С атомом сквозь века — часть 1

Прошлый век часто называют «веком атома». В то не слишком отдаленное время было окончательно доказано существование «кирпичиков», из которых состоит окружающий мир, и высвобождены дремлющие в них силы. Само представление об атоме, однако, имеет очень долгую историю, и рассказ об истории познания строения материи нельзя начать иначе, как со слов, отсылающих к древности.

1. Фрагмент фрески Рафаэля «Афинская школа», изображающий Платона (справа у философа черты Леонардо да Винчи) и Аристотеля

«Уже древний…»

…философы пришли к выводу, что вся природа состоит из незаметно малых частиц. Конечно, в то время (и спустя долгое время после этого) у ученых не было возможности проверить свои предположения. Они были лишь попыткой объяснить наблюдения природы и ответить на вопрос: «Может ли материя распадаться бесконечно, или есть конец делению?«

Ответы давали в различных культурных кругах (в первую очередь в древней Индии), но на развитие науки оказали влияние исследования греческих философов. В прошлогодних праздничных выпусках «Юного техника» читатели узнали о многовековой истории открытия элементов («Опасности со стихиями», МТ 7-9/2014), которая также началась в Древней Греции. Еще в VII веке до нашей эры основной компонент, из которого строится материя (элемент, стихия), искали в различных субстанциях: воде (Фалес), воздухе (Анаксимен), огне (Гераклит) или земле (Ксенофан).

Эмпедокл примирил их всех, заявив, что материя состоит не из одного, а из четырех элементов. Аристотель (1 век до н.э.) добавил еще одну идеальную субстанцию ​​- эфир, наполняющий всю вселенную, и заявил о возможности превращения элементов. С другой стороны, за Землей, расположенной в центре Вселенной, наблюдало небо, которое всегда было неизменным. Благодаря авторитету Аристотеля эта теория строения материи и целого считалась справедливой более двух тысяч лет. Стало, среди прочего, основой развития алхимии, а, следовательно, и самой химии (XNUMX).

2. Бюст Демокрита Абдерского (460-370 гг. до н.э.)

Однако параллельно развивалась и другая гипотеза. Левкипп (XNUMX век до н.э.) считал, что материя состоит из очень маленькие частицы движущиеся в вакууме. Взгляды философа развивал его ученик — Демокрит Абдерский (ок. 460-370 до н.э.) (2). Он назвал «блоки», из которых состоит материя, атомами (греч. атомос = неделимый). Он утверждал, что они неделимы и неизменны, и что их количество во Вселенной постоянно. Атомы движутся в вакууме.

Когда атомы они соединяются (системой крючков и проушин) — образуются всевозможные тела, а когда они отделяются друг от друга — тела разрушаются. Демокрит считал, что существует бесконечно много типов атомов, различающихся по форме и размеру. Характеристики атомов определяют свойства вещества, например, сладкий мед состоит из гладких атомов, а кислый уксус — из угловатых; белые тела образуют гладкие атомы, а черные тела образуют атомы с шероховатой поверхностью.

Способ соединения материала также влияет на свойства материи: в твердых телах атомы плотно прилегают друг к другу, а в мягких телах они расположены рыхло. Квинтэссенцией взглядов Демокрита является утверждение: «На самом деле есть только пустота и атомы, все остальное есть иллюзия».

В более поздние века взгляды Демокрита развивались сменяющими друг друга философами, некоторые упоминания встречаются и в трудах Платона. Эпикур — один из преемников — даже считал, что атомы они состоят из еще более мелких компонентов («элементарных частиц»). Однако атомистическая теория строения материи проиграла элементам Аристотеля. Ключ — уже тогда — оказался в опыте. Пока не было инструментов для подтверждения существования атомов, превращения элементов легко наблюдались.

Например: при нагревании воды (холодный и влажный элемент) был получен воздух (горячий и влажный пар), а на дне сосуда остался грунт (холодные и сухие осадки веществ, растворенных в воде). Недостающие свойства — тепло и сухость — обеспечивались огнем, которым нагревали сосуд.

Инвариантность и константа количество атомов они также противоречили наблюдениям, поскольку до XNUMX века считалось, что микробы возникают «из ничего». Взгляды Демокрита не давали никаких оснований для алхимических опытов, связанных с превращением металлов. Также было трудно представить и изучить бесконечное множество видов атомов. Элементарная теория представлялась гораздо проще и убедительнее объясняла окружающий мир.

3. Портрет Роберта Бойля (1627–1691) работы Дж. Керсебума.

Падение и возрождение

На протяжении веков атомная теория стояла в стороне от господствующей науки. Однако окончательно она не умерла, ее идеи выжили, дойдя до европейских ученых в виде арабских философских переводов древних сочинений. С развитием человеческого знания начали рушиться основы теории Аристотеля. Гелиоцентрическая система Николая Коперника, первые наблюдения сверхновых (Тихо де Браш), возникающих из ниоткуда, открытие законов движения планет (Иоганн Кеплер) и спутников Юпитера (Галилей) означали, что в шестнадцатом и семнадцатом веках , люди перестали жить под небом неизменными от начала мира. На земле тоже был конец воззрений Аристотеля.

Вековые попытки алхимиков не принесли ожидаемых результатов — превратить обычные металлы в золото им не удалось. Все больше и больше ученых ставили под сомнение существование самих элементов, и вспомнили о теории Демокрита.

