Med et atom gjennom tidene - del 1

Det forrige århundre omtales ofte som «atomets alder». På det ikke altfor fjerne tidspunktet ble eksistensen av "mursteinene" som utgjør verden rundt oss endelig bevist, og kreftene som sov i dem ble frigjort. Ideen om selve atomet har imidlertid en veldig lang historie, og historien om kunnskapshistorien om materiens struktur kan ikke startes på annen måte enn med ord som refererer til antikken.

1. Et fragment av Rafaels freske "The School of Athens", som viser Platon (til høyre har filosofen trekk fra Leonardo da Vinci) og Aristoteles

"Allerede gammel..."

… filosofer kom til den konklusjon at all natur består av umerkelig små partikler. Selvfølgelig, på den tiden (og i lang tid etter det) hadde ikke forskere muligheten til å teste antakelsene sine. De var bare et forsøk på å forklare observasjonene av naturen og svare på spørsmålet: "Kan materie forfalle i det uendelige, eller er det slutt på fisjon?«

Det ble gitt svar i ulike kulturelle kretser (først og fremst i det gamle India), men utviklingen av vitenskapen ble påvirket av studier av greske filosofer. I fjorårets ferieutgaver av «Ung tekniker» lærte leserne om den flere hundre år gamle historien til oppdagelsen av grunnstoffer («Dangers with the Elements», MT 7-9/2014), som også begynte i antikkens Hellas. Tilbake på XNUMX-tallet f.Kr. ble hovedkomponenten som materie (element, element) er bygget av, søkt etter i forskjellige stoffer: vann (Thales), luft (Anaximenes), ild (Heraclitus) eller jord (Xenophanes).

Empedokles forsonet dem alle, og erklærte at materie ikke består av ett, men av fire elementer. Aristoteles (1. århundre f.Kr.) la til et annet ideelt stoff - eter, som fyller hele universet, og erklærte muligheten for transformasjon av elementer. På den annen side ble jorden, som ligger i sentrum av universet, observert av himmelen, som alltid var uendret. Takket være Aristoteles autoritet ble denne teorien om materiens struktur og helheten ansett som riktig i mer enn to tusen år. Ble blant annet grunnlaget for utviklingen av alkymi, og derfor av selve kjemien (XNUMX).

2. Byste av Demokrit fra Abdera (460–370 f.Kr.)

En annen hypotese ble imidlertid også utviklet parallelt. Leucippus (XNUMXth århundre f.Kr.) mente at materie er sammensatt av veldig små partikler beveger seg i et vakuum. Synspunktene til filosofen ble utviklet av hans student - Demokrit fra Abdera (ca. 460-370 f.Kr.) (2). Han kalte "blokkene" som utgjør materieatomer (gresk atomos = udelelig). Han hevdet at de er udelelige og uforanderlige, og at antallet i universet er konstant. Atomer beveger seg i et vakuum.

Når atomer de er forbundet (ved et system av kroker og øyne) - alle slags kropper dannes, og når de skilles fra hverandre - blir kroppene ødelagt. Democritus mente at det er uendelig mange typer atomer, forskjellige i form og størrelse. Atomenes egenskaper bestemmer egenskapene til et stoff, for eksempel består søt honning av glatte atomer, og sur eddik består av kantete; hvite kropper danner glatte atomer, og svarte kropper danner atomer med en ru overflate.

Måten et materiale er sammenføyd på påvirker også egenskapene til stoffet: i faste stoffer er atomer tett ved siden av hverandre, og i myke kropper er de løst plassert. Kvintessensen av synspunktene til Demokrit er utsagnet: "Faktisk er det bare tomhet og atomer, alt annet er en illusjon."

I senere århundrer ble synspunktene til Demokrit utviklet av påfølgende filosofer, noen referanser finnes også i Platons skrifter. Epicurus - en av etterfølgerne - trodde til og med det atomer de består av enda mindre komponenter ("elementærpartikler"). Imidlertid tapte den atomistiske teorien om materiens struktur for elementene til Aristoteles. Nøkkelen – allerede da – ble funnet i erfaring. Inntil det fantes verktøy for å bekrefte eksistensen av atomer, ble transformasjonene av elementer lett observert.

