül — felfedezett differenciál- és integrálszámítás. „Principia Matematica philosophiae naturalis" (A természetfilozófia matematikai alapelvei) című fő műve 1687-ben jelent meg, és kétségkívül ez volt a XVII. századbeli fizikának legjelentősebb eseménye. Ez a könyv tartalmazza az általános tömegvonzás törvényén kívül a dinamika Newton-féle alaptörvényeit, amelyekkel — Galilei munkásságát folytatva — egyszer s mindenkorra véget vetett az aristotelesi téves fizikai tételek uralmának.
Newton még életében elnyerte mindazt a kitüntetést, amely érdemei szerint megillette. Ő lett az egyetem parlamenti képviselője. Eleinte ugyan szűkös anyagi viszonyok között élt, de aztán a pénzverő intézet igazgatója lett nagy jövedelemmel, a királynő a „baronet” címmel tüntette ki és 1703-ban ő lett az elnöke a nagytekintélyű Angol Akadémiának. 1722-től fogva állandóan betegeskedett, 1727-ben, 85 éves korában halt meg. Rendkívüli pompával temették el a londoni Westminster apátságban, ahová a legnagyobb embereiket temetik az angolok. Emlékművén ez a felírás olvasható: „Boldogoknak mondhatják magukat a halandók, hogy közöttük élt az emberi nemnek egy ilyen ékessége.” A szülőházán pedig márványtábla áll ezzel a felirattal: „A természet és törvényei sötétségben rejtőztek, de a teremtő azt mondta: "szülessen meg Newton" és lőn világosság.”)
10. FRANKLIN FELFEDEZI A LÉGKÖRI ELEKTROMOSSÁGOT
Gilbert már az előző században kezdte kutatni az elektromosság tulajdonságait, de ő, valamint Guericke és Boyle csak a dörzsölési elektromossággal foglalkoztak. A XVIII. században jutott el odáig a fejlődés, hogy a dörzsölési elektromosságot kapcsolatba hozzák egy másik természeti jelenséggel, a villámlással. Ez a felfedezés az amerikai Benjamin Franklin érdeme. Ha ez a kapcsolat Franklin idejéig ismeretlen is volt, már az ókorban rájöttek világos fejek, hogy a villámot és mennydörgést jobban lehet befolyásolni mechanikai berendezésekkel, mint imádkozással és áldozásokkal.
Mindenesetre egyrészt már a régi görög filozófusok igyekeztek megfosztani misztikumától a zivatart, s úgy magyarázták azt, hogy éghető kénes párák gyűlnek össze a felhőkben, s ezek a párák törnek ki belőlük villámok alakjában.
De még a nagy Descartes is úgy magyarázta a mennydörgést a XVII. században, hogy a felső felhő rázuhan az alsóra.
Másrészt viszont találunk néhány bizonyítékot arra nézve, hogy a mai villámhárító ősét már az ókorban is használták. Így például III. Ramzesz sírboltja előtt árbocokat ástak ki, amelyeknek vége arannyal volt bevonva. Valószínű, hogy ezek villámhárítóul szolgáltak. És bizonyos a lelet dátuma is: 1170 időszámításunk előtt. Az edfui templom fölírásai is amellett bizonyítanak, hogy egyes ókori népek már ismerték, hogyan lehet elhárítani villámcsapásokat. Az edfui templom fölirata így hangzik: „Ez Edfu isten magas pylon-építménye: a helyén árbocok vannak párosával, hogy az ég magasságában elmessék a zivatart.” Egyik denderai templom fölírása is csak úgy értelmezhető, hogy a templom mellett fölállított és csúcsukon rézzel bevont árbocok védelmül szolgáltak villámcsapás ellen.
A régi rómaiak is kerestek már valami eljárást, amivel védekezhetnének a villámok ellen. Erre mutat az ifjabb Plinius írásának egy helye, ahol Tullus Hostilius (i. e. 672 — 640) halálát írja le. Míg a régi történészek úgy adták elő az esetet, hogy a haragos Jupiter sújtotta agyon az elmulasztott vezeklés miatt, néhány század múlva a természettudós Plinius ezt írja: „Abban a pillanatban, amikor Numa eljárása szerint le akarta húzni a villámot, de ügyetlenül csinálta ezt, villám ütötte le Tullust.” Az említett Numa apja volt Tullusnak, aki tehát ismerte a villám elvezetésének valamilyen módját. Ám ha a régi rómaiak tudtak is valamit a légköri elektromosságnak erről a megnyilvánulásáról, ismereteik nyilván feledésbe merültek, mert a XVII. századig nem hallunk olyan kísérletről, amelynek célja lett volna a villám levezetése, bár az elektromos szikrának (Wall és Winkler) felfedezése már közelebb juttatta a tudósokat ahhoz a gondolathoz, hogy a villám valószínűleg elektromos jelenség. De ezt csak Franklin kísérletei bizonyították be.
Franklin volt hazájának, Amerikának első nagy tudósa a XVIII. században, pedig nem készült tudósi pályára.
Hogyan jutott hát ahhoz, hogy a villamossággal foglalkozzon? Nagyon érdekes ennek a története. Másfél évi londoni tartózkodás után Franklin hazatért Philadelphiába s otthon nyomdát és „Junto” névvel kis tudományos társaságot alapított gazdasági, politikai és természettudományi kérdések megvitatására, amelynek könyvtára is volt. Ez volt az első amerikai kölcsönkönyvtár. Ugyanebben az időben egy dr. Spence nevű skót tudós járt Amerikában és előadásokat tartott az elektromosságról, kísérletek bemutatása mellett. Dr. Spence kísérletei elég kezdetlegesek voltak, de Franklin képzeletét mégis megragadták, és elhatározta, hogy maga is meg fogja azokat ismételni. Segítségére volt ebben, hogy Collinson, a Juntónak egy angolországi tagja, aki éveken át küldte a könyveket a könyvtárnak, 1745-ben egy villamosgépet küldött Franklinnak, meg egy könyvet azokról a kísérletekről, amelyeket a németek végeztek villamossággal. Franklin kiváló megfigyelő volt, telve tudományos kíváncsisággal. Így történhetett meg, hogy bár eredetileg nem volt fizikus, 1747-ben már sikerekről számolhat be Collinsonnak: „Soha semmiféle tanulmány nem kötötte le ennyire teljesen a figyelmemet és időmet; ha akad egy kis időm, folyton kísérletezek, ezeket aztán megismétlem barátaim és ismerőseim előtt, akiket ingerel ennek a dolognak újdonsága, s így tömegesen jönnek hozzám, hogy láthassák őket...” Valóban Franklin és társai néhány hónapi kísérletezéssel fölfedeznek olyan dolgokat, amelyek teljesen átalakítják az addigi fölfogást a villamosságról.
Az aránylag gyors eredmény eléréséhez hozzájárult az is, hogy 1746-ban Franklin visszavonult az üzlettől, mert akkor már szép vagyona volt. Ettől kezdve szakadatlanul kísérletezik, nemcsak üres óráiban, és gondolkozik az eredményeken. Rájön, hogy „a hegyesvégű testek vonzzák is, meg taszítják is a villamos tüzet”. Addig a kétféle elektromosságot üveg- és gyanta-villamosságnak nevezték, Franklin használja először a pozitív és negatív villamosság kifejezéseket. Egy 1749. november 7-én kelt levelében pedig már határozottan beszél arról, hogy a zivatar villamos természetű jelenség. Felfogásának támogatására a következő érveket hozza fel:
1. A villám olyan, mint a fény, s mindkettő pillanatokig tart.
2. A szikra is meg a villám is képesek meggyújtani testeket.
3. Mind a kettő képes megölni élőlényeket (Franklin több leydeni palack kisütésével megölt egy tyúkot). 4. Mind a kettő mechanikai pusztításokat végez, és égett kén szagát idézi elő. 5. Mind a kettő képes megsemmisíteni a mágnességet vagy megfordítani egy mágnes pólusait. 6. A villám is meg a villamosság is ugyanabban a vezetőben haladnak és szeretnek átugrani a csúcsokon. 7. A szikra is meg a villám is képes megolvasztani a fémeket.
(A leydeni palack a kondenzátor vagy sűrítő egyik fajtája, amelyet a XVIII. században fedeztek fel egymástól függetlenül a német Kleist és a holland Musschenbroeck (aki leydeni professzor volt). Lényege, hogy ha valamely vezető közelébe egy másik (földelt) vezetőt viszünk, lényegesen nagyobb mennyiségű elektromosságot lehet a vezetőn felhalmozni, mintha magában áll. A leydeni palack két fémpohárból áll, amelyek között egy üvegpohár van, az üveg a két vezető között még jobban fokozza az elektromosság felhalmozásának lehetőségét. Ha a töltött palack két fém fegyverzetét egyszerre megérintjük, az elektromosság szikra alakjában kisül. Hatalmas erősségű szikrát lehet előállítani, ha több ilyen palackot összekapcsolunk. Franklin maga is szerkesztett lemezekből sűrítő telepet, az ilyen berendezést ma is Franklin-féle táblának nevezzük.)
Ez az utolsó pont nagy vitára adott alkalmat. Franklinnak volt egy Kinnersley nevű barátja, aki szintén elektromos kísérletekkel foglalkozott, de egészen más irányban. Ő ebből a kísérletezésből élt: vándorló kísérletező volt, aki némi belépődíj ellenében mutogatta a kísérleteit. De bizonyára tudós ember volt, ha Franklin a barátságába fogadta. Sőt bizonyosan az volt, mert ebben a vitás kérdésben ő maradt felül.
Ha Franklin fémeket akart olvasztani villamos szikrával, így járt el: ónból vagy aranyból kivert finom lemezeket helyezett két üveglap közé és ezeken keresztül sütött ki egy nagy leydeni palackot. Ilyenkor nem látszott valóságos olvadás, hanem a fém finoman elporlódott. Franklin hideg olvasztásnak nevezte ezt a folyamatot, mert az ő eljárásánál nem lehetett fölismerni, hogy a kisüléskor hő keletkezik. Úgy is magyarázta a jelenséget, illetve a hideg olvasztást, hogy a villamosság behatol a fém részecskéi közé és szétválasztja, elporítja ezeket. Kinnersley másként csinálta: 85 leydeni palackot összekötött dróttal s egyszerre sütötte ki a battériát: így a fém izzásba jött, sőt megolvadt. A nemes jellemű Franklin rögtön beadta a derekát, mert ezt írta Kinnersleynek: „Az ön nagyszerű kísérlete kétségtelenné teszi, hogy a mesterséges elektromosságunk hőt termel, és ha fémet olvaszt meg, ez nem azon módon történik, amit én hideg olvasztásnak neveztem.”
Ez mind csupán helyes tudományos következtetés volt a villám természetére vonatkozóan, de nem végleges és kézzelfogható bizonyítás. Franklin szolgált ilyennel is és hozzátehetjük, hogy ez volt a legfontosabb kísérlete gyakorlati szempontból is, mert ebből született meg a mai villámhárító. 1752. június 22-én, amikor zivataros idő készülődött, Franklin egyik fiával együtt kirándult a szabadba. Közönséges papírsárkányt vittek magukkal, amilyennel a fiúk még ma is játszanak. Csak parányit módosított rajta, mert Franklin tudta, hogy az elektromosság szereti a csúcsokat, hát egy kis fémcsúcsot alkalmazott a sárkány felső részén. Ez majd magához vonzza a villamosságot. Közönséges kendermadzaggal eresztették föl a sárkányt, vaskulcsot erősítettek a madzag alsó végéhez, a vaskulcshoz pedig erős selyemfonalat. Franklin nem a vaskulcsot fogta, hanem a selyemfonalat. Nemsokára sikerült villamosszikrákat kicsalnia a kulcsból. Közben megeredt az eső, a zsinór átnedvesedett, s így erősebb szikrák pattantak ki a kulcsból. Ez most már végleges bizonyítása volt annak, hogy a villám a légköri elektromosság egyik megnyilvánulása.
