Z atomom skozi stoletja - 1. del

Zadnje stoletje pogosto imenujemo "doba atoma". V tistem ne tako daljnem času je bil dokončno dokazan obstoj "opek", ki sestavljajo svet okoli nas, in sprostile so se sile, ki so v njih mirovale. Sama ideja atoma pa ima zelo dolgo zgodovino in zgodbe o zgodovini poznavanja zgradbe snovi ni mogoče začeti drugače kot z besedami, ki se nanašajo na antiko.

1. Fragment Rafaelove freske "Atenska šola", ki prikazuje Platona (na desni ima filozof značilnosti Leonarda da Vincija) in Aristotela

"Že star ..."

… filozofi so prišli do zaključka, da je vsa narava sestavljena iz neopazno majhnih delcev. Seveda takrat (in še dolgo po tem) znanstveniki niso imeli možnosti preveriti svojih domnev. Bili so le poskus razložiti opažanja narave in odgovoriti na vprašanje: "Ali lahko materija neskončno razpada ali obstaja konec cepitve?«

Odgovore so dajali v različnih kulturnih krogih (predvsem v starodavni Indiji), na razvoj znanosti pa so vplivale študije grških filozofov. V lanskoletnih prazničnih številkah »Mladega tehnika« so bralci spoznavali večstoletno zgodovino odkrivanja elementov (»Nevarnosti z elementi«, MT 7-9/2014), ki se je začela tudi v stari Grčiji. Že v XNUMX. stoletju pred našim štetjem so glavno sestavino, iz katere je zgrajena snov (element, element), iskali v različnih snoveh: vodi (Tales), zraku (Anaksimen), ognju (Heraklit) ali zemlji (Ksenofan).

Empedokle jih je vse pomiril in izjavil, da materija ni sestavljena iz enega, ampak iz štirih elementov. Aristotel (1. stoletje pr.n.št.) je dodal še eno idealno snov - eter, ki napolnjuje celotno vesolje, in razglasil možnost preobrazbe elementov. Po drugi strani pa je Zemljo, ki se nahaja v središču vesolja, opazovalo nebo, ki je bilo vedno nespremenjeno. Zahvaljujoč avtoriteti Aristotela je ta teorija strukture snovi in ​​celote veljala za pravilno več kot dva tisoč let. Med drugim je postal osnova za razvoj alkimije in s tem same kemije (XNUMX).

2. Doprsni kip Demokrita iz Abdere (460-370 pr.n.št.)

Vendar se je vzporedno razvila tudi druga hipoteza. Leucippus (XNUMX. stoletje pr.n.št.) je verjel, da je snov sestavljena iz zelo majhni delci premikanje v vakuumu. Poglede filozofa je razvil njegov učenec - Demokrit iz Abdere (okoli 460-370 pr. n. št.) (2). "Bloke", ki sestavljajo snov, je imenoval atomi (grško atomos = nedeljivo). Trdil je, da so nedeljivi in ​​nespremenljivi ter da je njihovo število v vesolju konstantno. Atomi se gibljejo v vakuumu.

Pri atomi povezujejo se (s sistemom kavljev in ušes) - nastanejo najrazličnejša telesa, ko se med seboj ločijo - telesa uničijo. Demokrit je verjel, da obstaja neskončno veliko vrst atomov, ki se razlikujejo po obliki in velikosti. Lastnosti atomov določajo lastnosti snovi, sladki med je na primer sestavljen iz gladkih atomov, kisli kis pa iz oglatih; bela telesa tvorijo gladke atome, črna telesa pa atome s hrapavo površino.

Način spajanja materiala vpliva tudi na lastnosti snovi: v trdnih snoveh so atomi tesno sosednji drug drugemu, v mehkih telesih pa ohlapno. Bistvo Demokritovih pogledov je izjava: "Pravzaprav obstajajo samo praznina in atomi, vse ostalo je iluzija."

V kasnejših stoletjih so Demokritove poglede razvijali zaporedni filozofi, nekaj sklicevanj najdemo tudi v Platonovih spisih. Epikur - eden od naslednikov - je v to celo verjel atomi sestavljeni so iz še manjših komponent (»elementarnih delcev«). Vendar pa je atomistična teorija strukture snovi izgubljena za elemente Aristotela. Ključ – že takrat – so našli v izkušnjah. Dokler ni bilo orodij za potrditev obstoja atomov, so bile transformacije elementov zlahka opazovane.