4. Опыт 1654 года с магдебургскими полушариями доказал существование вакуума и атмосферного давления (16 лошадей не могут разорвать соседние полушария, из которых откачивался воздух!)

Роберт Бойль в 1661 году дал практическое определение химического элемента как вещества, которое нельзя разложить на компоненты методами химического анализа (3). Он считал, что материя состоит из мелких, твердых и неделимых частиц, различающихся по форме и размеру. Объединяясь, они образуют молекулы химических соединений, из которых состоит материя.

Бойль называл эти мельчайшие частицы корпускулами, или «корпускулами» (уменьшительное от латинского слова corpus = тело). На взгляды Бойля, несомненно, повлияло изобретение вакуумного насоса (Отто фон Герике, 1650 г.) и усовершенствование поршневых насосов для сжатия воздуха. Существование вакуума и возможность изменения расстояния (в результате сжатия) между воздушными частицами свидетельствовали в пользу теории Демокрита (4).

Величайший ученый того времени сэр Исаак Ньютон был также атомщиком. (5). Опираясь на взгляды Бойля, он выдвинул гипотезу о слиянии тельца в более крупные образования. Вместо древней системы люверсов и крючков их завязывание было — как иначе — самотёком.

5. Портрет сэра Исаака Ньютона (1642-1727), работа Г. Кнеллера.

Таким образом, Ньютон объединил взаимодействия во всей Вселенной — одна сила руководила и движением планет, и строением мельчайших компонентов материи. Ученый считал, что свет тоже состоит из корпускул.

Сегодня мы знаем, что он был прав «наполовину» — многочисленные взаимодействия между излучением и веществом объясняются потоком фотонов.

Химия вступает в игру

Почти до конца XNUMX века атомы были прерогативой физиков. Однако именно химическая революция, начатая Антуаном Лавуазье, сделала представление о зернистой структуре вещества общепринятым.

Открытие сложного строения древних элементов — воды и воздуха — окончательно опровергло теорию Аристотеля. В конце XVIII века закон сохранения массы и убежденность в невозможности превращения элементов также не вызывали возражений. Весы стали стандартным оборудованием в химической лаборатории.

6. Джон Далтон (1766–1844)

Благодаря его использованию было замечено, что элементы соединяются друг с другом, образуя определенные химические соединения в постоянных массовых пропорциях (независимо от их происхождения — природного или полученного искусственно — и способа синтеза).

Это наблюдение стало легко объяснимым, если предположить, что материя состоит из неделимых частей, составляющих единое целое. атомы. По этому пути пошел создатель современной теории атома Джон Дальтон (1766-1844) (6). Ученый в 1808 году заявил, что:

1. Атомы неразрушимы и неизменны (это, конечно, исключало возможность алхимических превращений).
2. Вся материя состоит из неделимых атомов.
3. Все атомы данного элемента одинаковы, то есть имеют одинаковую форму, массу и свойства. Однако разные элементы состоят из разных атомов.
4. В химических реакциях изменяется только способ соединения атомов, из которых строятся — в определенных пропорциях — молекулы химических соединений (7).

Другим открытием, также основанным на наблюдении за ходом химических изменений, стала гипотеза итальянского физика Амадео Авогадро. Ученый пришел к выводу, что равные объемы газов при одинаковых условиях (давление и температура) содержат одинаковое количество молекул. Это открытие позволило установить формулы многих химических соединений и определить массы атомы.

7. Символы атомов, используемые Дальтоном («Новая система химической философии» 1808 г.)

8. Платоновы тела — символы атомов древних «элементов» (Википедия, автор: Максим Пе)

Сколько раз резать?

Возникновение идеи атома было связано с вопросом: «Есть ли конец делению материи?». Например, возьмем яблоко диаметром 10 см и нож и начнем нарезать фрукт. Сначала пополам, потом половинка яблока еще на две части (параллельно предыдущему разрезу) и т. д. Через несколько раз мы, конечно, закончим, но ничто не мешает продолжить эксперимент в воображении один атом? Тысячу, миллион, а может, и больше?

Съев нарезанное яблоко (вкусно!), приступим к вычислениям (у тех, кто знает понятие геометрической прогрессии, будет меньше хлопот). Первое деление даст нам половинку плода толщиной 5 см, следующий разрез – дольку толщиной 2,5 см и т. д.… 10 битых! Поэтому «путь» в мир атомов не долог.

*) Используем нож с бесконечно тонким лезвием. На самом деле такого объекта не существует, но поскольку Альберт Эйнштейн в своих исследованиях рассматривал поезда, движущиеся со скоростью света, нам также позволено — в целях мысленного эксперимента — сделать вышеизложенное предположение.

Платонические атомы

Платон, один из величайших умов древности, описал атомы, из которых должны были состоять элементы, в диалоге «Тимахос». Эти образования имели форму правильных многогранников (платоновых тел). Итак, тетраэдр был атомом огня (как самый маленький и летучий), октаэдр — атомом воздуха, а икосаэдр — атомом воды (все твердые тела имеют стенки из равносторонних треугольников). Куб из квадратов — это атом земли, а додекаэдр из пятиугольников — атом идеального элемента — небесного эфира (8).