Ebből a kísérletből hamarosan megszületett a villámhárító ötlete is. Franklinnak egyik leveléből (kelt 1753. nov. 12.) világosan látható, hogy akkor már teljesen tisztán állott előtte a villámhárítás elmélete. Íme ezt írja: „Ha vasrudat alkalmaznak egy épület külsejére, amelyik megszakítás nélkül folytatódik a legmagasabb résztől a nedves talajig, akkor ez a rúd a felső végén felfogja a villámot és levezeti a földbe, így elhárítjuk, hogy az épület valamelyik része kárt szenvedjen. A villámhárítónál kis mennyiségű fém elvezet nagy mennyiségű villamosságot. Egy vasdrót, amelyik csak lúdtoll vastagságú volt, elvezette a villamosságnak olyan mennyiségét, amely a két végén borzasztó pusztítást okozott. Vaskapcsokkal kell a falhoz, a kéményhez stb. erősíteni a rudat. A villám nem hagyja el a jól vezető rudat, hogy ezeken a kapcsokon át a falba hatoljon. Ha az épület nagyon nagy, biztonság kedvéért több rudat is el lehet helyezni különféle helyeken. A rúd alsó végét olyan mélyen kell a talajba vezetni, hogy nedves réteget érjen. Ha meghajlítják a rudat s vízszintes irányban fut az épülettől 6—8 lábnyit, de aztán 3—4 lábnyit megint lefelé tesz meg, akkor megvédi a károsodástól az alapnak minden kövét.”
Ez már olyan pontos leírása a villámhárítónak, melyhez a mai szakember sem sokat tehet hozzá.
Franklinnak Collinsonhoz írt levelei, amelyekből a fenti idézeteket is vettük, rendkívül megnyerték Collinson tetszését. Bemutatta ezeket a Royal Societyben is, ahol eleinte idegenkedve fogadták a „műkedvelő” amerikai felfedezéseit. A levelek eljutottak Franciaországba is és először franciául jelentek meg eléggé kezdetleges fordításban. Mégis óriási sikert arattak. Ezután Collinson angolul is kiadta a leveleket: „Új kísérletek és megfigyelések az elektromosságról” címen és most már a Royal Society is tagjául választotta Franklint, sőt aranyéremmel tüntette ki 1753-ban.
Franciaországban ekkor már működött is az első villámhárító, amelyet 1752-ben Franklin barátja, d’Alibard (vagy Dalibard) az ő leírása alapján állított fel a király parancsára.
A levelek megjelenése után a villámhárító elég gyorsan elterjedt. Angliában 1762-ben kezdtek villámhárítókat szerelni az épületekre. Németországban 1769-ben. (Ennek a könyvnek szerzője is a villámhárítónak köszönheti, hogy Hódmezővásárhelyen született és nem másutt. Történt ez akként, hogy a dédnagyapám mint vándorló aranyműveslegény járta az országot. Egy este Vásárhelyre érkezett, ahol csak az éjszakát akarta tölteni. A város egész területe Károlyi uradalom volt, ahol éppen akkor szerelték a villámhárítókat (a XVIII. század utolsó évtizedeiben). Dédapám éppen kapóra jött, másnap nem engedték tovább, el kellett készíteni az aranykupakokat a villámhárító rudak végére. Aztán végleg ottragadt, ott született a nagyapám is, meg jómagam.)
Mint sok más hasznos találmánynak, a villámhárítónak is sok ostoba babonával kellett megküzdenie. Elmondunk egy érdekes esetet. Svájcban Saussure, a kiváló természettudós, a Mont Blanc első megmászója, vezette be a villámhárítót, 1771-ben szereltette föl genfi házára. A város bigott népsége felháborodott ilyen istentelenség miatt és olyan fenyegetően viselkedett, hogy Saussure kis füzetet írt ennek a találmánynak hasznosságáról, kinyomatta és ingyen osztogatta mindenkinek, Franciaország — bár az első villámhárító hazája volt — elutasítóan viselkedett, aminek egy tragikus következménye is lett Amerikában. Philadelphiában, Franklin városában már 400 villámhárító működött 1782-ben. Minden nyilvános épületre fölszerelték az új találmányt, csak az ottani francia követ nem engedte meg a fölszerelést, nyilván a hazulról hozott ellenszenv miatt. 1782 tavaszán azonban éppen az ő házába csapott be a villám és megölt egy tisztet. Ez aztán meggyőzte a követet is a villámhárító hasznosságáról. Velence köztársaság hadihajóit 1778-ban szerelték föl villámhárítókkal, az angol hajókat tíz évvel később.
Franklin kísérleteit természetesen sokan megismételték, így a francia de Romas (megh. 1776) is, 1753 nyarán, de sokkal nagyobb arányban. Az ő sárkányának teste 7,5 láb hosszú volt, a fölereszthető zsinór 780 láb hosszú. De Romas rácsavarta ezt egy vékony vasdrótra, hogy el ne szakadjon. A zsinór végét bádogcsőhöz erősítette, amelyből ezután 8 láb hosszú szikrákat tudott kicsalni.
Richmann orosz fizikus szerencsétlenül járt, amikor megismételte Franklin kísérletét. Rudat állított föl, amelynek alsó vége elektroszkóppal volt összekapcsolva. Egyszer zivatar idején közeledett ehhez az elektroszkóphoz, de gömbvillám csapott ki a rúdból és agyonütötte a tudóst.
A francia Le Monier kísérletei is nagyon fontosak voltak. Már 1752-ben sikerült bebizonyítania, hogy a légkör nemcsak akkor elektromos, amikor zivatar van — mindeddig úgy hitték —, hanem szép időben is, amikor felhők sincsenek az égen.
(Benjamin Franklin 1700-ban született Boston mellett. Apja szegény szappanfőző volt. Tízéves korában már nem futotta tandíjra, abbahagyta az iskolázást, fivére mellé került inasnak, akinek nyomdája volt Bostonban. Franklin nemcsak szedte a betűket, hanem cikkeket is írt, amelyeket álnévvel küldött el bátyjának, s meg is jelentek. De mikor bátyja rájött erre, irigységében elzavarta öccsét. Franklin Philadelphiába ment, majd Angliába. Visszatérte után nyomdát alapított és újságot, kalendáriumot is adott ki. Talán ő volt az első szerkesztő, aki tudománynépszerűsítő cikkeket is közölt lapjában. Akkor végezte azokat a kísérleteket is, amelyeket leírtunk. 1747—1754 között írta már említett leveleit, melyeket a világ minden kultúrnyelvére lefordítottak. 1767-ben az amerikai angol gyarmatok főpostamestere lett, majd képviselőnek választották meg. Az amerikai gyarmatok függetlenségi harcának egyik legkiemelkedőbb alakja volt. Sokáig tartózkodott Franciaországban is, diplomáciai küldetésben, és sikerült Franciaország katonai segítségét megszerezni a szabadságukért küzdő gyarmatok számára. Életének utolsó szakaszában háromszor választották meg Pennsylvania elnökének és Washingtonnal együtt kivette a részét az Egyesült Államok alkotmányának kidolgozásában is.
Rendkívül gazdag és színes életében nemcsak politikai és tudományos szerepe figyelemre méltó. Már említettük, hogy kölcsönkönyvtárat és tudományos egyesületet alapított (ebből lett a philadelphiai egyetem), de ő szervezte meg Philadelphiában az első önkéntes tűzoltó egyesületet, elérte, hogy az utcákat kikövezzék és kivilágítsák, ő alapította az első kórházat, és ha szükség volt rá, megszervezte az önkéntes nemzetőrséget, és mint annak ezredese vezette azt... Tudományos működése kiterjedt a gyakorlat és a természet legkülönbözőbb területeire: fölfedezte a Golfáramot, újfajta kályhát talált fel, de találmányát nem szabadalmaztatta, mert — mint mondta — „Ha élvezzük az előnyeit mások találmányainak, örülnünk kell, ha mi is szolgálatára lehetünk másoknak találmányainkkal.” I790-ben halt meg. Temetésénél maga Washington tartotta a gyászbeszédet. A francia parlamentben pedig Mirabeau háromnapos gyászt rendelt el Franklin tiszteletére. Jellemző Franklinra az a. sírfelirat, amelyet maga fogalmazott meg, 22 éves korában: „Benjamin Franklin nyomdász teste nyugszik itt a férgek táplálékául (mint egy régi könyv fedele, amelyből kitépték a nyomtatott és aranyozott szegélyű lapokat), de azért a mű nem megy veszendőbe, mert (mint ő hiszi) újból meg fog jelenni újabb, elegánsabb s a szerző által javított és bővített kiadásban.” Egyéniségére s korábban betöltött szerepére legjellemzőbb az a latin vers, amelyet d’Alembert fogalmazott meg még életében: „Eripuit coelo fulmen sceptrumque tyrannis”, magyarul: az égből a villámot, a zsarnok kezéből a jogart ragadta ki. Talán még jellemzőbb azonban Franklin válasza: „Túlságosan sokat tulajdonít nekem, különösen, ami a zsarnokot illeti. A forradalom sok derék, bátor ember munkája, és már az is dicsőség számomra, ha egy kis részt vállalhattam belőle.”)
11. TOVÁBBI ELEKTROMOS KUTATÁSOK A XVIII. SZÁZADBAN: COULOMB
Franklin nemcsak a légköri elektromosság iránt érdeklődött, hanem elméletet is állított fel az elektromosság mibenlétére, amellyel kielégítően értelmezte a leydeni palack működését. A XVIII. században, amikor az érdeklődés ismét az elektromosság felé fordult, általában rengeteg kísérletet végeztek, bár ezek nagy része egyelőre csak vaktában tapogatózás volt, a tapasztalatok azonban egyre sokasodtak, míg megérett az idő átfogó elmélet és mennyiségi törvények felállítására is. Ezekből az új és érdekes tapasztalatokból ismertetünk néhányat.
Nagy meglepetést okozott például, hogy az elektromos jelenségek olyan szokatlan körülmények között is megjelentek, amelyek igazán bámulatot keltettek még a tudósok körében is. Picard francia fizikussal történt például 1675-ben a következő dolog: a Torricelli-féle légsúlymérővel kísérletezett teljes sötétségben. Egyszer megrázta a higanyoszlopot s legnagyobb csodálkozására a higanyoszlop fölötti légüres tér villódzani, foszforeszkálni kezdett. Nem tudta okát adni a különös jelenségnek, de megírta a Royal Society folyóiratában, s nagy vitát váltott ki vele. Végre az akadémiának egy Hawksbee nevű fizikus tagja találta meg a helyes magyarázatot: ez a jelenség is a dörzsölési villamosság körébe tartozik, a rázás következtében a higany az üveghez dörzsölődik, és így villamos erő keletkezik. Sőt kísérletet is eszelt ki, hogy bebizonyítsa felfogásának helyességét. Két csapágy közé fogott egy üres üveggolyót és gyors forgásba hozta. Egyik asszisztense végezte a forgatást, ő meg a forgó golyóhoz nyomta a száraz, meleg tenyerét: a golyó olyan erősen villamos lett, hogy hüvelyknyi szikrákat lehetett kicsalni belőle. Ez azonban még csak annyit bizonyított, hogy dörzsöléssel villamossá lehet tenni az üveget. De honnan eredt a felvillanás a Torricelli-cső felső részén? Hawksbee kimutatta ezt is: ha légüresre szivattyúzta a használt üveggömböt, ez is éppúgy villódzott, mint a Torricelli-cső légüres része megrázás után.
Du Fay (1698—1739) állapította meg kísérleti úton elsőnek, hogy kétféle villamosság van. Aranyfüst elektroszkóppal kísérletezett. Abból az elméleti elgondolásból indult ki, hogyha üvegbottal megvillamoz egy lemezkét, ezt el fogja taszítani minden olyan test, amelyet dörzsöléssel tesz villamossá. Ám ez a felfogás csődöt mondott, mikor gyakorlatilag kipróbálta. Megvillamozott egy fémlemezkét, és most olyan gyantaszerű testekhez közelítette, amelyeket előbb megdörzsölt: nos, ezek a testek nemhogy eltaszították volna a lemezkét, inkább magukhoz vonzották. De Fay és a korabeli fizikusok ezért különböztettek meg kétféle villamosságot s nevezték ezeket gyanta- és üvegvillamosságnak. De a további kísérletezések során különös tapasztalatokra tettek szert: gyantaszerű testeket villamozni lehetett üvegvillamossággal és megfordítva. Akkor látták, hogy ez az elnevezés, illetve a kétféle villamosságnak ilyen módon való megkülönböztetése nem jó. Franklin ezért nevezte el a kétféle villamosságot negatívnak és pozitívnak. Du Fay jött rá arra is, hogy a testek nemcsak villamozhatóság szempontjából különböznek egymástól, hanem a villamosságot sem egyformán jól vezetik, sőt némelyik egyáltalán nem vezeti. Ettől kezdve elektromos berendezésekben tudatosan alkalmazták a nem vezető anyagokat szigetelésre.