Na primer: pri segrevanju vode (hladni in mokri element) je nastal zrak (vroča in mokra para), na dnu posode pa je ostala zemlja (hladno in suho obarjanje snovi, raztopljenih v vodi). Manjkajoče lastnosti - toploto in suhost - je zagotovil ogenj, ki je ogreval plovilo.

Invariantnost in konstanta število atomov nasprotovala sta tudi opažanjem, saj naj bi mikrobi vse do XNUMX. stoletja nastajali »iz nič«. Demokritova stališča niso dajala nobene podlage za alkemične poskuse, povezane s preoblikovanjem kovin. Težko si je bilo tudi predstavljati in preučevati neskončno raznolikost vrst atomov. Osnovna teorija se je zdela veliko preprostejša in bolj prepričljivo razlaga okoliški svet.

3. Portret Roberta Boyla (1627–1691) J. Kersebooma.

Padec in ponovno rojstvo

Že stoletja je atomska teorija stala ločeno od glavne znanosti. Vendar dokončno ni umrla, njene ideje so preživele in dosegle evropske znanstvenike v obliki arabskih filozofskih prevodov starodavnih spisov. Z razvojem človeškega znanja so se začeli rušiti temelji Aristotelove teorije. Heliocentrični sistem Nikolaja Kopernika, prva opazovanja supernov (Tycho de Brache), ki izvirajo od nikoder, odkritje zakonov gibanja planetov (Johannes Kepler) in Jupitrovih lun (Galileo) je pomenilo, da je v XNUMX. in XNUMX. stoletja so ljudje prenehali živeti pod nebom nespremenjeni od začetka sveta. Tudi na zemlji je bil konec Aristotelovih pogledov.

Stoletja stari poskusi alkimistov niso prinesli pričakovanih rezultatov - navadnih kovin jim ni uspelo spremeniti v zlato. Vedno več znanstvenikov je dvomilo o obstoju samih elementov in se spomnilo Demokritove teorije.

4. Poskus iz leta 1654 z magdeburškimi polobli je dokazal obstoj vakuuma in atmosferskega tlaka (16 konjev ne more razbiti sosednjih hemisfer, iz katerih je bil izčrpan zrak!)

Robert Boyle je leta 1661 podal praktično definicijo kemičnega elementa kot snovi, ki je s kemično analizo ni mogoče razgraditi na sestavine (3). Verjel je, da je snov sestavljena iz majhnih, trdnih in nedeljivih delcev, ki se razlikujejo po obliki in velikosti. Z združevanjem tvorijo molekule kemičnih spojin, ki sestavljajo snov.

Boyle je te drobne delce imenoval corpuscles ali "corpuscles" (pomanjševalnica latinske besede corpus = telo). Na Boylove poglede sta nedvomno vplivala izum vakuumske črpalke (Otto von Guericke, 1650) in izboljšava batnih črpalk za stiskanje zraka. Obstoj vakuuma in možnost spreminjanja razdalje (kot posledica stiskanja) med zračnimi delci sta pričala v prid Demokritovi teoriji (4).

Največji znanstvenik tistega časa, Sir Isaac Newton, je bil tudi atomski znanstvenik. (5). Na podlagi Boyleovih pogledov je postavil hipotezo o zlitju telesa v večje tvorbe. Namesto starodavnega sistema očescev in kavljev je bilo njihovo vezanje – kako drugače – gravitacijsko.

5. Portret sira Isaaca Newtona (1642-1727), G. Knellerja.

Tako je Newton združil interakcije v celotnem vesolju - ena sila je nadzorovala tako gibanje planetov kot strukturo najmanjših komponent snovi. Znanstvenik je verjel, da je svetloba sestavljena tudi iz telesc.

Danes vemo, da je imel »na pol prav« – številne interakcije med sevanjem in snovjo razlagajo s tokom fotonov.

