Ar atomu cauri laikiem - 1.daļa

Pagājušo gadsimtu bieži dēvē par "atoma vecumu". Tajā ne pārāk tālajā laikā beidzot tika pierādīta apkārtējo pasauli veidojošo “ķieģeļu” esamība un tajos snaudošie spēki atbrīvoti. Taču pašai atoma idejai ir ļoti sena vēsture, un matērijas uzbūves vēstures stāstu nevar iesākt citādi kā ar vārdiem, kas attiecas uz senatni.

1. Rafaela freskas "Atēnu skola" fragments, kurā attēlots Platons (labajā pusē filozofam ir Leonardo da Vinči vaibsti) un Aristotelis.

"Jau vecs..."

… filozofi nonāca pie secinājuma, ka visa daba sastāv no nemanāmi mazām daļiņām. Protams, tajā laikā (un vēl ilgu laiku pēc tam) zinātniekiem nebija iespējas pārbaudīt savus pieņēmumus. Tie bija tikai mēģinājums izskaidrot dabas novērojumus un atbildēt uz jautājumu: "Vai matērija var sabrukt bezgalīgi, vai arī skaldīšanai ir beigas?«

Atbildes tika sniegtas dažādās kultūras aprindās (galvenokārt senajā Indijā), bet zinātnes attīstību ietekmēja grieķu filozofu pētījumi. Pagājušā gada "Jaunā tehniķa" svētku numuros lasītāji uzzināja par gadsimtiem seno elementu atklāšanas vēsturi ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), kas arī aizsākās Senajā Grieķijā. Vēl XNUMX. gadsimtā pirms mūsu ēras galvenā sastāvdaļa, no kuras tiek uzbūvēta matērija (stihija, stihija), tika meklēta dažādās vielās: ūdenī (Thales), gaisā (Anaksimenes), ugunī (Hēraklīts) vai zemē (Ksenofāns).

Empedokls viņus visus samierināja, paziņojot, ka matērija sastāv nevis no viena, bet no četriem elementiem. Aristotelis (1. gs. p.m.ē.) pievienoja vēl vienu ideālu vielu – ēteri, kas piepilda visu Visumu, un pasludināja elementu transformācijas iespēju. No otras puses, Zemi, kas atrodas Visuma centrā, novēroja debesis, kas vienmēr bija nemainīgas. Pateicoties Aristoteļa autoritātei, šī matērijas uzbūves un veseluma teorija tika uzskatīta par pareizu vairāk nekā divus tūkstošus gadu. Cita starpā kļuva par pamatu alķīmijas un līdz ar to arī pašas ķīmijas attīstībai (XNUMX).

2. Abderas Demokrita krūšutēls (460-370 p.m.ē.)

Taču paralēli tika izstrādāta arī cita hipotēze. Leikips (XNUMX. gadsimts pirms mūsu ēras) uzskatīja, ka matērija sastāv no ļoti mazas daļiņas pārvietojas vakuumā. Filozofa uzskatus izstrādāja viņa skolnieks - Abderas Demokrits (ap 460.-370.g.pmē.) (2). Viņš sauca "blokus", kas veido matērijas atomus (grieķu atomos = nedalāms). Viņš apgalvoja, ka tie ir nedalāmi un nemainīgi un ka to skaits Visumā ir nemainīgs. Atomi pārvietojas vakuumā.

Kad atomi tie ir savienoti (ar āķu un acu sistēmu) - veidojas visa veida ķermeņi, un, tos atdalot vienu no otra - ķermeņi tiek iznīcināti. Demokrits uzskatīja, ka ir bezgalīgi daudz atomu veidu, kas atšķiras pēc formas un izmēra. Atomu īpašības nosaka vielas īpašības, piemēram, saldais medus sastāv no gludiem atomi, bet skābais etiķis – no stūrainiem; baltie ķermeņi veido gludus atomus, un melnie ķermeņi veido atomus ar raupju virsmu.

Materiāla savienošanas veids ietekmē arī matērijas īpašības: cietās vielās atomi atrodas cieši blakus viens otram, bet mīkstos ķermeņos tie atrodas brīvi. Demokrita uzskatu kvintesence ir apgalvojums: "Patiesībā ir tikai tukšums un atomi, viss pārējais ir ilūzija."