A vezetés mechanizmusának tanulmányozása terén Stephan Grey angol fizikusnak vannak nagy érdemei. Grey is ügyes és ötletes kísérletező volt. A XVIII. század első évtizedeiben élt, többet nemigen tudunk róla. Üvegcsövet parafadugóval zárt el. Megvizsgálta, vajon most éppen úgy lehet-e dörzsöléssel villamossá tenni, mint be nem dugaszolt állapotban. A bedugaszolt üvegcső éppen úgy villamos lett. De valami különöset tapasztalt: most nemcsak az üvegcső vonzotta magához a tollpihét, hanem a parafa is, tehát ez is villamos lett. Újabb kísérleteket végzett, de változtatással. Fapálcát dugott át a parafán úgy, hogy ennek a másik végére elefántcsontgolyót húzott. Megdörzsölte a csövet. Nemcsak az üvegcső lett villamos, hanem ez a golyó is. Mi történt itt? Nem volt nehéz megállapítani: a dugó átadta a villamosságot a fapálcának, ez pedig a golyónak, tehát a dugó, fa és golyó vezetik a villamosságot.
Grey továbbment. Meg akarta vizsgálni, milyen távolságig terjedhet ez a vezetés. A fapálca helyébe kifeszített fonalat tett, amely selyemszalaghoz volt erősítve. Ezzel az eljárással 700 láb (több mint 200 méter) távolságra el tudta vezetni az elektromosságot. De ha a fonál nem selyemszalagon, hanem dróton nyugodott, a kísérlet nem sikerült. Ez még jobban megerősítette azt a tényt, hogy egyes anyagok vezetik a villamosságot, más anyagok nem vezetik. További kísérleteinél a haj, selyem, gyanta és üveg már mint szigetelők szerepeltek. A legkedveltebb mutatvány volt abban az időben, hogy valakit szigetelt talapzatra állítottak, megvillamozták és szikrákat csaltak ki például az orrából. Grey tapasztalatai alapján gyantalepényt használt ilyen szigetelő talapzatnak.
Hadd említsünk meg még néhány érdekeset Grey előfutár-kísérleteiből. Így például ő vette észre először, hogy az elektromosság mindig a vezető felületén helyezkedik el. Másik érdekes kísérlete a következő volt: Grey egy csésze vizet tett a szigetelő talapzatra. Most dörzsöléssel megvillamozott egy üvegbotot, közelítette a vízhez és a víz színe kis mértékben emelkedett. A villamosság tehát vonzotta a vizet is. Greynek ez a kísérlete fontos felfedezéshez vezetett. A leydeni egyetem két fizikusa villamozni akart vizet, amely szigetelt üvegedényben állott. Úgy akarták villamozni, hogy a vízbe fémdrótot tettek s ehhez érintették a megdörzsölt üvegbotot. Kísérletezés közben a véletlen egyszer úgy hozta, hogy az egyik tudós kezében tartotta az edényt, s ugyanakkor megérintette a csövet is... egyszerre csak erős villamosütést kapott, amit főleg a karjában és mellében érzett. Nagyon erős ütés lehetett, nagyon megijedhettek tőle, mert 1746-ban úgy írják le ezt a kísérletet, hogy borzalmas volt, és bizony a feltalálók még a francia koronáért se tennék ki magukat másodszor is hasonló erejű villamos ütésnek.
Musschenbroek és Cunneus leydeni fizikusok végezték ezt a kísérletet, és ezért sokáig nekik tulajdonították a leydeni palack fölfedezését. De megelőzte őket Kleist, aki már egy évvel előbb, 1745-ben közölte a következő nevezetes kísérletét. Orvosságos üvegbe vasszöget tett és megvillamozta ezt. A másik kezével véletlenül hozzányúlt a szeghez és abban a pillanatban heves villamosütést kapott. Ez az ütés még erősebb volt, ha egy csepp higany is volt a palack fenekén. Ez a két felfedezés vezetett a már említett leydeni palack előállításához, amely az elektromos kísérleteket nagy lépéssel vitte előre, mert itt most nagyobb mennyiségben állott rendelkezésre az elektromosság. Az új készüléket be kellett mutatni a francia királynak is, és a mutatvány főleg abból állott, hogy több mint száz személy fogta meg egymás kezét s ezen a láncon át sütötték ki a leydeni palackot.
Megfigyelték azt is már a XVIII. században, hogy a leydeni palack hosszabb időn át megtartja az általa összegyűjtött villamosságot. Tudták azt is, hogy a leydeni palackot nem lehet villamossággal megtölteni, ha szigetelve van. Ám ez utóbbi dolgokra inkább Franklin jött rá. Franklin fedezte föl, hogy a leydeni palack külső és belső fegyverzete ellentétes villamossággal van töltve. A következő kísérlettel jött erre rá. Ha selyemfonalon függő könnyű golyót közelített a palack belső bevonatához, az eleinte vonzotta a golyót, de amint a golyó is villamos lett, eltaszította magától. De ha utána ugyanezt a golyót a külső bevonathoz közelítette, ez magához vonzotta. Ebből csakis arra lehetett következtetni, hogy a két bevonat, a külső és a belső fegyverzet ellentétes töltésűek... és a leydeni palack kisülése nem egyéb, mint ennek a két ellentétes töltésnek a kiegyenlítődése.
Arra az ötletre, hogy több leydeni palack összekapcsolásával erősebb telepet lehet létrehozni Danzignak Gralath nevű polgármestere jött rá. Több üvegedényt vett elő, félig vízzel töltötte meg őket, az utolsó edényből golyóval ellátott drót meredt ki. Egyszerre összekötötte valamennyi edényt a villamozó gép vezetőjével. Mikor aztán kézzel kisütötte, nagyon heves villamosütést kapott. De nem mondta azt, amit a két leydeni tudós fizikus mondott, hogy a francia koronáért se ismételnék meg a kísérletet, hanem tovább dolgozott. Még abban az évben (1746) sok leydeni palack összekapcsolásával olyan erős telepet állított össze, hogy látványosságnak is beillett: fényes nappal is 200 lépésről meg lehetett látni a kisülés szikráját, a sercegést vagy pattogást pedig még nagyobb távolságból lehetett hallani.
Az első villamozó gép, amely Guerickéénél tökéletesebb volt, könnyebben kezelhető és nagyobb mennyiségű elektromosságot termelt Hausen, illetve Hausen egyik hallgatójának találmánya volt. 1743-ban Hausen leipzigi tanár mutatta be a hallgatóknak Guericke készülékét. Ekkor fölállott egyik hallgatója és azt mondta, hogy az üvegcső fáradságos dörzsölését meg lehetne takarítani, ha nagyobb üveggolyót forgó mozgásba hoznának. A javaslatot átvitték a gyakorlatba és nagyon jól bevált. Képünk a többszörösen tökéletesített készüléket ábrázolja. Sokáig csakis ezt a villamozó gépet használták. Később az üveggolyó helyett üvegkorongot alkalmaztak és a dörzsöléshez higanyvegyülettel bevont bőrvánkost használtak.
A XVIII. század főbb ismereteit a dörzsölési elektromosságra nézve a következőkben foglalhatjuk össze: az általában szigetelőknek nevezett anyagok dörzsölésekor kétféle elektromosság keletkezik, pozitív (üveg) és negatív (gyanta) elektromosság. A dörzsölés megosztást hoz létre a két dörzsölt testben, az egyik így pozitív, a másik negatív elektromosságot nyer. Az azonos töltésű testek egymást taszítják, míg az ellentett elektromosságú testek között vonzóerő lép fel.
24. ábra. Elektromozó készülék a XVIII. századból
Az elektromosság mibenlétére két elmélet állt szemben egymással, az egy- és a kétfolyadékos elmélet. Mindkét elmélet szerint az elektromosság valamilyen finom, súlytalan folyadék (fluidum), de az egyfolyadékos szerint csak egy ilyen folyadék van (a pozitív), a negatív elektromosságot mutató testekben hiányzik a folyadék (Franklin). A két-folyadékos elmélet szerint a testekben általában a kétféle folyadék egyensúlyban van, ezért a testek kifelé mindaddig semlegesek, míg dörzsölés vagy megosztás útján a kétféle folyadék el nem válik egymástól (Du Fay). Mindkét elmélettel a legtöbb ismert jelenséget értelmezni lehetett és ma már tudjuk, hogy mindkettőben volt némi igazság mai felfogásunk szerint. (Tekinthetjük ugyanis úgy a dolgot, hogy az anyag, amely az aránylag nagytömegű pozitív atommagból és a kisebb tömegű, könnyen mozgó elektronokból áll, akkor lesz pozitív töltésű, ha belőle elektronok távoznak el. Tehát ha csak egyféle (de negatív!) elektromosságot tételezünk fel, a pozitív elektromosság egyszerűen elektronhiánynak fogható fel. Találkozunk azonban — ritkábban ugyan — a pozitív töltések mozgásával is, tehát beszélhetünk kétféle elektromosságról is.)
A XVIII. században a fizika egyéb területein, elsősorban a mechanikában, már lényegesen messzebb tartottak. Nem elégedtek meg a jelenségek fölfedezésével, leírásával és esetleg valamiféle többé-kevésbé helyes magyarázatot adó elmélet felállításával, hanem arra törekedtek, hogy a jelenségekben szerepet játszó fizikai mennyiségek között számszerű összefüggéseket keressenek, más szóval nemcsak kísérletezni, hanem mérni is akartak. Az elektromos jelenségek területe is mindaddig többé-kevésbé összefüggő tapasztalatok rendezetlen halmaza maradt, míg nem sikerült valamilyen mennyiségi törvényt találni az elektromos vonzó- és taszítóerőre. Ezt a nagy jelentőségű törvényt találta meg Auguste Coulomb, nemcsak az elektromosságra, hanem a mágnességre vonatkozóan is.
Coulombnak két nehézséget kellett megoldania. Először is nagyon kis erőket kellett pontosan megmérnie, másodszor valamilyen számszerű értéket kellett találnia a bizonytalan elektromos „töltés”, „mennyiség” mérésére. Hasonló problémával került szembe Cavendish (1731 — 1810) is, amikor földi testek között akarta a vonzóerőt megmérni, hogy az ún. gravitációs állandót kiszámíthassa, Cavendish erre a célra az ún. csavarási rugalmasságot használta fel. A lényeg itt az, hogy ha sodratlan selyemszálon vagy vékony fémszálon függ egy test, a szál már a legkisebb erő hatására elcsavarodik, az elcsavarodás szöge nagy áttételű mutatóval mérhető és ebből a hatóerő (forgatónyomaték) kiszámítható.
25. ábra. Coulomb-féle mérleg
Coulomb is Cavendish csavarási mérlegét választotta mintául elektromos és mágneses méréseihez. Elektromos kísérleti berendezését a 25. ábra mutatja. ABCD 32,5 cm átmérőjű és magasságú üveghenger, amelynek tetején két nyílás van, E és F, mindegyik 4,5 cm-es átmérőjű. F-be 65 cm hosszú üvegcső van erősítve, tetején csavarási mikrométerrel ellátott rézcsavarral.
Ide van erősítve egy 76 cm hosszú, vékony ezüstszál, mintegy 0,33 mm vastag. Ez tartja a vízszintes rudat, amelynek a végén a W terpentinnel átitatott papírlemez van, ez egyensúlyt tart a rúd másik végén a 6 mm átmérőjű x bodzabél-golyócskával. Az E nyíláson hasonló méretű bodzabél-golyócskát lehet bebocsátani úgy, hogy x és y érintkezzenek. Ha most az E tűvel a két golyócskának egyenlő töltést adott Coulomb, azok egymást eltaszították, a rúd elfordult, az elfordulás szögét fenn a mikrométercsavarral mérni lehetett.
A berendezés mutatja, hogy a pontos mérések elvégzéséhez igen nagy türelem, ügyesség és alaposság kellett. Coulomb változtatta a golyók közötti távolságot, a töltés nagyságát, és sok mérés elvégzése után jutott el híres törvényéhez, amely szerint az elektromos vonzó-, illetve taszítóerő egyenesen arányos a töltések nagyságával és fordítottan arányos a köztük levő távolság négyzetével. Így megoldódott a töltés mérésének kérdése is, mert a töltés egységéül azt a töltést lehetett választani, amely az ugyanakkora töltést egységnyi távolságból egységnyi erővel taszítja.
