Med en atom genom tiderna - del 1

Det senaste århundradet kallas ofta för "atomens ålder". Vid den inte alltför avlägsna tidpunkten bevisades äntligen existensen av de "tegelstenar" som utgör världen omkring oss, och de slumrande krafterna i dem släpptes. Idén om själva atomen har dock en mycket lång historia, och historien om historien om kunskapen om materiens struktur kan inte startas på annat sätt än med ord som hänvisar till antiken.

1. Ett fragment av Rafaels fresk "The School of Athens", föreställande Platon (till höger har filosofen drag av Leonardo da Vinci) och Aristoteles

"Redan gammal..."

… filosofer kom till slutsatsen att all natur består av omärkligt små partiklar. Naturligtvis hade forskare vid den tiden (och under lång tid efter det) inte möjlighet att testa sina antaganden. De var bara ett försök att förklara naturens observationer och svara på frågan: "Kan materia förfalla i det oändliga, eller finns det ett slut på fission?«

Svar gavs i olika kulturkretsar (främst i det antika Indien), men vetenskapens utveckling påverkades av grekiska filosofers studier. I förra årets semesternummer av "Ung tekniker" fick läsarna veta om den månghundraåriga historien om upptäckten av grundämnen ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), som också började i antikens Grekland. Redan på XNUMX-talet f.Kr. sökte man efter huvudkomponenten som materia (grundämne, grundämne) är uppbyggd av i olika ämnen: vatten (Thales), luft (Anaximenes), eld (Heraclitus) eller jord (Xenophanes).

Empedokles försonade dem alla och förklarade att materia inte består av ett, utan av fyra element. Aristoteles (1:a århundradet f.Kr.) lade till en annan idealisk substans - eter, som fyller hela universum, och förklarade möjligheten av omvandling av element. Å andra sidan observerades jorden, som ligger i universums centrum, av himlen, som alltid var oförändrad. Tack vare Aristoteles auktoritet ansågs denna teori om materiens struktur och helheten vara korrekt i mer än två tusen år. Blev bland annat grunden för utvecklingen av alkemin, och därför av själva kemin (XNUMX).

2. Byst av Demokritos av Abdera (460-370 f.Kr.)

Men en annan hypotes utvecklades också parallellt. Leucippus (XNUMXth århundradet f.Kr.) trodde att materia består av mycket små partiklar rör sig i ett vakuum. Filosofens åsikter utvecklades av hans elev - Demokritos av Abdera (ca 460-370 f.Kr.) (2). Han kallade "blocken" som utgör materia atomer (grekiska atomos = odelbara). Han hävdade att de är odelbara och oföränderliga, och att deras antal i universum är konstant. Atomer rör sig i ett vakuum.

När atomer de är förbundna (med ett system av krokar och ögon) - alla slags kroppar bildas, och när de separeras från varandra - förstörs kropparna. Demokrit trodde att det finns oändligt många typer av atomer som skiljer sig åt i form och storlek. Atomernas egenskaper bestämmer egenskaperna hos ett ämne, till exempel består söt honung av släta atomer och sur vinäger består av kantiga; vita kroppar bildar släta atomer och svarta kroppar bildar atomer med en grov yta.

Sättet som materialet är sammanfogat på påverkar också materiens egenskaper: i fasta ämnen ligger atomer tätt intill varandra och i mjuka kroppar är de löst placerade. Kvintessensen av Demokritos åsikter är uttalandet: "Faktum är att det bara finns tomhet och atomer, allt annat är en illusion."

Under senare århundraden utvecklades Demokritos åsikter av på varandra följande filosofer, vissa referenser finns också i Platons skrifter. Epicurus - en av efterträdarna - trodde till och med det atomer de består av ännu mindre komponenter ("elementarpartiklar"). Emellertid förlorade den atomistiska teorin om materiens struktur till elementen i Aristoteles. Nyckeln – redan då – fanns i erfarenheten. Tills det fanns verktyg för att bekräfta existensen av atomer, var omvandlingarna av element lätt att observera.

Till exempel: när vatten värmdes upp (kallt och vått element), erhölls luft (het och våt ånga), och jord blev kvar på botten av kärlet (kall och torr utfällning av ämnen lösta i vatten). De saknade egenskaperna - värme och torrhet - tillhandahölls av eld, som värmde upp fartyget.

Invarians och konstant antal atomer de motsatte sig också observationer, eftersom mikrober ansågs växa fram "ur ingenting" fram till XNUMX-talet. Demokritos åsikter gav ingen grund för alkemiska experiment relaterade till omvandling av metaller. Det var också svårt att föreställa sig och studera den oändliga variationen av sorters atomer. Den elementära teorin verkade mycket enklare och förklarade omvärlden mer övertygande.

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

Fall och återfödelse

I århundraden har atomteorin stått skild från den vanliga vetenskapen. Men hon dog inte äntligen, hennes idéer överlevde och nådde europeiska vetenskapsmän i form av arabiska filosofiska översättningar av antika skrifter. Med utvecklingen av mänsklig kunskap började grunden för Aristoteles teori att falla sönder. Nicolaus Copernicus heliocentriska system, de första observationerna av supernovor (Tycho de Brache) som uppstod från ingenstans, upptäckten av rörelselagarna för planeterna (Johannes Kepler) och Jupiters månar (Galileo) innebar att under den sextonde och sjuttonde århundraden, människor upphörde att leva under himlen oförändrad från början av världen. Också på jorden var slutet för Aristoteles åsikter.

Alkemisternas hundra år gamla försök gav inte de förväntade resultaten - de misslyckades med att förvandla vanliga metaller till guld. Fler och fler forskare ifrågasatte existensen av själva elementen och kom ihåg teorin om Demokrit.

