Onze Eeuw. Jaargang 20

[p. 110]

Beschouwingen over de leer der elementen
Door J.D. van der Waals Jr.

Het ook voor niet-vakgeleerden geschreven boek van den Groningschen hoogleeraar in de scheikunde Dr. F.M. Jaeger over ‘Elementen en atomen eens en thans’ is in de Leestafel van dit tijdschrift in de aflevering van September 1920 reeds aangekondigd. Thans wil ik nog een opmerking maken over het begrip element, waartoe het boek mij aanleiding geeft.

De verbinding in den titel van het woord element met het woord atoom doet ons geneigd zijn te denken, dat het eerste is bedoeld in den zin van ‘chemisch element’. Toch vinden wij een groot deel van het boek gewijd aan de elementen-leer bij Oostersche volken, Grieken en Middeleeuwers, waarbij in den regel aarde, water, lucht, vuur en aether, - hetzij alle vijf, hetzij slechts een of enkele ervan - als elementen worden aangenomen. Deze elementen worden dan in die stelsels, waarin meer dan één element optreedt, meestal als in elkaar transformeerbaar voorgesteld. De veranderingen in de natuur bestaan dan daarin, dat de materia prima (de oerstof) zich achtereenvolgens in de verschillende elementen omzet.

Dit begrip van element, dat ik in het vervolg het Aristotelische zal noemen, daar het in den norm, waarin

[p. 111]

Aristoteles het gebracht heeft, zoo langen tijd het denken der menschheid heeft beheerscht, verschilt zoo hemelsbreed van dat van chemische element, dat de vraag kan rijzen, of er eenige aanleiding is, ze is één boek te bespreken. Het is waar, ze dragen beiden den naam element, maar ze hebben dat gemeen met zooveel andere zaken, b.v. met de galvanische elementen (zooals die van Leclanché waardoor onze electrische schellen meestal gedreven worden) welke Jaeger toch ook niet in de kring zijner beschouwingen heeft opgenomen. Bij het lezen van Jaeger's boek zien wij, hoe de in de oudheid en nog in de Middeleeuwen algemeen heerschende opvatting, dat de stoffelijke wereld is opgebouwd uit de Aristotelische elementen, langzamerhand heeft plaats gemaakt voor de beschouwingswijs, volgens welke alle stoffen - voor zoover zij zelf geen chemische elementen zijn - bestaan uit een verbinding van meerdere, soortelijk verschillende en niet in elkaar transmuteerbare enkelvoudige stoffen, die (chemische) elementen worden genoemd. En bij nader inzien wordt het ons duidelijk, dat beide beschouwingswijzen antwoorden zijn op dezelfde vraag, namelijk die naar de meest eenvoudige ‘elementaire’, dat wil zeggen zelf niet meer samengestelde, bestanddeelen der wereld.

Zijn het dus antwoorden op dezelfde vraag, de antwoorden zelf zijn wel zeer verschillend. De Aristotelische elementen zijn eer principes of eigenschappen dan stoffen. Zoo is aarde het element der vastheid, dat de vastheid geeft aan alle vaste lichamen; water dat der vochtigheid, vloeibaarheid of smeltbaarheid, enz. Dezelfde oerstof (materia prima) doorloopt achtereenvolgens toestanden, waarin hij meer van het eene of meer van het andere element bevat. Hoe sterk wijkt hiervan af de voorstelling van de onvernietigbare en niet-transformeerbare stoffen als hoedanig ons de chemische elementen werden voorgesteld. En het was die tegenstelling tusschen het zijn van een principe, zooals het Aristotelische, of een stofsoort zooals het chemische element, die ons aanvankelijk deed twijfelen of aan die twee beteekenissen van het woord

[p. 112]

element wel een gemeenschappelijk begrip ten grondslag lag.

Het is eigenlijk niet zoozeer te verwonderen, dat Aristoteles in eigenschappen, wij in stofsoorten de elementaire bestanddeelen van de wereld zouden zien: wij zijn gewoon de materie waaruit iets gemaakt is meer als de substantie te beschouwen, terwijl het bij Aristoteles de ‘forma’ is, die met het woord ‘substantialis’ wordt verbonden.