Vēlākajos gadsimtos Demokrita uzskatus attīstīja secīgi filozofi, dažas atsauces atrodamas arī Platona rakstos. Epikūrs — viens no pēctečiem — tam pat ticēja atomi tās sastāv no vēl mazākām sastāvdaļām (“elementārdaļiņām”). Tomēr atomistiskā matērijas struktūras teorija zaudēja Aristoteļa elementiem. Atslēga — jau toreiz — tika atrasta pieredzē. Kamēr nebija instrumenti, lai apstiprinātu atomu esamību, elementu pārvērtības bija viegli novērojamas.

Piemēram: sildot ūdeni (auksts un mitrs elements), tika iegūts gaiss (karsts un slapjš tvaiks), un trauka dibenā palika augsne (aukstā un sausā ūdenī izšķīdušo vielu nokrišņi). Trūkstošās īpašības - siltumu un sausumu - nodrošināja uguns, kas sildīja trauku.

Nemainība un konstante atomu skaits tie arī bija pretrunā ar novērojumiem, jo ​​tika uzskatīts, ka mikrobi radās "no nekā" līdz pat XNUMX. gadsimtam. Demokrita uzskati nedeva nekādu pamatu alķīmiskiem eksperimentiem, kas saistīti ar metālu pārveidi. Bija arī grūti iedomāties un pētīt bezgalīgo dažādo atomu veidu. Elementārā teorija šķita daudz vienkāršāka un pārliecinošāk izskaidroja apkārtējo pasauli.

3. Roberta Boila (1627–1691) portrets, autors J. Kerseboom.

Kritums un atdzimšana

Gadsimtiem ilgi atomu teorija ir atdalījusies no galvenās zinātnes. Tomēr viņa galīgi nenomira, viņas idejas izdzīvoja, sasniedzot Eiropas zinātniekus seno rakstu arābu filozofisko tulkojumu veidā. Attīstoties cilvēka zināšanām, Aristoteļa teorijas pamati sāka brukt. Nikolaja Kopernika heliocentriskā sistēma, pirmie no nekurienes radušos supernovu (Tycho de Brache) novērojumi, planētu (Johannes Keplers) un Jupitera pavadoņu (Galileo) kustības likumu atklāšana nozīmēja, ka sešpadsmitajā un septiņpadsmitajā gadsimtiem ilgi cilvēki pārstāja dzīvot zem debesīm nemainīgi kopš pasaules sākuma. Arī uz zemes bija gals Aristoteļa uzskatiem.

Gadsimtiem ilgie alķīmiķu mēģinājumi nenesa gaidītos rezultātus – tiem neizdevās parastos metālus pārvērst zeltā. Arvien vairāk zinātnieku apšaubīja pašu elementu esamību un atcerējās Demokrita teoriju.

4. 1654. gada eksperiments ar Magdeburgas puslodēm pierādīja vakuuma un atmosfēras spiediena esamību (16 zirgi nevar salauzt blakus esošās puslodes, no kurām tika izsūknēts gaiss!)

Roberts Boils 1661. gadā sniedza praktisku ķīmiskā elementa definīciju kā vielu, kuru nevar sadalīt sastāvdaļās ar ķīmisko analīzi (3). Viņš uzskatīja, ka matērija sastāv no mazām, cietām un nedalāmām daļiņām, kas atšķiras pēc formas un izmēra. Apvienojot, tie veido ķīmisko savienojumu molekulas, kas veido vielu.

Boils šīs sīkās daļiņas sauca par asinsķermenīšiem vai "ķermeņiem" (latīņu vārda corpus = ķermeņa deminutīvs). Boila uzskatus neapšaubāmi ietekmēja vakuumsūkņa izgudrojums (Otto fon Gēriks, 1650) un virzuļsūkņu uzlabošana gaisa saspiešanai. Vakuuma esamība un iespēja mainīt attālumu (saspiešanas rezultātā) starp gaisa daļiņām liecināja par labu Demokrita teorijai (4).

Tā laika lielākais zinātnieks sers Īzaks Ņūtons bija arī atomzinātnieks. (5). Balstoties uz Boila uzskatiem, viņš izvirzīja hipotēzi par ķermeņa saplūšanu lielākos veidojumos. Senās cilpiņu un āķu sistēmas vietā to siešana notika - kā gan citādi - ar gravitāciju.

5. Sera Īzaka Ņūtona (1642-1727) portrets, G. Knellers.

Tādējādi Ņūtons apvienoja mijiedarbības visā Visumā – viens spēks kontrolēja gan planētu kustību, gan matērijas mazāko komponentu uzbūvi. Zinātnieks uzskatīja, ka gaisma sastāv arī no asinsķermenīšiem.

Šodien mēs zinām, ka viņam bija "puspareizība" - daudzas mijiedarbības starp starojumu un matēriju ir izskaidrojamas ar fotonu plūsmu.