A hasonló elven alapuló, valamivel egyszerűbb berendezést a mágneses vonzó- és taszítóerő mérésére a 26. ábra mutatja. Itt ugyanis valamivel nagyobb erők méréséről van szó. Az eredmény ugyanaz volt, mint az elektromos méréseknél: hasonló jellegű erő lép fel két mágnestű pólusai között, mint két elektromos töltés között.
26. ábra. Coulomb mágneses mérlege
A Coulomb által megkezdett úton kiépült az elektrosztatika (dörzsölési elektromosság) és a mágnesség matematikai elmélete, amely az újabb és további felfedezésekkel párhuzamosan fejlődve a XIX. században az elektromosságot nemcsak egyik legfontosabb energiaforrásunkká tette, hanem elvezetett az anyag szerkezetének közelebbi megismeréséhez is.
(Auguste Coulomb 1736-ban született Angouléme-ben, Tanulmányai befejezése után katonai szolgálatba állt; néhány évi gyarmati szolgálat után mint műszaki tiszt szolgált, de technikai feladatai mellett állandóan foglalkozott tudományos kérdésékkel is: mechanikával, mágnességgel és elektromossággal. 1781-ben a Francia Akadémia tagja lett, a francia forradalom után már csak a tudománynak élt. Főbb kutatási eredményeit 1785 és 1788 között tette közzé a Francia Akadémia „Mémoire”-jaiban. 1806-ban halt meg Párizsban.)
12. GALVANI FELFEDEZI AZ ÉRINTKEZÉSI VILLAMOSSÁGOT
A legjobban működő elektromos gép is, amely a dörzsölésen alapszik, aránylag kis mennyiségű elektromos töltést termel. A nagy távolságot átütő elektromos szikrákban csak az ún. feszültségkülönbség nagy, a töltés elég kicsi. Az elektromosságnak a gyakorlatban való hasznosítására akkor kerülhetett sor, amikor az elektromosságnak a dörzsölés mellett új forrását is fölfedezték, ehhez volt az első lépés a század végén az érintkezési vagy galván-elektromosság fölfedezése. Ez a fölfedezés az olasz Galvani nevéhez fűződik és nagyon érdekes a története. De mint majdnem minden felfedezésnek vagy találmánynak, ennek is van előzője.
1750 körül Sulzer német matematikus-fizikus szokatlan dolgot figyelt meg: két különféle fémnek puszta érintkezése különös hatást vált ki. Csak éppen Sulzer még nem tudta, hogy ez a hatás villamos természetű. A kísérlet egészen újszerű volt: egy darab ólom meg egy darab ezüst közé dugta ajnyelve hegyét, de úgy, hogy a két fém érintkezett egymással (27. ábra). Valami csípős ízt érzett, amely hasonlított a vasgálic ízéhez. Hosszú értekezést írt erről a jelenségről, de helyesen megmagyarázni nem tudta. Mi már ismerjük az okát, ha a nyálba két különböző fém kerül, az így keletkezett kis galvánelemben áram keletkezik, amely a nyálban vegyi hatást okoz, ez okozza a csípős ízt. Sulzer tehát öntudatlanul a galvánelemet fedezte fel.
27. ábra. Első bizonyíték az érintkezési elektromosságra
Más kísérletezők is vettek észre valami hasonlót; ónból vagy horganyból készült serleget állítottak ezüst talapzatra és vízzel töltötték meg. Ha most valaki a nyelve hegyét belenyújtotta ebbe a vízbe, teljesen ízetlennek találta, amíg nem érintette az ezüst talapzatot. De, ha egyik nedves kezével megfogta ezt, a nyelve mindjárt ízt érzett.
E tapasztalatok további vizsgálatára azonban akkoriban még nem gondoltak, míg Galvani nagy jelentőségű felfedezésének híre nem futott. A galvánelem, galvanozás méltán viseli az ő nevét, sőt az újfajta elektromosságot magát is sokáig galvanizmusnak nevezték.
Galvani eredeti felfedezésének története egészen legenda-szerűen hangzik. Az egyik forrás szerint Galvani orvostanár 1786-ban békacombokat preparált ki kísérleti célra. Egyik comb a villamozó gép közelében volt az asztalon. Tanítványok is segítettek a kísérletezésnél, s egyik véletlenül hozzáértette kését a békacombhoz: a comb erre erősen rángatózni kezdett. „Valaki” megjegyezte, hogy a rángatózás csak akkor következik be, ha ugyanakkor szikráztatjak a villamozó gépet. Nos, sokan vannak, akik azt mondják, hogy ez a „valaki" Galvani felesége volt. Mások megint úgy adják elő a dolgot, hogy egyenesen Galvaniné volt, aki elsőnek vette észre a békacombok rángatózását, ha késsel értek hozzájuk, és ő szólt róla férjének. Mindenesetre elmondjuk azt, ami Galvani naplójából (megjelent 1791-ben) érdekel bennünket.
Valóban azzal a megfigyeléssel kezdődött a dolog, hogy egy frissen preparált békacomb mindig rángatózni kezd, ha villamos kisülés történik közelében, akár leydeni palackot sütnek ki, akár a villamozó gépet szikráztatják. Galvani 1780-ban észlelte először ezt a jelenséget. Egyébként régen tudtak arról, hogy holt állatok izmai megvonaglanak, ha villamos áram éri őket, annál inkább tudták ezt, mert a tengerpartokon sokszor látták az emberek, hogy döglött halak is megvonaglanak, ha a villamos rája megcsapja őket. De Galvani éppen azt találta feltűnőnek, hogy akkor is mutatkoznak vonaglások, ha nincsen összeköttetés a villamosgép meg a békacomb között. Elvégezte hát a következő kísérletet: egy preparált békát rátett az asztalra, amelyen a villamozó gép állott. Egyik asszisztense most kés hegyével érintette a 28. ábra bal sarkában látható békacomb idegeit: az összes combizmok összehúzódtak annyira, mintha a béka heves görcsökbe esett volna... de csak abban az esetben, ha ugyanakkor a comb mellett az asztalon álló villamozó gépből szikrát csaltak ki. Az is szükséges, hogy a comb földelve legyen, vagyis hozzáérjen a padlóhoz; ez eleinte a véletlen műve volt, de később Galvani vezető dróttal földelte a combokat.
Galvani rendkívüli módon meglepődött az eredményen, mikor először végezte a kísérletet és további kutatásokra ösztönözte. Mint maga írja említett naplójában: „Hihetetlen buzgalom lobbant lángra bennem, hogy napvilágra hozzam azt, ami e jelenség mögött rejlik.” Először azt kezdte kutatni, vajon a Franklin által felfedezett légköri villamosság ugyanúgy kiváltja-e a békacomb rángatózásait? Ezt egyszerű kísérlettel is el lehetett dönteni. A házára szerelt villámhárítóból drótot vezetett a szobájába, és arra nemcsak békacombokat, hanem kisebb melegvérű állatok combjait is fölakasztotta idegeiknél fogva, és a combokat egy másik drót segítségével a földdel is összekapcsolta, vagyis földelte. Amint villámlani kezdett, az történt, amire Galvani számított: a lábak összerándultak. „Miután megismertük a zivatar villamosságának erejét mondja megint Galvani a naplójában —, szívünk égett a vágytól, hogy kikutassuk a mindennapi nyugodt légköri villamosság erejét is.”
28. ábra. Galvani kísérletei békacombokkal
Ezért kertjének vaskerítésére preparált békákat akasztott rézkampóra, és ezek nemcsak zivatar alkalmával, hanem olykor szép időben is összerándultak. A tudós úgy vélte, ebből csak egyre lehet következtetni: a légköri villamosság változásai okozzák- ezeket az összerándulásokat.
A kísérlet után visszavitte az állatot a zárt szobába és letette egy vaslapra. A rézkampó még benne volt az állat gerincében. Mikor ez a kampó odaért a vaslaphoz, a láb izmai ismét megvonaglottak. Galvani nemcsak meglepődött ezen, hanem rájött valamire, ami új megismerés volt: ennek a jelenségnek már semmi köze a légköri elektromossághoz.
Galvani megismételte a kísérletet, de egy fontos változtatással: most üveglapra tette rá a békát, tehát olyan anyagra, amelyik nem vezeti a villamosságot, a rézkampót pedig összekötötte az állat lábával. Ez most döntőnek látszó eredménnyel szolgált: ha villamosságot vezető fém létesítette az összeköttetést, akkor fölléptek vonaglások, de ezek nem mutatkoztak, ha valami szigetelő anyag szolgált összekötőül, A 29. ábra mutatja, hogyan végezte Galvani ezeket az összekapcsolásokat.
29. ábra. Galvani különböző fémekkel végzett kísérletei
Látjuk, hogy Galvani nagyon ügyes és kitartó kísérletező volt. A jelenség helyes fizikai magyarázatát azonban nem találta meg. Kétfélét lehetett gondolni. Az egyik az, hogy a jelenség oka az állati szervezetben van. A másik lehetőség, hogy a békacombok csak passzív szerepet játszanak, a jelenség tulajdonképpeni oka az az elektromosság, amely különféle fémek érintkezésénél keletkezik, a békacomb csak az elektroszkópot helyettesíti, azt a műszert, amellyel a fizikus ki tudja mutatni az elektromosság jelenlétét. Galvani az első lehetőséget választotta és úgy vélte, hogy az észlelt jelenségek oka az állati elektromosság. Sőt egy kicsit szabadjára engedte fantáziáját, azt gondolva, hogy az elektromosság székhelye az agyvelő, ahonnan az idegek viszik szét az izmokba. Még tovább ment: az izmok leydeni palackokként működnek, egy izom felülete más töltésű, mint a belseje. Föltette, hogy az ideg a leydeni palack vezetője, ezért vezető összeköttetésbe hozta az ideget egy izom felületével, amely a palack külső bevonatának felelne meg: ilyenkor valóban észlelt kisülést, amit úgy magyarázott, hogy ez az izomanyag összehúzódásának következménye.
Ez a lényegé Galvani kísérleti kutatásainak. A nyilvánosságra hozott eredmények persze óriási föltűnést keltettek az egész világon. Raymond Du Bois, a múlt század derekán élt nagy német életbúvár, aki maga is igen jelentős kutatásokat végzett az állati mágnesség körében, könyvet is írt erről és ezt mondja: „Hogy Galvani értekezésének megjelenése milyen vihart váltott ki a fizikusok, életbúvárok és orvosok körében, ezt csak akkor érthetjük meg, ha hasonlítjuk ahhoz a viharhoz, amely ugyanakkor Európa politikai égboltján vonult végig (a nagy francia forradalom). Ahol csak akadt egy béka, és hozzá lehetett jutni két különböző fémdarabhoz, ott mindenki maga akart meggyőződni arról, a saját szemével, hogy lehetséges ez a csodálatos életrekeltése megcsonkított végtagoknak.”
(Aloisio Luigi Galvani 1737-ben született Bolognában. Előbb teológiát, majd orvostudományt tanult. Mint orvos feleségül vette az egyetem bonctantanárának lányát. A legenda szerint, melyet fentebb elmondottunk, felesége volt tulajdonképpeni felfedezője annak, amit férjének tulajdonítanak. Mikor apósa meghalt, Galvani lett a bonctan tanára. 1797-ben nem akart Napóleonnak felesküdni, aki akkoriban foglalta el Észak-Itáliát, ezért megfosztották katedrájától s attól kezdve nagy szegénységben élt. Röviddel halála előtt újabb politikai fordulat állott be, visszaadták volna katedráját és méltóságát, de 1798-ban hirtelen meghalt. Munkájának címe: „De viribus electricitatis in motu musculari commentatio” [Értekezés az izommozgások villamos erőiről]).
13. VOLTA, AZ ELEKTROMOS ÁRAM FELFEDEZŐJE
Galvani elévülhetetlen érdeme, hogy elsőnek végezte el az előbb ismertetett kísérleteket. Mint láttuk, eljutott odáig, hogy sikerült minden zavart vagy félreértést keltő körülményt kiküszöbölnie, megállapította, hogy a szerinte „állati elektromosságnak” nevezett jelenség két különböző fém érintkezése esetén következik be. Kedvelt gondolata az állati elektromosság létezéséről azonban megakadályozta abban, hogy tovább jusson a helyes úton. Ez fiatalabb kortársának, Alessandro Voltának sikerült.