For eksempel: når vann ble oppvarmet (kaldt og vått element), ble luft oppnådd (varm og våt damp), og jord forble i bunnen av karet (kald og tørr utfelling av stoffer oppløst i vann). De manglende egenskapene - varme og tørrhet - ble levert av brann, som varmet opp fartøyet.

Invarians og konstant antall atomer de motsa også observasjoner, ettersom mikrober ble antatt å dukke opp "ut av ingenting" frem til XNUMX-tallet. Synspunktene til Democritus ga ikke noe grunnlag for alkymistiske eksperimenter knyttet til transformasjon av metaller. Det var også vanskelig å forestille seg og studere den uendelige variasjonen av typer atomer. Den elementære teorien virket mye enklere og forklarte omverdenen mer overbevisende.

3. Portrett av Robert Boyle (1627–1691) av J. Kerseboom.

Fall og gjenfødelse

I århundrer har atomteori skilt seg fra mainstream vitenskap. Imidlertid døde hun ikke til slutt, ideene hennes overlevde, og nådde europeiske forskere i form av arabiske filosofiske oversettelser av gamle skrifter. Med utviklingen av menneskelig kunnskap begynte grunnlaget for Aristoteles teori å smuldre. Det heliosentriske systemet til Nicolaus Copernicus, de første observasjonene av supernovaer (Tycho de Brache) som oppsto fra ingensteds, oppdagelsen av bevegelseslovene til planetene (Johannes Kepler) og månene til Jupiter (Galileo) betydde at i det sekstende og syttende århundrer, folk sluttet å leve under himmelen uendret fra begynnelsen av verden. På jorden var også slutten på Aristoteles syn.

Alkymistenes flere hundre år gamle forsøk ga ikke de forventede resultatene - de klarte ikke å gjøre vanlige metaller om til gull. Flere og flere forskere stilte spørsmål ved eksistensen av selve elementene, og husket teorien om Demokrit.

4. Eksperimentet i 1654 med Magdeburg-halvkulene beviste eksistensen av vakuum og atmosfærisk trykk (16 hester kan ikke bryte nærliggende halvkuler som luft ble pumpet ut fra!)

Robert Boyle ga i 1661 en praktisk definisjon av et kjemisk grunnstoff som et stoff som ikke kan brytes ned til dets komponenter ved kjemisk analyse (3). Han mente at materie består av små, faste og udelelige partikler som er forskjellige i form og størrelse. Ved å kombinere danner de molekyler av kjemiske forbindelser som utgjør materie.

Boyle kalte disse bittesmå partiklene corpuscles, eller "corpuscles" (en diminutiv av det latinske ordet corpus = kropp). Boyles synspunkter ble utvilsomt påvirket av oppfinnelsen av vakuumpumpen (Otto von Guericke, 1650) og forbedringen av stempelpumper for komprimering av luft. Eksistensen av et vakuum og muligheten for å endre avstanden (som følge av kompresjon) mellom luftpartikler vitnet til fordel for teorien om Demokrit (4).

Tidens største vitenskapsmann, Sir Isaac Newton, var også en atomforsker. (5). Basert på synene til Boyle la han frem en hypotese om sammensmelting av kroppen til større formasjoner. I stedet for det eldgamle systemet med maljer og kroker, ble bindingen deres - hvordan ellers - av tyngdekraften.

5. Portrett av Sir Isaac Newton (1642-1727), av G. Kneller.

Dermed forenet Newton interaksjonene i hele universet – én kraft kontrollerte både bevegelsen til planetene og strukturen til de minste komponentene i materien. Forskeren mente at lys også består av blodlegemer.

I dag vet vi at han hadde «halvt rett» – tallrike interaksjoner mellom stråling og materie forklares av strømmen av fotoner.