Kemija pride v poštev

Skoraj do konca XNUMX. stoletja so bili atomi prerogativ fizikov. Vendar pa je bila kemična revolucija, ki jo je sprožil Antoine Lavoisier, tista, zaradi katere je bila ideja o zrnati strukturi snovi splošno sprejeta.

Odkritje kompleksne strukture starodavnih elementov - vode in zraka - je dokončno ovrglo Aristotelovo teorijo. Konec XNUMX. stoletja tudi zakon o ohranitvi mase in prepričanje o nemožnosti preoblikovanja elementov nista povzročala ugovorov. Tehtnice so postale standardna oprema v kemijskem laboratoriju.

6. John Dalton (1766-1844)

Zahvaljujoč njegovi uporabi je bilo ugotovljeno, da se elementi med seboj povezujejo in tvorijo določene kemične spojine v stalnih masnih razmerjih (ne glede na njihov izvor - naravni ali umetno pridobljeni - in način sinteze).

To opazovanje je postalo zlahka razložljivo, če predpostavimo, da je snov sestavljena iz nedeljivih delov, ki sestavljajo eno samo celoto. atomi. Po tej poti je šel ustvarjalec moderne teorije atoma John Dalton (1766-1844) (6). Znanstvenik je leta 1808 izjavil, da:

1. Atomi so neuničljivi in ​​nespremenljivi (to je seveda izključilo možnost alkemičnih transformacij).
2. Vsa snov je sestavljena iz nedeljivih atomov.
3. Vsi atomi določenega elementa so enaki, torej imajo enako obliko, maso in lastnosti. Vendar pa so različni elementi sestavljeni iz različnih atomov.
4. Pri kemijskih reakcijah se spremeni le način spajanja atomov, iz katerih so zgrajene molekule kemičnih spojin – v določenih razmerjih (7).

Drugo odkritje, prav tako na podlagi opazovanja poteka kemičnih sprememb, je bila hipoteza italijanskega fizika Amadea Avogadra. Znanstvenik je prišel do zaključka, da enake količine plinov pod enakimi pogoji (tlak in temperatura) vsebujejo enako število molekul. To odkritje je omogočilo določitev formul številnih kemičnih spojin in določitev mase atomi.

7. Atomski simboli, ki jih uporablja Dalton (Novi sistem kemijske filozofije, 1808)

8. Platonska telesa - simboli atomov starodavnih "elementov" (Wikipedia, avtor: Maxim Pe)

Kolikokrat rezati?

Pojav ideje o atomu je bil povezan z vprašanjem: "Ali obstaja konec delitve snovi?". Vzemimo na primer jabolko s premerom 10 cm in nož ter začnemo rezati sadje. Najprej na polovico, nato še pol jabolka na dva dela (vzporedno s prejšnjim rezom) itd. Čez nekajkrat bomo seveda končali, a nič nam ne preprečuje, da bi poskus nadaljevali v domišljiji enega atoma? Tisoč, milijon, morda več?

Ko pojemo narezano jabolko (okusno!), začnimo z izračuni (tisti, ki poznajo koncept geometrijske progresije, bodo imeli manj težav). Prva delitev nam bo dala polovico plodov debeline 5 cm, naslednji rez nam bo dal rezino debeline 2,5 cm itd. ... 10 pretlačenih! Zato »pot« v svet atomov ni dolga.

*) Uporabite nož z neskončno tankim rezilom. Pravzaprav tak objekt ne obstaja, a ker je Albert Einstein v svoji raziskavi upošteval vlake, ki se premikajo s svetlobno hitrostjo, nam je dovoljeno - za namene miselnega eksperimenta - narediti zgornjo predpostavko.

Platonski atomi

Platon, eden največjih umov antike, je opisal atome, iz katerih naj bi bili elementi sestavljeni v dialogu o Timachu. Te tvorbe so imele obliko pravilnih poliedrov (Platonovih teles). Torej, tetraeder je bil atom ognja (kot najmanjši in najbolj hlapljiv), oktaeder je bil atom zraka in ikosaeder je bil atom vode (vsa trdna telesa imajo stene enakostraničnih trikotnikov). Kocka kvadratov je atom zemlje, dodekaeder peterokotnikov pa atom idealnega elementa - nebesnega etra (8).