С атом през вековете - част 1

Миналият век често се нарича "епохата на атома". В това не толкова далечно време най-накрая беше доказано съществуването на „тухлите“, които изграждат света около нас, и спящите в тях сили бяха освободени. Идеята за самия атом обаче има много дълга история и историята на познанието за структурата на материята не може да започне по друг начин, освен с думи, отнасящи се до древността.

1. Фрагмент от фреската на Рафаел "Атинската школа", изобразяваща Платон (вдясно, философът има чертите на Леонардо да Винчи) и Аристотел

"Вече стар..."

... философите стигнаха до заключението, че цялата природа се състои от неусетно малки частици. Разбира се, по това време (и дълго време след това) учените не са имали възможност да проверят своите предположения. Те бяха само опит да се обяснят наблюденията на природата и да се отговори на въпроса: "Може ли материята да се разпада за неопределено време или има край на деленето?«

Отговорите са дадени в различни културни кръгове (предимно в древна Индия), но развитието на науката е повлияно от изследванията на гръцките философи. В миналогодишните празнични броеве на „Млад техник“ читателите научиха за многовековната история на откриването на елементите („Опасности със стихиите“, МТ 7-9/2014), която също започва в Древна Гърция. Още през XNUMX век пр. н. е. основният компонент, от който се изгражда материята (елемент, елемент), е търсен в различни вещества: вода (Талес), въздух (Анаксимен), огън (Хераклит) или земя (Ксенофан).

Емпедокъл ги помири всички, заявявайки, че материята се състои не от един, а от четири елемента. Аристотел (1 век пр. н. е.) добавя още една идеална субстанция - етер, който изпълва цялата вселена, и обявява възможността за трансформация на елементите. От друга страна, Земята, разположена в центъра на Вселената, се наблюдава от небето, което винаги е било непроменено. Благодарение на авторитета на Аристотел тази теория за структурата на материята и цялото се смяташе за правилна повече от две хиляди години. Стана, наред с други неща, в основата на развитието на алхимията и следователно на самата химия (XNUMX).

2. Бюст на Демокрит от Абдера (460-370 пр.н.е.)

Паралелно обаче се развива и друга хипотеза. Левкип (XNUMX век пр.н.е.) вярвал, че материята се състои от много малки частици движещи се във вакуум. Възгледите на философа са развити от неговия ученик – Демокрит от Абдера (ок. 460-370 г. пр. н. е.) (2). Той нарича "блоковете", които изграждат материята, атоми (гръцки atomos = неделим). Той твърди, че те са неделими и непроменливи и че техният брой във Вселената е постоянен. Атомите се движат във вакуум.

Когато атоми свързват се (чрез система от кукички и очи) - образуват се всякакви тела, а когато се отделят едно от друго - телата се разрушават. Демокрит вярва, че има безкрайно много видове атоми, които се различават по форма и размер. Характеристиките на атомите определят свойствата на дадено вещество, например сладкият мед е съставен от гладки атоми, а киселият оцет е съставен от ъглови; белите тела образуват гладки атоми, а черните тела образуват атоми с грапава повърхност.

Начинът на свързване на материала също влияе върху свойствата на материята: в твърдите тела атомите са плътно долепени един до друг, а в меките тела те са разположени свободно. Квинтесенцията на възгледите на Демокрит е твърдението: „Всъщност има само празнота и атоми, всичко останало е илюзия“.

В по-късните векове възгледите на Демокрит са разработени от последователни философи, някои препратки се намират и в писанията на Платон. Епикур - един от наследниците - дори вярваше в това атоми те се състоят от още по-малки компоненти („елементарни частици“). Въпреки това, атомистичната теория за структурата на материята е загубена от елементите на Аристотел. Ключът — дори тогава — беше намерен в опита. Докато нямаше инструменти за потвърждаване на съществуването на атоми, трансформациите на елементите се наблюдаваха лесно.

Например: когато водата се нагрява (студен и мокър елемент), се получава въздух (гореща и мокра пара), а на дъното на съда остава почва (студено и сухо утаяване на вещества, разтворени във вода). Липсващите свойства - топлина и сухота - са осигурени от огъня, който нагрява съда.

Инвариантност и константа брой атоми те също противоречат на наблюденията, тъй като се е смятало, че микробите се появяват „от нищото“ до XNUMX век. Възгледите на Демокрит не дават никаква основа за алхимични експерименти, свързани с трансформацията на металите. Също така беше трудно да си представим и изучаваме безкрайното разнообразие от видове атоми. Елементарната теория изглеждаше много по-проста и по-убедително обясняваше околния свят.

3. Портрет на Робърт Бойл (1627–1691) от Дж. Керсебум.

Падение и прераждане

В продължение на векове атомната теория е стояла отделно от основната наука. Въпреки това, тя не умря окончателно, нейните идеи оцеляха, достигайки до европейските учени под формата на арабски философски преводи на древни писания. С развитието на човешкото познание, основите на теорията на Аристотел започват да се рушат. Хелиоцентричната система на Николай Коперник, първите наблюдения на свръхнови (Tycho de Brache), възникващи от нищото, откриването на законите за движение на планетите (Йоханес Кеплер) и луните на Юпитер (Галилей) означават, че през XVI и XVII в. векове хората престават да живеят под небето непроменени от началото на света. На земята също беше краят на възгледите на Аристотел.

Вековните опити на алхимиците не донесоха очакваните резултати – те не успяха да превърнат обикновените метали в злато. Все повече учени поставят под въпрос съществуването на самите елементи и си спомнят теорията на Демокрит.