Volta nem volt újonc a villamosság kutatásának terén, mikor 1791-ben megjelent Galvani híres értekezése. Akkorra már feltalált egy eszközt, amellyel ki lehetett mutatni igen kis mennyiségű elektromosságot is. Ezt az eszközt ma szalmaszálas elektrométernek nevezzük. Találmányát igen nagyra becsülték, amiért a Royal Society tagjai közé választotta. A régebbi elektrométernek az volt a baja, hogy fémdrótokkal, tökéletlenül működött. Volta kb. 2 hüvelyk (5 cm) hosszú finom szalmaszálakkal helyettesítette a drótokat. Ha nem vezettek hozzájuk villamosságot, akkor a két szalmaszálnak össze kellett tapadni, de a legkisebb mennyiségű villamosságtól szétcsapódtak.
Eleinte Volta is úgy gondolta el a villamosság természetét, mint Galvani, hitt az „állati villamosságban”. Az idézi elő az izmok vonaglását a békacombban, hogy nincs egyensúly az izom meg az ideg villamossága között. A fémösszeköttetés csak arra való, hogy helyreállítsa ezt az egyensúlyt. Néhány évig vezette ez a felfogás a kísérleteinél. De közben olyan dolgokat észlelt, amelyeket ez a felfogás nem magyarázott meg. Így jött rá, hogy az izmot mégsem lehet a leydeni palackhoz hasonlítani, amelynek kívül-belül fémbevonata van. Például a békaizmok akkor is vonaglottak, ha semmiféle fém nem volt a közelben, csakis ideg közvetítette a villamosságot. Aztán sokszor megismételte Sulzer-nek fentebb leírt kísérleteit. Kiderült, hogy különféle fémek alkalmazásával nemcsak vonaglásokat meg savanyú ízt lehet kiváltani, hanem fényérzetet is előidézhetünk.
Kísérletei során kezdett mindjobban meggyőződni arról, hogy a villamos kisülés a test érzőidegeit hozza ingerületbe. Egyik legérdekesebb kísérlete — amit bárki maga is megpróbálhat —, amivel ezt bizonyította, a következő volt. Jókora darab ónlemezt (ezüstpapírt) tett a nyelve hegyére, a nyelve tövére ezüstpénzt helyezett. Most egy görbített rézdrót segítségével összekötötte a két fémet. Erősen savanyú ízt érzett. Akkor is ez volt az eredmény, ha mellőzte a rézdrótot, s csupán ezüstöt és ónt alkalmazott. Úgy érte el ezt, hogy nem ezüstpénzt, hanem ezüstkanalat használt, amelyet a nyelve tövére helyezett, s a kanál nyelét hozzáértette a nyelve hegyén levő ónlemezhez.
Hogy ilyen galvánárammal fényérzetet is előidézhetünk, azt a következő módon bizonyította: különféle fémekből készült görbe drótokat a homlokához meg a torkához érintett. Az érintés pillanatában a szeme fényt érzett, vagyis csillagot látott.
Volta sokféleképpen módosította ezeket a kísérleteket, de mindjobban meggyőződött arról, hogy az alkalmazott fémek nem csupán a vezető szerepét játsszák, hanem ezek maguk hozzák létre az elektromosságot. Így aztán 1792-ben már teljesen megváltozott a véleménye az egész jelenségcsoportról. Ekkor már egészen határozottan kimondja, hogy az idegeknek csak annyi szerepük volt a kísérletekben, hogy ingerületbe jöttek, de a fémekben keletkezett az az elektromosság, amely előidézi ezt az ingerületet. Mint ő maga írja: „Tulajdonképpeni értelemben ők (a fémek) a szülői a villamos áramnak, míg az idegek maguk passzívak.” Volta ugyanebben az időben fedezte fel azt a nagyon fontos dolgot is, hogy a galvánkísérletekhez szenet is éppen olyan jól lehet használni, mint fémeket. „Úgy találtam, hogy a faszén, amelyet már régebben jó vezetőnek ismertek, alig vagy egyáltalán nem áll a fémek mögött és ezekhez hasonlóan viselkedik abban is, hogy villamos áramot gerjeszt.”
1794-ben, tehát alig három évvel Galvani dolgozatának megjelenése után, Volta már nem beszél többé állati elektromosságról, csakis fém-elektromosságról. Villamos hatás akkor áll elő, ha fémek nedves testekkel érintkeznek, akkor indul meg a vezetőben az elektromos áram. Ha a villamosság olyan idegen megy át, amelyben van még némi nyoma az életnek (például a frissen megölt béka combjában), akkor megvonaglanak azok az izmok, amelyek ennek az idegnek engedelmeskednek. Volta nagyon sokféle fémmel és más anyaggal próbált ízlelési és fény-hatásokat kiváltani s az eredmények nagyon eltérőek voltak. Mindig gondosan följegyezte az eredményeket, s végül ezek alapján 1799-ben a következő sorozatot állította össze aszerint, hogy milyen erős hatásúak az anyagok.
Horgany (cink) ón
ólom
vas
vörösréz
platina
arany
ezüst
grafit
Szép és értékes új dolgok voltak ezek, de még mindig nem találta meg annak magyarázatát, hogyan hatnak egymásra az izom meg az ideg. Bizonyosnak látta, hogy a nedvességnek valami köze van a dologhoz. Papirost, posztót és más anyagokat nedvesített meg, s különféle fémekkel érintette őket. Most vette igazán hasznát az általa feltalált jó elektroszkópnak. Itt ugyanis néha nagyon csekély elektromos mennyiségek léptek föl, ezeket csak érzékeny készülékkel lehetett kimutatni. Elektroszkópjának érzékenységét fokozta azzal, hogy az általa felfedezett sűrítővei (kondenzátorral) kapcsolta össze.
30. ábra. Volta elektroforja
Voltának köszönhetjük az elektrofor megalkotását is, ez a készülék vezette a kondenzátor fölfedezésére is. Még 1771-ben „elettroforo perpetue” (örök elektrofor) címen leírt egy általa feltalált készüléket. Ezt még ma is elektrofornak hívják és a szerkezete se változott meg (30. ábra). Úgy állította elő, hogy fémkorongra szigetelő gyantát vagy szuroklepényt öntött; felül fémlemezt borított rá, szigetelő selyemzsinórokhoz kötve. Volta még úgy állította össze a szigetelő lepényt, hogy három rész terpentint, két rész gyantát és egy rész viaszt olvasztott össze. A villamosságtannak azok az előfutárai, akik Voltát követték, előállítottak néha két méternél is nagyobb elektroforokat. A készülék így működik: ha állati szőrmével megdörzsöljük a szigetelő lepényt, ez negatív elektromos lesz; ez az elektromosság sokáig meg is marad, mert megosztóan hat a fémlapra, ennek negatív elektromossága levezetődik a földbe, pozitív elektromossága pedig lekötve tartja a lepény negatív töltését. Ha most ráteszik a jól vezető fémfedőt, a szigetelt érintkezés miatt jóformán semmi negatív töltés nem áramlik át, viszont a fedő megosztó hatás alá kerül; most ujjal megérintjük, mire a negatív töltés elvezetődik a földbe, a pozitív megmarad. A fedő felemelésével és visszatevésével többször megismételhető az eljárás, és így nagyobb mennyiségű villamosságot lehet összegyűjteni.
Ebből az elektroforból kiindulva szerkesztette meg Volta 1782-ben a kondenzátort. Tulajdonképpen ez is elektrofor, de nem vastag gyantalepénnyel, hanem nagyon is vékony gyantakéreggel. Mire volt jó ez a módosítás? Ha kisütünk egy leydeni palackot, abban olyan kevés villamosság marad, hogy az akkori eszközökkel semmit se lehetett kimutatni ebből. De ha Volta fedőt tett a kondenzátor vékony gyantarétegére és érintkezésbe hozta egy kisütött leydeni palackkal, akkor fölemelés után a fedő határozottan villamos lett.
Volta ezért adta az új készüléknek a kondenzátor, vagyis sűrítő nevet (31. ábra). Csak arra volt szükség, hogy minden kísérlet előtt elvezessen minden villamosságot a gyantarétegből. És mikor Volta ezzel a nagyon hasznos készülékével kísérletezett, megint valami új dolgot fedezett fel: azt, hogy a villamosságnak valami köze van a fényhez is. Ugyanis rájött, hogy a kisülés sokkal gyorsabban és tökéletesebben megy végbe, ha napfény hatásának teszi ki a gyantaréteget.
31. ábra. Volta-féle kondenzátor
A kondenzátor szerkezete jól megérthető 31. ábrából. A fő alkatrész két egyforma fémkorong, mindkettőt bevonják egyenletes, nagyon vékony kenceréteggel. Az alsó közvetlen kapcsolatban van az elektroszkóppal. Így működik: a felső koronggal például pozitív villamosságot közlünk; ráhelyezzük az alsó korongra, a két korongot most csak a kenceréteg választja el. Az eredmény: az alsó korong felső rétegében (amelyik a felső korong felé fordul) negatív villamosság jön létre, az alsó rétegben pozitív villamosság. Ez a pozitív villamosság elvezetődik. Ha most leemeljük a felső korongot, amelyet gyűjtőnek is neveznek (kollektor), akkor a negatív elektromosság szétterjed az egész alsó korongban, amelyet éppen ezért sűrítőkorongnak is nevezünk. Ha többször megismételjük ezt az eljárást, az alsó korongban sok negatív villamosság gyűlik össze. Ez látható abból is, hogy az elektroszkóp lemezei mindjobban szétcsapódnak.
Mindezek úgyszólván csak előmunkálatok voltak egy sokkal nagyobb dologhoz, a híres alapvető kísérletekhez a kontakt vagy érintkezési elektromossággal. Azt akarta eldönteni, vajon csakugyan kell-e valamilyen (állati vagy nem állati) nedvesség ahhoz, hogy két fém érintkezésénél ellentétes villamosságok lépjenek föl? (Vagy ahogy ma mondjuk: potenciál- vagy feszültségkülönbségek.) Ezek a kísérletek aránylag egyszerűek voltak, nem kellett hozzájuk egyéb, mint különböző fémekből készült és szigetelő fogantyúkkal ellátott lemezek, kondenzátor, finom aranylemez-csíkokkal ellátott elektrométer. Maga Volta így írja le ezeket a kísérleteket: „Ha az egymással érintkezett fémlemezeket rátesszük a nagyon érzékeny elektrométerre, akkor az aranylemezkék kissé szétválnak és így némi elektromosságot mutatnak, pozitívot vagy negatívot a fém természete szerint, amelyet megvizsgáltunk, meg a másik fém természete szerint, amelyik előbb érintkezett emezzel.” Ha például Volta horganyt (cink) és rézkorongot hozott érintkezésbe, az érintkezés után az előbbi pozitív, az utóbbi negatív villamosságot mutatott. Ha rezet ónnal vagy vassal hozott érintkezésbe, az is negatív villamosságot mutatott, de jóval kisebb mértékben, míg az ón és vas úgy viselkedtek, mint a horgany az első kísérletnél. De ha arannyal vagy ezüsttel érintette meg a rezet, akkor a réz most pozitív, viszont az arany és ezüst negatív villamosságot mutattak.
Volta azt is megállapította, vajon pozitív vagy negatív villamosság termelődött-e a fémek érintkezésénél. Megdörzsölt üveg- és megdörzsölt gyantarudat közelített az elektrométerhez és figyelte, vajon az aranylemezkék közelednek-e egymáshoz vagy távolodnak-e egymástól. Egy példa ennek megértésére: ha horganyt és rezet hozott érintkezésbe, akkor szétválasztás után a horgany pozitív volt, mert a pozitív villamossága megdörzsölt üvegbot közelítésére a két aranylemezke szétcsapódott; de ha megdörzsölt és így negatív töltésű gyantarudat közelített, a két aranylemezke közeledett egymáshoz.
Volta még sok alapvető kísérletet végzett, folyton változtatva a föltételeket. Nemsokára már felállíthatta a következő teljesebb villamos feszültségi sorozatot:
horgany
ólom
ón
vas
réz
ezüst
arany
grafit
Ez a sorozat már sokkal többet mond, mint az előbbi. Ha a sornak bármely előző tagját érintkezésbe hozzuk valamelyik következővel, az előbbi pozitív elektromos lesz, az utóbbi mindig negatív elektromos állapotba kerül. A szalmaszálas elektrométer segítségével azt is megállapította Volta, hogy e sor két-két tagja között a feszültségkülönbség annál nagyobb, minél távolabb állnak egymástól. Például a horgany és grafit villamos-természet tekintetében távolabb állnak egymástól, mint a vas és a réz. Sőt számszerű viszonyokat is állított föl erre vonatkozóan, de a későbbi finomabb kutatások nagyot változtattak ezeken.