Maar wanneer wij het er dan over eens zijn, aan het woord element de beteekenis van enkelvoudig bestanddeel toe te kennen, dan rijst de vraag of de chemische elementen wel datgene zijn, wat in onze hedendaagsche natuurwetenschap het meest met de Aristotelische elementen overeenkomt. En dan moet die vraag ontkennend beantwoord worden. Ik zeide zooeven, dat de chemische elementen werden voorgesteld als soortelijk verschillend, onvernietigbaar en onderling niet transmuteerbaar. En dat was ook zoo tot ongeveer een kwart eeuw geleden. Sedert de ontdekking der radioactiviteit echter is daarin verandering gekomen. Verschillende verschijnselen, die sedert zijn waargenomen, en die ik hier niet nader wil bespreken - men kan ze in het laatste hoofdstuk van het boek van Jaeger uiteengezet vinden, - hebben de overtuiging doen postvatten, dat de atomen der ruim honderd thans bekende chemische elementen volstrekt geen enkelvoudige en soortelijk verschillende eenheden zijn, maar dat zij alle zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes, en wel uit deeltjes van dezelfde twee of drie soorten. Een atoomsoort is dan gekenmerkt door een bepaald aantal van elk dier deeltjes, die erin op een voor de atoomsoort karakteristieke wijze gegroepeerd zijn en er karakteristieke bewegingen in uitvoeren.

En hoewel wij de chemische elementen wel steeds met het woord element zullen blijven aanduiden, zijn zij door deze nieuwe voorstelling aangaande hun wezen volgens het begrip van de waardigheid van element vervallen. En wanneer wij dan zien, dat achtereen-

[p. 113]

volgens de Aristotelische elementen en de chemische elementen onttroond zijn, wie moeten wij dan thans als hun opvolgers beschouwen? Het best kunnen wij den tegenwoordigen toestand misschien karakterizeeren door te zeggen, dat wij thans in een interregnum zijn. Er zijn verschillende pretendenten, waarvan de een met meer, de ander met minder recht en succes op de elementtitel aanspraak maakt.

Een van de meest directe pogingen een nieuwe elementenleer te scheppen is misschien die van Büchner, die ‘Kracht’ (d.w.z. energie) en ‘Stof’ als elementen aangeeft. De monist Ostwald stelt zich met één element, namelijk de Energie tevreden. Maar deze pogingen, dateerende van vóór de ontdekking der radio-activiteit en vóór de invoering van zooveel nieuwe begrippen op physisch gebied, voldoen zeker niet aan de eischen, die men tegenwoordig aan een nieuwe elementenleer zou moeten stellen. Toch is de energie wel de meest succesvolle pretendent, vooral sedert Einstein een theorie heeft ontwikkeld, waarbij aan de energie massa toekomt, ja misschien wel alle massa, die de lichamen vertoonen, tot hun energie-voorraad is terug te brengen. Naast de energie en daarmee verwant kent men in de mechanica een grootheid, die men hoeveelheid van beweging noemt, en die gelijk is aan het product van de massa van een lichaam met de snelheid. Ook deze grootheid heeft een in den tijd constant blijvend bedrag. Zij is iets eigens, iets onvernietigbaars, en kan als zoodanig op den naam element aanspraak maken. Toch is zij niet onafhankelijk van de energie en de daardoor bepaalde massa van een lichaam, wat weer tegen haar elementair karakter strijdt. Hier zijn dus nog verschillende opvattingen mogelijk¹⁾.

Een andere pretendent is de aether, de hypothetische

1) Waarschijnlijk zal men de door Einstein op den voorgrond gebrachte ‘spannings-energie tensor’, waarin ook de hoeveelheid van beweging is opgenomen, als één elementaire grootheid moeten opvatten hoewel haar waarde door tien getallen bepaald wordt.

