З атомом крізь століття – частина 1
Минулий вік часто називають «століття атома». У той не дуже віддалений час було остаточно доведено існування «цеглинок», з яких складається навколишній світ, і вивільнені сили, що дрімають у них. Саме уявлення про атом, однак, має дуже довгу історію, і розповідь про історію пізнання будови матерії не можна почати інакше, як зі слів, що відсилають до давнини.
1. Фрагмент фрески Рафаеля «Афінська школа», що зображує Платона (праворуч у філософа риси Леонардо да Вінчі) та Аристотеля
«Вже давній…»
…філософи дійшли висновку, що вся природа складається з непомітно малих частинок. Звичайно, у той час (і через довгий час після цього) вчені не мали можливості перевірити свої припущення. Вони були лише спробою пояснити спостереження природи та відповісти на запитання: «Чи може матерія розпадатися нескінченно, чи є кінець поділу?«
Відповіді давали у різних культурних колах (насамперед у стародавній Індії), але в розвитку науки вплинули дослідження грецьких філософів. У минулорічних святкових випусках «Юного техніка» читачі дізналися про багатовікову історію відкриття елементів («Небезпеки зі стихіями», МТ 7-9/2014), яка також розпочалася у Стародавній Греції. Ще в VII столітті до н.
Емпедокл примирив їх усіх, заявивши, що матерія складається з одного, та якщо з чотирьох елементів. Аристотель (1 століття до н.е.) додав ще одну ідеальну субстанцію - ефір, що наповнює весь всесвіт, і заявив про можливість перетворення елементів. З іншого боку, за Землею, розташованою в центрі Всесвіту, спостерігало небо, яке завжди було незмінним. Завдяки авторитету Аристотеля ця теорія будови матерії та цілого вважалася справедливою понад дві тисячі років. Стало, серед іншого, основою розвитку алхімії, а отже, і самої хімії (XNUMX).
2. Бюст Демокріта Абдерського (460-370 рр. до н.е.)
Проте паралельно розвивалася та інша гіпотеза. Левкіпп (XNUMX століття до н.е.) вважав, що матерія складається з дуже маленькі частки що рухаються у вакуумі. Погляди філософа розвивав його учень - Демокріт Абдерскій (бл. 460-370 до н.е.) (2). Він назвав «блоки», у тому числі складається матерія, атомами (грец. атомос = неподільний). Він стверджував, що вони неподільні і незмінні, і що їхня кількість у Всесвіті постійно. Атоми рухаються у вакуумі.
Коли атоми вони з'єднуються (системою гачків і вушок) - утворюються всілякі тіла, а коли вони відокремлюються один від одного - тіла руйнуються. Демокріт вважав, що існує нескінченно багато типів атомів, що різняться за формою та розміром. Характеристики атомів визначають властивості речовини, наприклад, солодкий мед складається з гладких атомів, а кислий оцет - з незграбних; білі тіла утворюють гладкі атоми, а чорні тіла утворюють атоми з шорсткою поверхнею.
Спосіб з'єднання матеріалу також впливає на властивості матерії: у твердих тілах атоми щільно прилягають один до одного, а у м'яких тілах вони розташовані пухко. Квінтесенцією поглядів Демокріта є твердження: «Насправді є лише порожнеча та атоми, решта є ілюзія».
У пізніші століття погляди Демокріта розвивалися філософами, які змінюють один одного, деякі згадки зустрічаються і в працях Платона. Епікур - один із наступників - навіть вважав, що атоми вони складаються з ще дрібніших компонентів («елементарних частинок»). Проте атомістична теорія будови матерії програла елементам Арістотеля. Ключ уже тоді опинився в досвіді. Поки що не було інструментів на підтвердження існування атомів, перетворення елементів легко спостерігалися.
Наприклад: при нагріванні води (холодний і вологий елемент) було отримано повітря (гаряча і волога пара), а на дні судини залишився грунт (холодні та сухі опади речовин, розчинених у воді). Відсутні властивості - тепло і сухість - забезпечувалися вогнем, яким нагрівали посудину.
Інваріантність та константа кількість атомів вони також суперечили спостереженням, оскільки до XNUMX століття вважалося, що мікроби виникають "з нічого". Погляди Демокріта не давали жодних підстав для алхімічних дослідів, пов'язаних із перетворенням металів. Також було важко уявити і вивчити безліч видів атомів. Елементарна теорія представлялася набагато простіше та переконливіше пояснювала навколишній світ.
3. Портрет Роберта Бойля (1627-1691) роботи Дж. Керсебума.
Падіння та відродження
Протягом століть атомна теорія стояла осторонь панівної науки. Проте остаточно вона померла, її ідеї вижили, дійшовши до європейських учених як арабських філософських перекладів давніх творів. З розвитком людського знання почали руйнуватися основи теорії Аристотеля. Геліоцентрична система Миколи Коперника, перші спостереження наднових (Тихо де Браш), що виникають з нізвідки, відкриття законів руху планет (Іоганн Кеплер) та супутників Юпітера (Галілей) означали, що у шістнадцятому та сімнадцятому століттях люди перестали жити під небом незмінними . На землі теж був кінець поглядів Арістотеля.
Вікові спроби алхіміків не принесли очікуваних результатів — перетворити звичайні метали на золото їм не вдалося. Дедалі більше вчених ставили під сумнів існування самих елементів, і згадали теорії Демокрита.