4. Експериментът от 1654 г. с магдебургските полукълба доказа съществуването на вакуум и атмосферно налягане (16 коня не могат да разбият съседни полукълба, от които е изпомпван въздух!)

Робърт Бойл през 1661 г. дава практическа дефиниция на химичен елемент като вещество, което не може да бъде разбито на неговите компоненти чрез химичен анализ (3). Той вярвал, че материята се състои от малки, твърди и неделими частици, които се различават по форма и размер. Комбинирайки се, те образуват молекули от химични съединения, които съставляват материята.

Бойл нарече тези малки частици corpuscles, или "корпускули" (умалително от латинската дума corpus = тяло). Възгледите на Бойл несъмнено са повлияни от изобретяването на вакуумната помпа (Otto von Guericke, 1650) и усъвършенстването на буталните помпи за сгъстяване на въздуха. Наличието на вакуум и възможността за промяна на разстоянието (в резултат на компресия) между въздушните частици свидетелстват в полза на теорията на Демокрит (4).

Най-великият учен от онова време, сър Исак Нютон, също е атомен учен. (5). Въз основа на възгледите на Бойл, той изложи хипотеза за сливането на тялото в по-големи образувания. Вместо древната система от капси и куки, връзването им ставало – как иначе – чрез гравитация.

5. Портрет на сър Исак Нютон (1642-1727), от Г. Кнелър.

Така Нютон обединява взаимодействията в цялата Вселена – една сила контролира както движението на планетите, така и структурата на най-малките компоненти на материята. Ученият вярвал, че светлината също се състои от частици.

Днес знаем, че той е бил "наполовина прав" - многобройните взаимодействия между радиацията и материята се обясняват с потока от фотони.

Химията влиза в игра

Почти до края на XNUMX век атомите бяха прерогатив на физиците. Въпреки това, именно химическата революция, инициирана от Антоан Лавоазие, направи идеята за гранулираната структура на материята общоприета.

Откриването на сложната структура на древните елементи – вода и въздух – окончателно опровергава теорията на Аристотел. В края на XNUMX век законът за запазване на масата и вярата в невъзможността за преобразуване на елементите също не предизвикват възражения. Везните са се превърнали в стандартно оборудване в химическата лаборатория.

6. Джон Далтън (1766-1844)

Благодарение на използването му е забелязано, че елементите се свързват помежду си, образувайки определени химични съединения в постоянни масови пропорции (независимо от техния произход - естествен или изкуствено получен - и метода на синтез).

Това наблюдение стана лесно обяснимо, ако приемем, че материята се състои от неделими части, които съставляват едно цяло. атоми. Създателят на съвременната теория за атома Джон Далтън (1766-1844) (6) следва този път. Един учен през 1808 г. заявява, че:

1. Атомите са неразрушими и неизменни (това, разбира се, изключва възможността за алхимични трансформации).
2. Цялата материя е съставена от неделими атоми.
3. Всички атоми на даден елемент са еднакви, тоест имат еднаква форма, маса и свойства. Различните елементи обаче са изградени от различни атоми.
4. При химичните реакции се променя само начинът на съединяване на атомите, от които се изграждат молекулите на химичните съединения – в определени пропорции (7).

Друго откритие, също базирано на наблюдение на хода на химичните промени, е хипотезата на италианския физик Амадео Авогадро. Ученият стигна до заключението, че равни обеми газове при едни и същи условия (налягане и температура) съдържат еднакъв брой молекули. Това откритие даде възможност да се установят формулите на много химични съединения и да се определят масите атоми.

7. Атомни символи, използвани от Далтън (Нова система на химическата философия, 1808 г.)

8. Платонови тела - символи на атоми на древни "елементи" (Уикипедия, автор: Максим Пе)

Колко пъти да отрежете?

Появата на идеята за атома беше свързана с въпроса: "Има ли край на разделянето на материята?". Например, да вземем ябълка с диаметър 10 см и нож и да започнем да режем плодовете. Първо, наполовина, след това половин ябълка на още две части (успоредно на предишния разрез) и т. н. След няколко пъти, разбира се, ще приключим, но нищо не ни пречи да продължим експеримента във въображението на един атом? Хиляда, милион, може би повече?

След като изядем нарязана ябълка (вкусно!), нека започнем с изчисленията (тези, които знаят концепцията за геометрична прогресия, ще имат по-малко проблеми). Първото разделяне ще ни даде половината плод с дебелина 5 см, следващият разрез ще ни даде резен с дебелина 2,5 см и т.н. ... 10 разбити! Следователно „пътят“ към света на атомите не е дълъг.

*) Използвайте нож с безкрайно тънко острие. Всъщност такъв обект не съществува, но тъй като Алберт Айнщайн в своето изследване разглежда влаковете, движещи се със скоростта на светлината, ни е позволено - за целите на мисловния експеримент - да направим горното предположение.

Платонови атоми

Платон, един от най-великите умове на древността, описва атомите, от които трябва да се състоят елементите в диалога на Тимахос. Тези образувания имаха формата на правилни полиедри (платонови тела). И така, тетраедърът беше атом на огъня (като най-малкият и най-летлив), октаедърът беше атом на въздуха, а икосаедърът беше атом на водата (всички твърди тела имат стени от равностранни триъгълници). Куб от квадрати е атом на земята, а додекаедър от петоъгълници е атом на идеален елемент – небесния етер (8).