Idevonatkozó kutatási eredményeinek lényege a következő: a villamosság azon a ponton keletkezik, ahol a két fém érintkezik, az állati vagy másféle nedvesség csak vezetőül szolgál. További kísérletek azonban meggyőzték arról, hogy a nedvesség szerepe nem ilyen alárendelt, fém és folyadék érintkezése igenis termelhet villamos erőt, sőt elektromos áram csak ebben az esetben keletkezhet. Szigetelt korongokat készített ezüstből, ónból, horganyból stb. s ezeket nedves fával, papirossal vagy nedves téglával hozta érintkezésbe. Mikor aztán elválasztotta őket, a fémkorongok mindig negatív elektromosságot mutattak. Elnevezte a fémeket elsőosztályú elektromotoroknak, a feszültségi sorozatba be nem osztható folyadékokat pedig másodosztályú elektromotoroknak vagy vezetőknek. Ma az elnevezések kissé mások, bár a galvánelemmel kapcsolatban ma is használjuk az elektromotoros erő kifejezést. Volta is érezte, hogy itt még sok tisztázni való kérdés van, ezért 1796-ban ezt írja egy levelében: „Ha különféle vezetők, olyan vezetők, amelyeket én száraz vagy elsőosztályú vezetőknek nevezek, nedves vagy másodosztályú vezetőkkel érintkeznek, ez kiváltja a villamos fluidumot és bizonyos erőt ad neki. Csak azt ne kérdezze tőlem, hogyan történik ez: egyelőre elég annyi, hogy történik és hogy valami általános viselkedésről van szó.”
Volta eddig ismertetett kísérletei Galvani felfedezésének — ha nem is végleges — tisztázására szolgáltak. Aztán jött Volta egész munkásságának megkoronázása: feltalálta a róla elnevezett oszlopot. Ez volt az első készülék, amelynek segítségével már gyakorlati célokra hasznosítani lehetett a villamosságot, vagyis munkára lehetett fogni. Volta 1800 március 20-án levelet írt az Angol Akadémia elnökének, Banksnek, s ebben ad hírt először új találmányáról, amely fontosság tekintetében fölülmúlja minden más találmányát. Ez a találmány valóban fordulópontot jelent az elektromosság történetében.
Volta kimutatta, hogy olyan körben, amely csupa elsőosztályú elektromotorokból, vagyis fémekből áll, nem keletkezik áram. De igenis keletkezik áram, ha két elsőosztályú elektromotort egy másodosztályú nedves vezetővel kötünk össze közvetlenül, vagy egy harmadik vezető segítségével, amelyek együttesen vezetőkört alkotnak. A vezetők ilyen egyesítését nevezte el galvánelemnek. Ennek a galvánelemnek hatását sokszorosra fokozta Volta azzal, hogy oszlopba egyesített több ilyen elemet.
Az említett levélben közli Volta a Royal Society elnökével, hogy miközben érintkezési villamosság előállításával kísérletezett, sikerült összeállítania egy egészen újfajta készüléket. Bár ebben a készülékben a villamos áram sokkal gyengébb, mint a leydeni palackban, de fölülmúlja azt abban, hogy nem kell előzetesen idegen villamossággal feltölteni, csak megérintés kell ahhoz, hogy működjön, mert maga termeli a villamosságot. A készüléknek a működése és berendezése is hasonlít némileg a rája nevű hal elektromos készülékéhez.
32. ábra. Az első Volta-oszlop
33. ábra. Két részből összetett Volta-oszlop
A mellékelt 32. ábra mutatja Volta első oszlopát. ő maga így írja le az előállítását: „Harminc, negyven, hatvan vagy még több darab ezüst, amelyek mindegyikét egy darab horganyra tesszük és sóval vagy lúggal átitatott ugyanannyi posztódarab, amelyeket a fémdarabok érintkezései közé rakunk: ez az egész, amiből az új készülék áll. Ha az ember megérinti a felső lemezt, másik kezét pedig a b edénybe mártja és így zárja az áramkört, egy kis ütést érez. De ki lehet mutatni, hogy a készülék hatással van az ízlelő, a látó és a halló idegekre is.”
Hiszen ez az én oszlopom végtelen lehetőségekkel biztat — gondolhatta Volta —, csak magasítani kell az oszlopot, hogy minél több villamosságot nyerjen. De hát a túl magas oszlop feldől. Eleinte úgy segített ezen a bajon, hogy oldalt karokkal támasztotta meg az oszlopot, vagy több oszlopot állított föl és összekapcsolta őket, mint a 33. ábra mutatja. Más okból is szükség volt erre: azért se lehetett nagyon magasra rakni az oszlopokat, mert akkor a felső fémdarabok nagy súllyal nyomták a posztókorongokat, kisajtolódott belőlük a nedv, végig folyt az egész oszlopon és semlegesítette a készüléket. Az ötletes Volta kieszelt hát valamit, ami segített a dolgon. Elővett egy sor csészét, amelyek nem vezető anyagból készültek, fából, agyagból, üvegből és sorba állította őket. Aztán sósvízzel vagy lúggal félig töltötte a csészéket. Majd láncolatosan összekapcsolta őket, mint a 34. ábrán látható, meghajlított fémdarabokkal.
34. ábra. Volta-féle serleg-készülék
A csészébe merülő meghajlított fémdarabnak A része rézből vagy ezüstözött rézből volt, a következő csészébe merülő 7, része ónból vagy horganyból.. Az íves hajlítás közepe táján forrasztotta össze a kétféle fémet, és a folyadékba merülő részüket kiszélesítette, hogy nagyobb felületen érintkezzenek a folyadékkal. „Harminc, negyven vagy hatvan összekapcsolt csésze, egyenes sorban vagy akármilyen görbe sorban rendezve: ennyiből áll ez az új készülék. Elvben és a készüléket alkotó anyagokban megegyezik a fent leírt oszlop-készülékkel.”
Ha valaki villamosütést akart kiváltani, elég volt egyik kézzel megfogni egyik csészét és a másik kéz valamelyik ujját belemártani egy másik csészébe. A villamosütés annál erősebb volt, minél távolabb volt egymástól a két érintett csésze: legerősebb volt akkor, ha az első és utolsó csészét használta.
A Volta-féle oszlop óriási feltűnést keltett az egész világon. Nemcsak a tudósok üdvözölték, hanem akadt koronás bámulója is, az akkor hatalmas Napóleon személyében. Napóleon Párizsba hívta meg Voltát, hogy tudósainak előadást tartson találmányáról. És Volta valóban elment Párizsba 1801-ben. Bizottságot állítottak össze a legkiválóbb francia fizikusokból, ez a bizottság referált Napóleonnak Volta kutatásainak jelentőségéről. Napóleon arany emlékérmet veretett Volta tiszteletére, ezenfelül egy állandó alapítvány kamataival jutalmazta azokat a tudósokat, akik a legjobb dolgozatokat írták a galvanizmus kutatásáról. Az első díjat Davy kapta meg, a híres angol vegyész, mert ő a Volta-oszlop által szolgáltatott erős galvánáramot mindjárt alkalmazta vegytani kutatásainál: vegyületeket bontott föl vele. Napoleón párizsi tudósaival egy minden eddiginél nagyobb Volta-készüléket szerkesztett és ezt Davynek ajándékozta. Davy pedig a pompás készülékkel fölfedezte a káliumot és nátriumot. A tudományos folyóiratok hónapokon át alig írtak másról mint Voltáról és Davyről. Az elektromos árammal kapcsolatos jelenségek kutatása most már szinte lázas gyorsasággal indult meg, és úgyszólván minden év hozott valami újat ezen a területen.
(Alessandro Volta 1745-ben született Comóban. 30 éves korában a városi gimnázium fizika tanára lett, 5 év múlva a páduai egyetemre hívták meg, ott tanított és kísérletezett 1819-ig. Utolsó éveiben visszavonultan élt, 1827-ben halt meg Comóban).
MÉRFÖLDKÖVEK
A VEGYTAN ÚTJÁN
Ha a kémiának mint tudománynak a kezdeteit kutatjuk, kissé más képpel találkozunk, mint a fizika történetében. A fizika fejlődését az akadályozta, hogy a filozófusok, élükön Aristotelesszel, bizonyos előre elhatározott alapelvek alapján próbálták a világot magyarázni anélkül, hogy a pontosan megfigyelhető tapasztalati tényekkel törődtek volna. Ilyen alapelvek voltak persze a kémia területén is, ugyanakkor azonban itt a kísérletet módszertanilag nem zárták ki a kutatásból, sőt: a régi „kémikusok” egyebet sem tettek, mint kísérleteztek. Így első pillanatra azt hihetnénk, hogy ezek szerint a kémia kifejlődése hamarabb megtörtént, mint a fizikáé vagy más tudományoké. A helyzet azonban mégsem ez volt. A fizikát — mint láttuk — végső fokon a gazdasági szükségszerűség hozta létre, az új osztálynak, a polgárságnak szüksége volt a fejlettebb gazdálkodási módszerekre, amelyek a természettudományok nélkül nem jöhettek létre. Ez teljes mértékben érvényes a kémiára is. A kémiában a kísérletezést azonban nem ez az igény indította el, hanem a gyors meggazdagodásnak a vágya, amely párosult a fantasztikus, a titokzatos iránti vonzódással, amely az emberiségben mindig is élt. A cél egyrészt az aranycsinálás, azaz közönséges fémeknek arannyá alakítása, másrészt a bölcsek kövének az előállítása volt, ennek segítségével olyan életelíxírhez jutni, amely birtokosának örök ifjúságot biztosít.
Pontosan nem tudni, eredetileg honnan származik az a titokzatosság, ami az alkimisták működését körülveszi. Talán még Egyiptomból, ahol a kémiai ismereteknek meglehetősen fejletteknek kellett lenniük, amint ezt pl. a múmiák preparálásánál végzett munkájuk mutatja. Egyiptomban azonban mindenféle tudományos ismeret kizárólag a papság birtokában volt, apáról fiúra szálltak a titkok, és gondosan vigyáztak rá, hogy közönséges halandó ezeket ne ismerhesse meg. Mindenesetre az alkímia szó valószínűleg egyiptomi eredetű. Magának Egyiptomnak a neve észak-egyiptomi nyelven „cham” vagy „chemi”, amely egyúttal feketét is jelent („fekete mágia”). Akárhogy is áll a helyzet, a legrégibb könyv, amely az alkimisták kutatásainak alapjául szolgál, egy IV. századbeli kézirat, szerzője Hermes Trismegistos. Róla nevezik az alkímiát sokszor hermetikus tudománynak is. Saját nevéről azt írja, hogy azt jelenti, hogy birtokában van a három alapelvnek, amelyek a világegyetemet alkotják. Ez a három alapelv egyébként állandóan felbukkan még a XVII. században is különféle változatokban. A leggyakoribb három „kémiai alapelv” a só (sal), kén (sulphur) és higany (mercurium). Ezek azonban nem azonosak az említett valódi anyagokkal, csupán elvek, amelyek a különféle összetett testek felépítésében szerepet játszanak.
Ha mindezekhez hozzátesszük még, hogy az igazi alkimistának igen részletes asztrológiai ismeretekkel kellett rendelkeznie, mert úgy gondolták, hogy az egyes planéták mindenkori helyzete döntően befolyásolja a kísérlet sikerét vagy balsikerét (ha pl. a Venus és a Saturnus nem állt a kísérlet idején egymáshoz képest megfelelő szögben, a kísérlet biztosan nem sikerült), akkor megérthetjük, hogy az ilyen célkitűzéssel és alapelvek mellett folyó kísérletezés nemigen siettette a tudományos kémia kialakulását. Felfogásukhoz megvolt a megfelelő filozófiai alátámasztás is, hiszen Aristoteles azt tanította, hogy az elemek (tűz, levegő, víz, föld, amelyek ismét nem egészen azonosak a valóságos vízzel, levegővel stb.) egymásba átalakulhatnak, hiszen párolgáskor a vízből levegő lesz (!), a tűzből égéskor föld keletkezik stb.
Természetesen nem tarthatjuk egészen feleslegesnek az ilyenfajta kísérletezést sem. Ha a cél helytelen és elérhetetlen volt is, a kísérletekből sok fontos és helyes tapasztalat született, amelyeket pl. a fémiparban hasznosítani lehetett, azonkívül lassan-lassan egyre több elemet és vegyületet fedeztek fel, persze anélkül, hogy e két fogalom megkülönböztetése ismért lett volna.
