Met 'n atoom deur die eeue - deel 1

Daar word dikwels na die vorige eeu verwys as die "ouderdom van die atoom". Op daardie nie te verre tyd nie, is die bestaan ​​van die "stene" waaruit die wêreld om ons bestaan ​​finaal bewys, en die kragte wat daarin sluimer, is vrygelaat. Die idee van die atoom self het egter 'n baie lang geskiedenis, en die verhaal van die geskiedenis van die kennis van die struktuur van materie kan nie anders begin as met woorde wat na die oudheid verwys nie.

1. 'n Fragment van Rafael se fresko "The School of Athens", wat Plato uitbeeld (regs het die filosoof die kenmerke van Leonardo da Vinci) en Aristoteles

"Reeds oud..."

… filosowe het tot die gevolgtrekking gekom dat die hele natuur uit onmerkbaar klein deeltjies bestaan. Natuurlik het wetenskaplikes destyds (en vir 'n lang tyd daarna) nie die geleentheid gehad om hul aannames te toets nie. Hulle was slegs 'n poging om die waarnemings van die natuur te verduidelik en die vraag te beantwoord: "Kan materie onbepaald verval, of is daar 'n einde aan splitsing?«

Antwoorde is in verskeie kulturele kringe gegee (hoofsaaklik in antieke Indië), maar die ontwikkeling van die wetenskap is beïnvloed deur die studies van Griekse filosowe. In verlede jaar se vakansie-uitgawes van “Jong Tegnikus” het lesers geleer van die eeue-oue geskiedenis van die ontdekking van elemente (“Dangers with the Elements”, MT 7-9/2014), wat ook in Antieke Griekeland begin het. Terug in die XNUMXde eeu vC is die hoofkomponent waaruit materie (element, element) gebou is, in verskeie stowwe gesoek: water (Thales), lug (Anaximenes), vuur (Heraclitus) of aarde (Xenophanes).

Empedokles het hulle almal versoen en verklaar dat materie nie uit een nie, maar uit vier elemente bestaan. Aristoteles (1ste eeu vC) het nog 'n ideale stof bygevoeg - eter, wat die hele heelal vul, en die moontlikheid van transformasie van elemente verklaar. Aan die ander kant is die Aarde, geleë in die middel van die heelal, deur die lug waargeneem, wat altyd onveranderd was. Danksy die gesag van Aristoteles is hierdie teorie van die struktuur van materie en die geheel vir meer as tweeduisend jaar as korrek beskou. Het, onder andere, die basis geword vir die ontwikkeling van alchemie, en dus van chemie self (XNUMX).

2. Borsbeeld van Demokritus van Abdera (460-370 vC)

'n Ander hipotese is egter ook parallel ontwikkel. Leucipus (XNUMXste eeu vC) het geglo dat materie saamgestel is uit baie klein deeltjies beweeg in 'n vakuum. Die sienings van die filosoof is ontwikkel deur sy student - Demokritus van Abdera (c. 460-370 vC) (2). Hy het die "blokke" waaruit materie bestaan, atome genoem (Grieks atomos = ondeelbaar). Hy het aangevoer dat hulle ondeelbaar en onveranderlik is, en dat hul getal in die heelal konstant is. Atome beweeg in 'n vakuum.

Wanneer atome hulle is verbind (deur 'n stelsel van hake en oë) - allerhande liggame word gevorm, en wanneer hulle van mekaar geskei word - word die liggame vernietig. Demokritus het geglo dat daar oneindig baie soorte atome is wat in vorm en grootte verskil. Die eienskappe van atome bepaal die eienskappe van 'n stof, soet heuning bestaan ​​byvoorbeeld uit gladde atome, en suur asyn bestaan ​​uit hoekiges; wit liggame vorm gladde atome, en swart liggame vorm atome met 'n growwe oppervlak.

Die manier waarop die materiaal saamgevoeg word, beïnvloed ook die eienskappe van materie: in vaste stowwe is atome styf langs mekaar geleë, en in sagte liggame is hulle losweg geleë. Die kern van die sienings van Demokritus is die stelling: "In werklikheid is daar net leegheid en atome, alles anders is 'n illusie."