Sākas ķīmija

Gandrīz līdz XNUMX. gadsimta beigām atomi bija fiziķu prerogatīva. Tomēr Antuāna Lavuazjē ierosinātā ķīmiskā revolūcija padarīja domu par vielas granulēto struktūru vispārpieņemtu.

Seno elementu – ūdens un gaisa – sarežģītās struktūras atklāšana beidzot atspēkoja Aristoteļa teoriju. XNUMX. gadsimta beigās iebildumus neizraisīja arī masas nezūdamības likums un ticība elementu transformācijas neiespējamībai. Svari ir kļuvuši par standarta aprīkojumu ķīmiskajā laboratorijā.

6. Džons Daltons (1766-1844)

Pateicoties tā izmantošanai, tika pamanīts, ka elementi savienojas viens ar otru, veidojot noteiktus ķīmiskus savienojumus nemainīgās masas proporcijās (neatkarīgi no to izcelsmes - dabiskas vai mākslīgi iegūtas - un sintēzes metodes).

Šis novērojums ir kļuvis viegli izskaidrojams, ja pieņemam, ka matērija sastāv no nedalāmām daļām, kas veido vienotu veselumu. atomi. Mūsdienu atoma teorijas radītājs Džons Daltons (1766-1844) (6) gāja šo ceļu. Zinātnieks 1808. gadā paziņoja, ka:

1. Atomi ir neiznīcināmi un nemainīgi (tas, protams, izslēdza alķīmisku pārvērtību iespējamību).
2. Visa matērija sastāv no nedalāmiem atomiem.
3. Visi dotā elementa atomi ir vienādi, tas ir, tiem ir vienāda forma, masa un īpašības. Tomēr dažādi elementi sastāv no dažādiem atomiem.
4. Ķīmiskajās reakcijās mainās tikai atomu savienošanās veids, no kura tiek uzbūvētas ķīmisko savienojumu molekulas - noteiktās proporcijās (7).

Vēl viens atklājums, kas arī balstīts uz ķīmisko izmaiņu norises novērošanu, bija itāļu fiziķa Amadeo Avogadro hipotēze. Zinātnieks nonāca pie secinājuma, ka vienādos daudzumos gāzu vienādos apstākļos (spiedienā un temperatūrā) ir vienāds skaits molekulu. Šis atklājums ļāva noteikt daudzu ķīmisko savienojumu formulas un noteikt masas atomi.

7. Daltona izmantotie atomu simboli (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoniskas cietvielas - seno "elementu" atomu simboli (Wikipedia, autors: Maxim Pe)

Cik reizes griezt?

Atoma idejas rašanās bija saistīta ar jautājumu: "Vai matērijas dalīšanai ir beigas?". Piemēram, ņemsim ābolu ar 10 cm diametru un nazi un sāksim griezt augļus. Vispirms uz pusēm, tad pusi ābolu vēl divās daļās (paralēli iepriekšējam griezumam) utt. Pēc dažām reizēm, protams, pabeigsim, bet nekas neliedz turpināt eksperimentu viena atoma iztēlē? Tūkstoš, miljons, varbūt vairāk?

Pēc sagriezta ābola apēšanas (garšīgi!), Sāksim aprēķinus (tiem, kas zina ģeometriskās progresijas jēdzienu, būs mazāk problēmu). Pirmajā dalījumā mēs iedosim pusi no augļa 5 cm biezumā, nākamajā griezumā iedosim šķēli ar biezumu 2,5 cm utt ... 10 sakultas! Tāpēc "ceļš" uz atomu pasauli nav garš.

*) Izmantojiet nazi ar bezgala plānu asmeni. Faktiski šāds objekts neeksistē, bet, tā kā Alberts Einšteins savos pētījumos uzskatīja vilcienus, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, arī mums domu eksperimenta nolūkos ir atļauts izdarīt iepriekš minēto pieņēmumu.

Platoniskie atomi

Platons, viens no lielākajiem senatnes prātiem, Timaho dialogā aprakstīja atomus, no kuriem elementiem bija jāsastāv. Šiem veidojumiem bija regulāru daudzskaldņu (platoniskas cietvielas) forma. Tātad tetraedrs bija uguns atoms (kā mazākais un gaistošākais), oktaedrs bija gaisa atoms, un ikosaedrs bija ūdens atoms (visām cietajām vielām ir vienādmalu trīsstūru sienas). Kvadrātu kubs ir zemes atoms, bet piecstūru dodekaedrs ir ideāla elementa - debesu ētera (8) atoms.