Csak egy-két példát említünk meg ezekből a fantasztikus kísérletező kutatásokból. A XVII. század végén Honberg (1052—1715), II. Fülöp orleáni herceg udvari orvosa, korának híres alkimistája, olyan irányú kísérleteket folytatott, hogy emberi ürülékből színtelen és szagtalan olajat állítson elő, mert azt hitte róla, hogy ezüstté alakítja át a higanyt. Ez a képtelenség persze nem sikerült, de véletlenül és akaratlanul előállított egy „pyrophornak” nevezett vegyületet, amely a levegőn meggyulladt. — Egy Brand nevű hamburgi alkimista 1674-ben emberi vizeletből akart előállítani olyan folyadékot, amely arannyá alakítaná át az ezüstöt és eközben felfedezte a foszfort.
Az alkimistákat általában két csoportra oszthatjuk. Voltak, akik valóban hittek benne, hogy céljuk elérhető. Ezek komolyan kísérleteztek, és így a kémia számára — ha véletlenül is — értékes eredményekhez jutottak. Voltak azután tömegesen közönséges szélhámosok, akiknek sikerült egy-egy uralkodó vagy főúr kegyeibe férkőzni, akik csodálatos eredményt várva komoly anyagi áldozatokra is hajlandók voltak, hogy a „tudós” nyugodtan kísérletezzen. Ezeknek elszaporodása és egyre gyakoribb leleplezése is hozzájárult ahhoz, hogy az érdeklődés az alkimisták mesterkedései iránt csökkenjen és lassan meginduljon a kémia területén is a tudományos kutatás. Talán valamivel későbbre tehető ez az időpont, mint a fizikában. Általában a tudományos kémia megszületését Robert Boyle „The Sceptical Chemist” (A kételkedő kémikus) c. 1661-ben megjelent művétől számítjuk. Az ő kísérleteiből és még néhány kiemelkedő kémikus munkájából fogunk néhányat bemutatni.
1. AZ ELSŐ NAGY KÍSÉRLETEZŐ A VEGYTAN TERÉN
Robert Boyle-t, akinek a nevével már a Boyle—Mariotte-törvény ismertetésénél találkoztunk, kortársai nevezték el „nagy kísérletezőnek”. Ez az elnevezés találó is volt, mert ő új célt tűzött ki a vegytani kutatásoknak. Azt mondottuk az előbb, hogy az alkimisták szakadatlanul kísérleteztek, de csakis abból a célból, hogy mesterségesen aranyat állítsanak elő. De Boyle azért kísérletezett, hogy megismerje a természet titkait. Ő már helyesen fogalmazta meg a kísérletezés célját: A kísérlet arra való, hogy kérdést intézzünk a természethez, ha jól végeztük a kísérletet és helyesen értelmezzük az észleleteket, akkor megkapjuk a választ a kérdésünkre.
Nagyszerű célkitűzés ez, a mai tudós sem tudná jobban megfogalmazni. És igaza van abban is, hogy a kísérlet csak akkor visz előre bennünket, ha helyesen értelmezzük azt, amit kísérletezés közben észlelünk. Ehhez viszont szükség van helyes ismeretekre. Ezek hiányában még maga Boyle is botlásokba tévedt. Elmondunk erre egy érdekes példát. Egy Boyle előtt élt Van Helmont nevű vegyész tudós Aristoteles nyomán azt állította, hogy a víz átalakulhat földdé. Boyle kísérlettel akarta ellenőrizni, igaz-e Van Helmont állítása. Esővizet desztillált üvegedényben. Mikor a víz teljesen elpárolgott, az üvegedény fenekén földes anyag maradt hátra. Boyle azt mondotta hát, hogy ezek után nem is lehet kételkedni Van Helmont állításában: a víz valóban átalakulhat földdé. Nem tudta, hogy az üvegedényben visszamaradt földes anyag oldva volt a vízben. Majd meg más példát is találunk kísérletek helytelen értelmezésére.
Az előbbi fizikai fejezetben láttuk, hogy a XVII—XVIII. század természettudósait főleg a levegő tulajdonságai érdekelték. De Galilei, Torricelli, Guericke és társai a levegőnek csak a fizikai tulajdonságait kutatták (sűrűség, nyomás, hőmérséklet stb.). A levegő vegyi összetételét még nem kutatták, nem is kutathatták, mert nem tudták, mi a levegő. Egyszerű testnek, vagyis elemnek vélték. Boyle volt az első, aki kétségbevonta ezt. Még nem tudott semmi határozottat mondani, de kísérletezései közben észrevette, hogy van valami a levegőben, ami az égésnél meg a lélegzésnél elhasználódik. Felismerte, hogy az égés vagy az állati lélegzés megrontja a levegőt. Zárt térben a gyertya nem ég a végtelenségig, és ott a lélegzés is hamarosan lehetetlenné válik. Ebből következtetett arra, hogy van valami a levegőben ami fenntartja az égést és lélegzést, ami idővel kifogy. De nem tudta megállapítani, hogy mi ez.
Főleg az égés tüneménye érdekelte Boyle-t. Ezt a tüneményt teljesen tévesen értelmezték mindaddig, amíg a XVIII. század második felében föl nem fedezték az oxigént. Legkevésbé értették a fémek elégését, amit akkor „elmeszesedés”-nek neveztek. Ha magnéziumszálat meggyújtunk, mész-szerű anyag marad vissza: ugyanez történik több fémnél is, innen az elnevezés. Boyle ennek a tüneménynek a megmagyarázására rendkívül elmés kísérleteket végzett, egészen közel is került az oxigén felfedezéséhez.
Boyle korában ugyan még nem nagyon alkalmazták a mérleget a vegytani kutatásoknál, de azért már előtte is megfigyelték, hogy ha fémeket elmeszesítenek (elégetnek), a súlyuk nagyobb lesz, mint azelőtt volt. Sok kísérletezés után Boyle megerősítette ezt a megfigyelést. Ő ólmot és ónt meszesített, vagyis égetett el zárt térben. Utána megmérte a terméket, s úgy találta, hogy ennek súlya nagyobb, mint volt az eredeti fémé, de fajsúlya kisebb. Még fontosabb megfigyelés volt ennél a kísérletnél, hogy az edényben levő levegő térfogata csökkent. Pontos tömegméréseket azonban Boyle még nem végzett, csak a térfogat csökkenését figyelte meg. Ezért a következő magyarázatot adta arra, hogy a fém-mész nehezebb, mint volt a fém. Föltette, hogy abban az edényben, amelyben az elégetés történik, megy át a fémbe valami olyan anyag, ami a tűztől ered. A tűznek, illetve a lángnak van valami mérhető, elillanó alkatrésze. Ez ellentétben állt ugyan saját egyéb kísérleteivel, hiszen ő maga bizonyította be sok kísérlettel, hogy légüres térben semmi sem ég, még a kén se, pedig akkoriban azt tartották a legjobban égő anyagnak. Nem szabad azonban elfelejtenünk, hogy Boyle elsőnek próbálkozott egy előtte járatlan területen.
A döntő mégis az volt, hogy Boyle ezeket a kísérleteket elsőnek végezte el, és a későbbi kutatók eredményeit már felhasználhatták.
Boyle a kémiának több területén kísérletezett eredménnyel, és említett fő művében már leszögezi azt a rendkívül fontos megállapítást: az aristotelesi négy elem tana helytelen. Elem minden olyan anyag, amely már nem bontható fel tovább, és ezek száma négynél valószínűleg jóval nagyobb. Az egymással rokon elemek vegyületté állnak össze. Boyle volt az első, aki éles különbséget tett vegyület és keverék között.
(Robert Boyle 1027-ben született Írországban, főúri családból. Apja papnak szánta, és ennek megfelelően nevelte. Még gyermekkorában egy udvarmester felügyelete alatt beutazta Olaszországot, Svájcot, Franciaországot. 1642-ben Firenzében Galilei írásait tanulmányozta, aki akkor halt meg. Mire a következő évben hazakerült, apja meghalt, családja tönkrement. Boyle visszavonult és főképpen vallástudománnyal foglalkozott. 1654-ben Oxfordba költözött, ahol neves tudósokkal került kapcsolatba és csatlakozott ahhoz a tudományos társasághoz, amely „invisible college”-nek (láthatatlan kollégiumnak) nevezte magát. Ez a társaság volt a Royal Society, az Angol Akadémia őse, melyet 1662-ben alapítottak. Boyle egyik alapítója, majd 1680-tól haláláig elnöke volt. 1668-ban Londonban telepedett le és attól kezdve kizárólag tudományos kísérleteinek élt. 1691-ben halt meg.)
2. MAYOW ÉS A TŰZLEVEGŐ
Robert Boyle-nak volt egy kortársa és honfitársa, aki nem kisebb tehetségű volt és talán Boyle-t is felülmúlta volna, ha a halál túl korán nem ragadja el. John Mayow volt. Jól végzett és jól értelmezett kísérleteivel rájött az égés és lélegzés lényegére.
Láttuk, hogy Boyle ismételt kísérleteivel megerősítette azt a régebbi megfigyelést, hogy ha fémeket égetünk el levegőn (meszesítünk), a keletkezett termék nehezebb lesz az eredeti fémnél. Boyle-nak két másik kortársa is megfigyelte ezt a jelenséget, Hooke és Rey, sőt helyesen is értelmezték. Hooke szerint a levegőben és a salétromban van valami anyag, amely hatással van az égő testekre. Rey pedig egész határozottan kimondja, hogy a megfigyelt jelenségnek csak egyetlen magyarázata lehetséges: az égő fém levegőt vesz fel magába, azért lesz nehezebb.
Mayow valószínűleg ismerte Rey és Hooke nézeteit, de ő maga is el akarta végezni a kísérleteket. Sejtéseivel is jó irányba tapogatózik, amikor azt mondja a salétromról, hogy ez az anyag talán éppen akkora lármát fog csinálni a tudományban mint amekkorát csinál a háborúban, ha lőport készítenek belőle. A salétrom egyik alkatrésze, az oxigén, felfedezése után valóban szinte forradalmasította a kémiát, de ez csak 100 év múlva következik be, bármily közel jártak a felfedezéshez Boyle, Hooke, Rey és Mayow.
Mayow alkatrészeire bontja a salétromot s talál benne egy savanyú, általa „salétromszesz“-nek nevezett anyagot, valamint egy lúgos anyagot. Akkoriban valóban úgy gondolták, hogy a salétrom a levegőben jelenlevő salétromszesz és a talaj lúgos anyagainak kölcsönhatásaképpen jön létre. Mayow rájött, hogy a levegőben a „salétromszesz”-nek csak egyik alkatrésze van meg, ezt nevezte el igno-aéreusnak, szó szerinti fordítását nehéz megadni, a lánganyag kifejezés vagy tűz-levegő talán megközelíti. Ez az anyag nem egyéb, mint az oxigén, és Mayow azt is tudta, hogy az égésnél a levegőnek ez az alkatrésze játszik szerepet.
Mayow mindenről saját kísérleteivel akar meggyőződni, így azt is megvizsgálta, valóban igaz-e, hogy a fémek súlya az elégetés után nagyobb. Antimont égetett el levegőn. A fém súlya tényleg nagyobb lett. A súlygyarapodást csak úgy tudta értelmezni, hogy a fém egyesült a levegő részecskéivel. Szó szerint ezt mondja: „Jól tudom, hogy az általános fölfogás szerint a kéntartalom eltávozása okozza az antimon elmeszesedését (elégését). Mégsem tudom elhinni, hogy ez a nézet felel meg az igazságnak.” Milyen nagyszerű megnyilvánulása ez a kételkedő tudós elmének.
Ez a fiatal tudós arra is rájött, hogy az égés és lélegzés rokon jelenségek. Mayow szerint a lélegzés arra való, hogy a levegőből — a tüdő közvetítésével — az élethez nélkülözhetetlen részecskék jussanak a testbe s a tüdőben elkeveredjenek a vérrel! Kísérleteket is végzett, amelyekből az derült ki, hogy a tüdőből távozó, tehát elhasznált levegőből hiányoznak bizonyos rugalmas részecskék; ez az oka annak, hogy a kilehelt levegő kisebb térfogatú, mert már hiányzanak belőle a salétromos részecskék (az oxigén).