[p. 114]

middenstof, die, volgens hetgeen veelal in de natuurkunde is aangenomen, de wereldruimte zou vullen en waarin men den overbrenger van het licht en den drager der electrische en magnetische krachten heeft gezien. Deze aether echter verkeert, wat zijn pretendentschap betreft, in een zeer bijzondere positie. Doorgaans toch wordt niet getwijfeld aan het bestaan van den pretendent maar wel aan zijn recht op de titel, waarop hij aanspraak maakt. Hier is het omgekeerde het geval. Wanneer de aether bestaat zal men haar wel als een elementair bestanddeel van de wereld moeten opvatten; maar juist haar bestaan is het dat door zeer vele hedendaagsche physici ontkend wordt. Daar bij deze physici echter de krachtenvelden een zeer zelfstandig bestaan voeren en de ruimte zeer bijzondere eigenschappen heeft, zou een van deze twee begrippen bij hen misschien de rol van den aether kunnen overnemen.

Ten slotte zou men als pretendenten moeten aanmerken, de deeltjes, waaruit, zooals wij boven zagen, de atomen zijn opgebouwd, welk feit er ons juist toe gebracht heeft de chemische elementen van hun rang van element vervallen te verklaren. Van deze deeltjes kennen wij er min of meer drie soorten. Ten eerste de electrisch negatief geladen electronen, wier gewicht ongeveer 1/1850 van dat van een waterstof atoom is; ten tweede twee soorten electrisch positief geladen deeltjes, wier gewicht respectievelijk één en vier maal zoo groot is, als dat van een waterstofatoom. Deze positieve deeltjes, die, hoewel zij zwaarder zijn, waarschijnlijk veel kleiner straal hebben dan het electron worden meestal waterstof- en heliumkernen genoemd. Mogelijk bestaat een heliumkern nog uit vier waterstofkernen verbonden met twee electronen.

Men ziet het, een geheele reeks pretendenten. Om van ieder de beteekenis uiteen te zetten en zijn recht op de elemententitel te bediscussieeren zou een boekdeel noodig zijn. Ik wil mij hier tot de gegeven opsomming bepalen. Een nadere discussie zou toch niet tot een zekeren uitspraak brengen aangaande de vraag, welke elementaire

[p. 115]

bestanddeelen in de materieele wereld moeten worden aangenomen. Een elementenleer staande op de basis van de hedendaagsche natuurwetenschap is niet opgesteld. En het ligt ook niet in den geest van den tijd er een op te stellen. Wij hebben niet meer de naïeveteit onze denkbeelden voor zoo definitief te houden, dat wij zouden durven zeggen deze of die grootheid, die wij hebben leeren kennen is elementair. Op zijn hoogst zeggen wij, dit is het minst samengestelde dat wij tot nu toe gevonden hebben.

Ik heb hier dan ook niet een poging willen doen een nieuwe elementenleer op te stellen. Ik heb slechts op twee dingen willen wijzen. Ten eerste hierop dat, wil men een lijn trekken van de Aristotelische elementen naar de chemische, men er van zelf toe zal moeten komen die lijn door te trekken en de boven als pretendenten aangeduide begrippen in de kring zijner beschouwingen op te nemen. Ten tweede dat, wat wij doen, wanneer wij spreken van energie, aether, electriciteit, atoomkernen, - niettegenstaande onze geringere neiging tot dogmatische uitspraken en onze zoo veel grootere kennis der natuurverschijnselen - in principe niet zoo heel veel anders is, als wat de oude volken en middeleeuwers deden, wanneer zij spraken van aarde, water, lucht, vuur en aether als samenstellende bestanddeelen van de wereld.

Natuurlijk is het niet mijn bedoeling er Jaeger een verwijt van te maken, dat hij de discussie der pretendenten niet in zijn boek heeft opgenomen. Het meer beperkte doel, dat hij zich stelde, is toch reeds omvangrijk genoeg, en het zal bezwaarlijk gaan een geleerde te vinden, die de verschillende in zijn boek behandelde vraagstukken zoozeer beheerscht. Ik heb slechts willen aangeven, dat, wel is waar bij een bespreking van wat element genoemd wordt, de twee door Jaeger behandelde perioden, die der Aristotelische en die der chemische elementen voldoende zijn, maar dat voor een volledige bespreking van het element begrip daar nog een derde periode moet worden

[p. 116]

toegevoegd, een periode waarin trouwens Jaeger zelf ons binnenleidt in het laatste hoofdstuk van zijn boek, waar hij over het uiteenvallen van atomen handelt, zooals dit bij radioactieve en enkele andere verschijnselen voorkomt.