4. Experimentet 1654 med magdeburgska halvklot bevisade förekomsten av vakuum och atmosfäriskt tryck (16 hästar kan inte bryta närliggande halvklot varifrån luft pumpades ut!)

Robert Boyle gav 1661 en praktisk definition av ett kemiskt grundämne som ett ämne som inte kan brytas ner till dess komponenter genom kemisk analys (3). Han trodde att materia består av små, fasta och odelbara partiklar som skiljer sig åt i form och storlek. Genom att kombinera bildar de molekyler av kemiska föreningar som utgör materia.

Boyle kallade dessa små partiklar för corpuscles, eller "corpuscles" (en diminutiv av det latinska ordet corpus = kropp). Boyles åsikter påverkades utan tvekan av uppfinningen av vakuumpumpen (Otto von Guericke, 1650) och förbättringen av kolvpumpar för komprimering av luft. Förekomsten av ett vakuum och möjligheten att ändra avståndet (som ett resultat av kompression) mellan luftpartiklar vittnade till förmån för teorin om Demokrit (4).

Den tidens största vetenskapsman, Sir Isaac Newton, var också en atomforskare. (5). Baserat på Boyles åsikter lade han fram en hypotes om kroppens sammansmältning till större formationer. Istället för det uråldriga systemet med öljetter och krokar, var deras bindning - hur annars - genom gravitation.

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

Således förenade Newton växelverkan i hela universum - en kraft kontrollerade både planeternas rörelse och strukturen hos materiens minsta komponenter. Forskaren trodde att ljus också består av blodkroppar.

Idag vet vi att han hade "halv rätt" - många interaktioner mellan strålning och materia förklaras av flödet av fotoner.

Kemi spelar in

Fram till nästan slutet av XNUMX-talet var atomer fysikers privilegium. Det var dock den kemiska revolutionen initierad av Antoine Lavoisier som gjorde idén om materiens granulära struktur allmänt accepterad.

Upptäckten av den komplexa strukturen hos de antika elementen - vatten och luft - motbevisade slutligen Aristoteles teori. I slutet av XNUMX-talet väckte inte heller lagen om massans bevarande och tron ​​på omöjligheten av omvandling av element invändningar. Vågar har blivit standardutrustning i det kemiska laboratoriet.

6. John Dalton (1766-1844)

Tack vare dess användning märktes det att elementen kombineras med varandra och bildar vissa kemiska föreningar i konstanta massproportioner (oavsett deras ursprung - naturligt eller artificiellt erhållet - och syntesmetoden).

Denna observation har blivit lätt förklarlig om vi antar att materia består av odelbara delar som utgör en enda helhet. atomer. Skaparen av den moderna teorin om atomen, John Dalton (1766-1844) (6), följde denna väg. En vetenskapsman 1808 sa att:

1. Atomer är oförstörbara och oföränderliga (detta uteslöt naturligtvis möjligheten till alkemiska transformationer).
2. All materia består av odelbara atomer.
3. Alla atomer i ett givet grundämne är lika, det vill säga de har samma form, massa och egenskaper. Men olika grundämnen är uppbyggda av olika atomer.
4. I kemiska reaktioner förändras bara sättet att sammanfoga atomer, från vilka molekyler av kemiska föreningar byggs upp - i vissa proportioner (7).

En annan upptäckt, också baserad på att observera förloppet av kemiska förändringar, var hypotesen från den italienska fysikern Amadeo Avogadro. Forskaren kom till slutsatsen att lika volymer gaser under samma förhållanden (tryck och temperatur) innehåller samma antal molekyler. Denna upptäckt gjorde det möjligt att fastställa formlerna för många kemiska föreningar och bestämma massorna atomer.

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

8. Platoniska fasta ämnen - symboler för atomer av forntida "element" (Wikipedia, författare: Maxim Pe)

Hur många gånger ska man klippa?

Uppkomsten av idén om atomen var förknippad med frågan: "Finns det ett slut på uppdelningen av materia?". Låt oss till exempel ta ett äpple med en diameter på 10 cm och en kniv och börja skiva frukten. Först, i hälften, sedan ett halvt äpple i två delar till (parallellt med föregående snitt), etc. Efter några gånger kommer vi naturligtvis att avsluta, men ingenting hindrar oss från att fortsätta experimentet i en atoms fantasi? Tusen, en miljon, kanske mer?

Efter att ha ätit ett skivat äpple (gott!), låt oss börja beräkningarna (de som känner till konceptet med en geometrisk progression kommer att ha mindre problem). Den första uppdelningen ger oss hälften av frukten med en tjocklek på 5 cm, nästa snitt ger oss en skiva med en tjocklek på 2,5 cm, etc. ... 10 slagna! Därför är "vägen" till atomernas värld inte lång.

*) Använd en kniv med ett oändligt tunt blad. I själva verket existerar inte ett sådant objekt, men eftersom Albert Einstein i sin forskning ansåg att tåg rörde sig med ljusets hastighet, tillåts vi också - i syfte att ett tankeexperiment - göra ovanstående antagande.

Platoniska atomer

Platon, en av antikens största hjärnor, beskrev de atomer som elementen skulle bestå av i Timachos-dialogen. Dessa formationer hade formen av regelbundna polyedrar (platoniska fasta ämnen). Så, tetraedern var en atom av eld (som den minsta och mest flyktiga), oktaedern var en atom av luft, och icosahedron var en atom av vatten (alla fasta ämnen har väggar av liksidiga trianglar). En kub av kvadrater är en atom av jorden, och en dodekaeder av femhörningar är en atom av ett idealiskt element - den himmelska etern (8).