Mayow később helyesnek bizonyult nézeteit tudományos
35 ábra. Levegőelemzés Mayow szerint
módszerének köszönhette. Szakítva az elődeinél, sőt még kortársainál is szokásos spekulációval, minden jelenséget ügyesen kigondolt kísérlettel vizsgált meg. A mellékelt 35. ábra egyik gázkísérletét mutatja. Az öblös üvegbúrában fent haránt elhelyezett egy pálcát. Erre a pálcára ráakasztott egy salétromsavval megtöltött zománcozott bögrét. Közvetlenül a bögre fölé fonállal összekötött vasdarabokat helyezett el, úgy, hogy a vasköteget bele lehetett mártani a salétromsavba és megint kihúzni.
Mayow ezt írja erről a kísérletről: „Miután a kezek érintésétől fölmelegedett levegő kihűlt és megjelöltük a belső víztükör magasságát, engedjük a savba merülni a vasdarabokat. Pezsgés indul meg, a keletkezett pára lenyomja a víz belső szintjét.” Egy idő múlva Mayow kihúzza a vasat a savból. Most a víz szintje magasabb, mint volt előbb, „és az eredetileg levegővel töltött térnek egy részét víz foglalja el”. Mayow helyesen arra következtet ebből, hogy „a levegőből eltűnt valami, ez pedig nem lehet más, mint a levegő salétromos részecskéinek egy része. A valóságban a levegő éppen olyan módon csökkent itt mint az égésnél.”
Már ennyiből is láthatjuk, milyen kitűnő kísérletező és megfigyelő volt Mayow, milyen közel járt az égés titkának fölfedezéséhez. Ennek további szemléltetésére közlünk néhány idézetet legfontosabb munkájából, amelynek címe volt: „Vizsgálatok a salétromról és a salétromos légszeszről, az égésről és lélegzésről.”
„Sokáig gondolkoztam azon, vajon a salétromszesz nincsen-e a levegőben nagyon finom eloszlásban. De beláttam, hogy olyan anyag, amilyen ez a sav, nem létezhetik a ritka, könnyen mozgó levegőben, mert a salétromos levegőanyag (oxigén) táplálja az égést, a lélegzésnél pedig a vérbe kerül, viszont a nedves és maró salétromszesz (sav) inkább eloltja az égést és megöli az állatokat... El kell ismerni, hogy van a levegőben bizonyos valami, amitől függ a láng égése. A légszivattyúval végzett kísérletek ugyanis azt mutatták, hogy az égő gyertya sokkal hamarabb alszik el a légritkított edényben, mint a közönséges edényben. Ehhez járul az a tény, hogy egy légüres térben tartott éghető anyagot se izzó vassal, se gyújtóüveggel nem lehet meggyújtani. Arra vélek következtethetni ebből, hogy a levegőben levő bizonyos részecskéknek főszerepük van az égésnél. A lélegzéssel végzett kísérletek által rájöttem, miben áll ennek a folyamatnak fő célja: bizonyos, az állati életre nélkülözhetetlen részecskéket kiválasztani a levegőből a tüdő segítségével és bensően összekeverni a vérrel. Kísérleteim azt mutatják, hogy az állati tüdő által kilélegzett levegő megfosztódott bizonyos részecskéktől, ugyanakkor a levegő térfogata csökken. Továbbá igyekeztem bebizonyítani, mi okozza a kilélegzett levegőnek ezt a csökkenését: eltávolítódtak belőle a tűzlevegő-részecskék... Miután követtük a tűzlevegő-részecskéket egészen a vérbe, fölösleges a kérdés, hogy milyen célt szolgálnak ezek. Én annak a nézetnek hódolok, hogy úgy itt, mint a növényeknél a tűzlevegő az élet fő forrása és a mozgásé is. Ha a tűzlevegő keveredik a vér éghető anyagával, beáll az az élénk mozgás, ami szükséges az állati élethez... A vér melegét úgy tekintem, mint következményét annak a hatásnak, amit a tűzlevegő-részecskék gyakorolnak a vér éghető alkatrészeire.”
Mayow volt egyébként az első, aki észrevette, hogy a savak a lakmuszfestéket pirosra, míg a lúgok (ő még alkáliknak nevezte ezeket) kékre festik. A lakmusz a kémikusnak ma is legegyszerűbb indikátora, és ha a sav és lúg közötti különbséget ma pontosabban határozza is meg, az első felosztás mégis Mayow érdeme.
(John Mayow 1645-ben született. Életéről keveset tudunk. Boyle legtehetségesebb tanítványai közé tartozik. Mint orvos élt Bath fürdőhelyen. Egyszer megbízták, hogy vizsgálja meg Bath gyógyforrását. Akkor kezdett foglalkozni vegytannal. Rövid tudományos működése olyan eredményes volt, hogy már egészen fiatal korában megválasztották az Akadémia tagjának. 1679-ben halt meg.)
3. BOERHAVE KÍSÉRLETEI MEGCÁFOLJÁK AZ ALKIMISTÁK NÉHÁNY TÉVEDÉSÉT
A XVII. században megváltozott tudományos felfogás következtében a régi, sokszor babonás tévhitből vagy helytelen filozófiai alapelvekből származó téves nézeteket fokozatosan megcáfolják azáltal, hogy a kísérleteket újra meg újra, egyre nagyobb gondossággal hajtják végre. Néhány ilyen fontos kísérletet Hermann Boerhave leydeni professzor végzett el, akinek tudományos felfogására jellemző, hogy 1718-ban előadást tartott Leydenben ilyen címmel: „A saját tévedéseit helyreigazító vegytan”. Boerhave egész tudományos működése arra irányult, hogy a kémiát önálló tudomány rangjára emelje. Bár kora általános tévedéseitől még ő sem volt mentes, nagyjában elfogadta a flogiszton elméletet, és — annak ellenére, hogy alább ismertetendő, döntő kísérletei az ellenkezőt bizonyították — a fémek egymásba való átalakulását sem tartotta elvileg lehetetlennek. Két fontos és alapvető kísérletet végzett. Mindegyikkel az alkimisták egy-egy évszázados állítását akarta nagyon alaposan ellenőrizni.
Az alkimisták ugyanis azt állították, hogy meg lehet változtatni a higany természetét, a folyékony higanyból szilárd higanyt lehet előállítani, mégpedig idegen anyag hozzáadása nélkül: ha ez valakinek nem sikerül, csak a saját tudatlanságának vagy ügyetlenségének tulajdoníthatja.
Az alkimisták több receptet is ismertek arra, hogyan lehet megszilárdítani (fixálni, ahogyan akkor mondották) a higanyt: hosszú időn át magas hőmérsékletnek kell alávetni a higanyt, akkor megszilárdul. Nos Boerhave elég alaposan megfelelt ennek a követelménynek, nem napokon, heteken vagy hónapokon át, hanem tizenöt éven át tartott higanyt magas hőmérsékleten. Nem vett észre egyéb változást, mint hogy egy kis fekete por képződött, de némi dörzsölés után ebből is higany lett. Boerhave még ennyi bizonyítékkal sem elégedett meg. Ellenőrzött egy másik receptet is: zárt edényben hat hónapon át tartott higanyt magasabb hőmérséklet mellett: a higany megint csak változatlan maradt. Erre aztán Boerhave nyugodt lelkiismerettel kimondhatta a tudomány nevében, hogy a higany megszilárdítása képtelenség.
A higanyt — folyékony fém lévén — az alkimisták egész különleges anyagnak tartották és csodálatos tulajdonságokkal ruházták fel. Azt állították például, hogy ha többszörösen desztillálják a higanyt, akkor sokkal illékonyabb lesz, vagyis könnyebben párolog el. Boerhave ötszázszor desztillált higanyt anélkül, hogy ennek bármelyik tulajdonsága megváltozott volna.
Még egy babonás hitük volt az alkimistáknak a higannyal kapcsolatban: hogy a legtöbb fémből higanyt lehet előállítani, ha bizonyos műveleteket végzünk velük. Ez volt egyébként az egyik közbeeső állomás a fémnemesítés útján, amelynek a végén pl. az ólomból ezüst vagy arany lenne. Több receptjük is volt erre, íme az egyik: oldj fel vízben salétromsavas ólmot, önts az oldatba szalmiákot, öntsd le marólúggal a csapadékot, és egy ideig melegítsd enyhén, ezek után a desztillációból megkapod az ólomból mesterségesen előállított higanyt. Boerhave türelmes kísérletezéssel ellenőrizte ezt az állítást is. Pontosan a recept szerint járt el, a marólúggal való kezelést néha félévnél hosszabb időn át is folytatta, de soha színét sem látta higanynak.
Jellemző erre az átmeneti korra, hogy — mint említettük — ilyen kiváló és alapos kísérletezőt, mint Boerhave, még a saját kísérletei sem tudtak teljesen meggyőzni arról, hogy a fémek átalakítása lehetetlen. Az égéssel kapcsolatban is végzett Boerhave fontos kísérleteket. Kimutatta, hogy az ezüst súlya hideg és hevített állapotban azonos, tehát nem lehet igaz, hogy a fémek melegítéskor „tűzanyagot” vesznek magukba. A fémmész súlyának a növekedése a levegő „savas alkatrészeivel" való egyesülésből származik. Azt a nézetet sem osztotta, amelyet a flogiszton elmélet egyik megalapítója, Stahl (1660—1734) hirdetett, hogy a fémmész nem egyéb, mint földszerű elem. Mindennek ellenére — éppúgy mint az alkímiával kapcsolatban — nem vonta le a végső következtetést és elfogadta a flogiszton elméletet, amelynek lényege, hogy az égéskor egy finom anyag, a flogiszton távozik el az égő testekből. A levegő szerepe az égésnél az, hogy magába vegye a flogisztont. A fémredukálásnál észlelt súlynövekedést pedig úgy magyarázták, hogy adott esetekben a flogisztonnak „negatív súlya” is lehet (!). Ez az elmélet lényegében egészen a XVIII. század végéig tartotta magát a kémiában és a kémiai kutatást sokszor helytelen, kerülő utakra terelte. Annál jellemzőbb ez, hogy az alkímia fokozatos háttérbe szorulása után egy újabb téves elmélet akadályozza a fejlődést, — mert, mint láttuk — Boyle, Rey, Hooke, Mayow, Boerhave már közel jártak az égés folyamatának helyes értelmezéséhez. A lényeg azonban az volt, hogy éppen ezeknek az úttörőknek a munkássága alapján a kémiának is elengedhetetlen eszközévé vált a helyesen végrehajtott kísérlet és ezeknek — még ha sokszor téves is volt az elméleti kiindulópont — előbb-utóbb el kellett vezetniük a jelenségek helyes értelmezéséhez is. A következő fejezetben is egy olyan felfedezésről fogunk beszámolni, ahol a kísérletek az eredeti céltól eltérő, de rendkívül fontos eredményt hoztak.
(Hermann Boerhave 1668-ban született Hollandia Voorhout nevű, Leyden melletti városában. Előbb lelkésznek készült, de mert szabadgondolkodó volt, nem számíthatott papi állásra, tehát az orvosi pályát választotta. Igen nagyhírű orvos és természettudós lett belőle, majd egyetemi tanár Leydenben, harminchat évig tanította az orvostudományt, botanikát és kémiát, a külföldi hallgatók tódultak hozzá. 1732-ben jelent meg „Elementa Chemiae" [A kémia elemei] című összefoglaló munkája, amely évtizedeken át volt az egyetemi kémiai oktatás vezérfonala. Az említett néhány téves nézet ellenére ez a könyv nagyban hozzájárult, hogy a kémia önálló tudománnyá váljon és végképp megszűnjék az orvostudomány segédtudománya lenni, mint az a XVI., sőt a XVII. században is volt. 1738-ban halt meg.)
4. A PORCELÁNGYÁRTÁS FELFEDEZÉSE
Az alkimistákat kísérleteikben a meggazdagodás vágya és nem a természet megismerése vezette. Módszertanuk nem volt, régi babonák, receptek alapján szinte vaktában dolgoztak. A kísérleteknek mégis volt eredménye, megismertek és előállítottak újabb és újabb vegyületeket és elemeket. Ilyen eredménye volt az alkimista kísérletezésnek az európai porcelángyártás feltalálása is.
Kínában már századok óta készítettek porcelánt, Európa onnan hozta be a drága porcelán edényeket, mert a kínaiak féltékenyen vigyáztak a készítés titkára. Nagy érdeme volt egy Böttger nevű alkimistának, hogy fölfedte ezt a titkot, elkészítette az első európai porcelánt, pedig mesterséges aranyat akart csinálni. Életének és kísérletezéseinek története nemcsak érdekes, hanem rendkívül jellemző is a korra, amelyben kapzsi uralkodók majdnem háborút viseltek egy alkimista miatt.