Kjemi spiller inn

Inntil nesten slutten av det XNUMX. århundre var atomer privilegiet til fysikere. Imidlertid var det den kjemiske revolusjonen initiert av Antoine Lavoisier som gjorde ideen om den granulære strukturen til materie generelt akseptert.

Oppdagelsen av den komplekse strukturen til de eldgamle elementene - vann og luft - tilbakeviste til slutt Aristoteles teori. På slutten av XNUMX-tallet førte heller ikke loven om bevaring av masse og troen på umuligheten av transformasjon av elementer til innvendinger. Vekter er blitt standardutstyr i det kjemiske laboratoriet.

6. John Dalton (1766–1844)

Takket være bruken ble det lagt merke til at elementene kombineres med hverandre og danner visse kjemiske forbindelser i konstante masseforhold (uavhengig av deres opprinnelse - naturlig eller kunstig oppnådd - og syntesemetoden).

Denne observasjonen har blitt lett forklarlig hvis vi antar at materie består av udelelige deler som utgjør en enkelt helhet. atomer. Skaperen av den moderne teorien om atomet, John Dalton (1766-1844) (6), fulgte denne veien. En vitenskapsmann i 1808 uttalte at:

1. Atomer er uforgjengelige og uforanderlige (dette utelukker selvfølgelig muligheten for alkymistiske transformasjoner).
2. All materie er bygd opp av udelelige atomer.
3. Alle atomer i et gitt grunnstoff er like, det vil si at de har samme form, masse og egenskaper. Imidlertid er forskjellige grunnstoffer bygd opp av forskjellige atomer.
4. I kjemiske reaksjoner endres bare måten å forbinde atomer på, hvorfra molekyler av kjemiske forbindelser bygges - i visse proporsjoner (7).

En annen oppdagelse, også basert på å observere forløpet av kjemiske endringer, var hypotesen til den italienske fysikeren Amadeo Avogadro. Forskeren kom til den konklusjon at like store volumer av gasser under samme forhold (trykk og temperatur) inneholder samme antall molekyler. Denne oppdagelsen gjorde det mulig å etablere formlene til mange kjemiske forbindelser og bestemme massene atomer.

7. Atomsymboler brukt av Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoniske faste stoffer - symboler på atomer av eldgamle "elementer" (Wikipedia, forfatter: Maxim Pe)

Hvor mange ganger skal man kutte?

Fremveksten av ideen om atomet ble assosiert med spørsmålet: "Er det slutt på delingen av materie?". La oss for eksempel ta et eple med en diameter på 10 cm og en kniv og begynne å kutte frukten. Først i to, så et halvt eple i to deler til (parallelt med forrige kuttet), etc. Etter noen få ganger vil vi selvfølgelig fullføre, men ingenting hindrer oss i å fortsette eksperimentet i fantasien til ett atom? Tusen, en million, kanskje mer?

Etter å ha spist et oppskåret eple (deilig!), La oss starte beregningene (de som kjenner konseptet med en geometrisk progresjon vil ha mindre problemer). Den første divisjonen vil gi oss halvparten av frukten med en tykkelse på 5 cm, den neste skjæringen vil gi oss en skive med en tykkelse på 2,5 cm, osv. ... 10 slåtte! Derfor er ikke «veien» til atomenes verden lang.

*) Bruk en kniv med et uendelig tynt blad. Faktisk eksisterer ikke et slikt objekt, men siden Albert Einstein i sin forskning vurderte tog som beveget seg med lysets hastighet, har vi også lov til - for et tankeeksperiment - å gjøre antakelsen ovenfor.

Platoniske atomer

Platon, en av antikkens største hjerner, beskrev atomene som elementene skulle være sammensatt av i Timachos-dialogen. Disse formasjonene hadde form av vanlige polyedre (platoniske faste stoffer). Så tetraederet var et ildatom (som det minste og mest flyktige), oktaederet var et luftatom, og ikosaederet var et vannatom (alle faste stoffer har vegger av likesidede trekanter). En kube av firkanter er et atom av jorden, og et dodekaeder av femkanter er et atom av et ideelt element - himmeleteren (8).