4. Досвід 1654 року з магдебурзькими півкулями довів існування вакууму та атмосферного тиску (16 коней не можуть розірвати сусідні півкулі, з яких відкачувалося повітря!)
Роберт Бойль 1661 року дав практичне визначення хімічного елемента як речовини, яку не можна розкласти на компоненти методами хімічного аналізу (3). Він вважав, що матерія складається з дрібних, твердих і неподільних частинок, що розрізняються за формою та розміром. Об'єднуючись, вони утворюють молекули хімічних сполук, у тому числі складається матерія.
Бойль називав ці найдрібніші частинки корпускулами, або «корпускулами» (зменшувальне від латинського слова corpus = тіло). На погляди Бойля, безсумнівно, вплинув винахід вакуумного насоса (Отто фон Геріке, 1650) і вдосконалення поршневих насосів для стиснення повітря. Існування вакууму та можливість зміни відстані (в результаті стиснення) між повітряними частинками свідчили на користь теорії Демокріта (4).
Видатний учений того часу сер Ісаак Ньютон був також атомником. (5). Спираючись на погляди Бойля, він висунув гіпотезу про злиття тільця у більші освіти. Замість давньої системи люверсів і гачків їхнє зав'язування було – як інакше – самопливом.
5. Портрет сера Ісаака Ньютона (1642-1727), робота Г. Кнеллера.
Таким чином, Ньютон об'єднав взаємодії у всьому Всесвіті - одна сила керувала і рухом планет, і будовою найдрібніших компонентів матерії. Вчений вважав, що світло також складається з корпускул.
Сьогодні ми знаємо, що він мав рацію «наполовину» — численні взаємодії між випромінюванням та речовиною пояснюються потоком фотонів.
Хімія вступає в гру
Майже остаточно XNUMX століття атоми були прерогативою фізиків. Однак саме хімічна революція, розпочата Антуаном Лавуазьє, зробила уявлення про зернисту структуру речовини загальноприйнятим.
Відкриття складної будови древніх елементів – води та повітря – остаточно спростувало теорію Аристотеля. Наприкінці XVIII століття закон збереження маси та переконаність у неможливості перетворення елементів також не викликали заперечень. Терези стали стандартним обладнанням у хімічній лабораторії.
6. Джон Далтон (1766-1844)
Завдяки його використанню було помічено, що елементи з'єднуються один з одним, утворюючи певні хімічні сполуки у постійних масових пропорціях (незалежно від їхнього походження – природного чи отриманого штучно – та способу синтезу).
Це спостереження стало легко зрозумілим, якщо припустити, що матерія складається з неподільних частин, що становлять єдине ціле. атоми. Цим шляхом пішов автор сучасної теорії атома Джон Дальтон (1766-1844) (6). Вчений у 1808 році заявив, що:
- Атоми неруйнівні та незмінні (це, звичайно, виключало можливість алхімічних перетворень).
- Вся матерія складається з неподільних атомів.
- Усі атоми даного елемента однакові, тобто мають однакову форму, масу та властивості. Проте, різні елементи складаються з різних атомів.
- У хімічних реакціях змінюється лише спосіб сполуки атомів, у тому числі будуються – у певних пропорціях – молекули хімічних сполук (7).
Іншим відкриттям, також заснованим на спостереженні за перебігом хімічних змін стала гіпотеза італійського фізика Амадео Авогадро. Вчений дійшов висновку, що рівні обсяги газів за однакових умов (тиск і температура) містять однакову кількість молекул. Це відкриття дозволило встановити формули багатьох хімічних сполук та визначити маси атоми.
7. Символи атомів, використовувані Дальтоном («Нова система хімічної філософії» 1808)
8. Платонові тіла - символи атомів стародавніх "елементів" (Вікіпедія, автор: Максим Пе)
Скільки разів різати?
Виникнення ідеї атома було з питанням: «Чи є кінець поділу матерії?». Наприклад, візьмемо яблуко діаметром 10 см та ніж і почнемо нарізати фрукт. Спочатку навпіл, потім половинка яблука ще на дві частини (паралельно попередньому розрізу) і т. д. Через кілька разів ми, звичайно, закінчимо, але ніщо не заважає продовжити експеримент в уяві один атом? Тисячу, мільйон, а може, й більше?
З'ївши нарізане яблуко (смачно!), приступимо до обчислень (у тих, хто знає поняття геометричної прогресії, буде менше клопоту). Перший поділ дасть нам половинку плода завтовшки 5 см, наступний розріз - часточку завтовшки 2,5 см і т. д. ... 10 битих! Тому «шлях» у світ атомів не довгий.
*) Використовуємо ніж із нескінченно тонким лезом. Насправді такого об'єкта не існує, але оскільки Альберт Ейнштейн у своїх дослідженнях розглядав поїзди, що рухаються зі швидкістю світла, нам також дозволено — з метою мислення експерименту — зробити вищевикладене припущення.
Платонічні атоми
Платон, одне з найбільших розумів давнини, описав атоми, у тому числі мали складатися елементи, у діалозі «Тимахос». Ці освіти мали форму правильних багатогранників (платонових тіл). Отже, тетраедр був атомом вогню (як найменший і леткий), октаедр – атомом повітря, а ікосаедр – атомом води (усі тверді тіла мають стінки з рівносторонніх трикутників). Куб із квадратів — це атом землі, а додекаедр із п'ятикутників — атом ідеального елемента — небесного ефіру (8).