In latere eeue is die sienings van Demokritus deur opeenvolgende filosowe ontwikkel, sommige verwysings word ook in die geskrifte van Plato gevind. Epicurus – een van die opvolgers – het dit selfs geglo atome hulle bestaan ​​uit selfs kleiner komponente ("elementêre deeltjies"). Die atomistiese teorie van die struktuur van materie het egter verlore geraak aan die elemente van Aristoteles. Die sleutel—toe reeds—is gevind in ervaring. Totdat daar gereedskap was om die bestaan ​​van atome te bevestig, is die transformasies van elemente maklik waargeneem.

Byvoorbeeld: wanneer water verhit is (koue en nat element), is lug verkry (warm en nat stoom), en grond het aan die onderkant van die houer gebly (koue en droë neerslag van stowwe wat in water opgelos is). Die ontbrekende eienskappe - warmte en droogte - is deur vuur verskaf, wat die vaartuig verhit het.

Invariansie en konstante aantal atome hulle het ook waarnemings weerspreek, aangesien daar tot die XNUMXde eeu gedink is dat mikrobes “uit niks” ontstaan ​​het. Die sienings van Demokritus het geen basis verskaf vir alchemiese eksperimente wat verband hou met die transformasie van metale nie. Dit was ook moeilik om die oneindige verskeidenheid soorte atome voor te stel en te bestudeer. Die elementêre teorie het baie eenvoudiger gelyk en het die omliggende wêreld meer oortuigend verduidelik.

3. Portret van Robert Boyle (1627–1691) deur J. Kerseboom.

Val en wedergeboorte

Vir eeue het atoomteorie apart van hoofstroomwetenskap gestaan. Sy het egter nie uiteindelik gesterf nie, haar idees het oorleef, en het Europese wetenskaplikes bereik in die vorm van Arabiese filosofiese vertalings van antieke geskrifte. Met die ontwikkeling van menslike kennis het die grondslae van Aristoteles se teorie begin verbrokkel. Die heliosentriese stelsel van Nicolaus Copernicus, die eerste waarnemings van supernovas (Tycho de Brache) wat van nêrens ontstaan ​​het nie, die ontdekking van die bewegingswette van die planete (Johannes Kepler) en die mane van Jupiter (Galileo) het beteken dat in die sestiende en sewentiende eeue, mense het opgehou om onder die lug te leef onveranderd vanaf die begin van die wêreld. Op aarde was ook die einde van die sienings van Aristoteles.

Die eeue-oue pogings van alchemiste het nie die verwagte resultate gebring nie – hulle het nie daarin geslaag om gewone metale in goud te verander nie. Meer en meer wetenskaplikes het die bestaan ​​van die elemente self bevraagteken en die teorie van Demokritus onthou.

4. Die eksperiment van 1654 met die Magdeburgse halfronde het die bestaan ​​van vakuum en atmosferiese druk bewys (16 perde kan nie naburige hemisfere breek waaruit lug uitgepomp is nie!)

Robert Boyle het in 1661 'n praktiese definisie gegee van 'n chemiese element as 'n stof wat nie deur chemiese ontleding in sy komponente afgebreek kan word nie (3). Hy het geglo dat materie uit klein, soliede en ondeelbare deeltjies bestaan ​​wat in vorm en grootte verskil. As hulle kombineer, vorm hulle molekules van chemiese verbindings waaruit materie bestaan.

Boyle het hierdie klein deeltjies korpuskels, of "liggaampies" ('n verkleinwoord van die Latynse woord corpus = liggaam) genoem. Boyle se sienings is ongetwyfeld beïnvloed deur die uitvinding van die vakuumpomp (Otto von Guericke, 1650) en die verbetering van suierpompe om lug saam te pers. Die bestaan ​​van 'n vakuum en die moontlikheid om die afstand (as gevolg van kompressie) tussen lugdeeltjies te verander, het getuig ten gunste van die teorie van Demokritus (4).

Die grootste wetenskaplike van die tyd, sir Isaac Newton, was ook 'n atoomwetenskaplike. (5). Op grond van die sienings van Boyle het hy 'n hipotese oor die samesmelting van die liggaam in groter formasies voorgehou. In plaas van die antieke stelsel van ogies en hake, was hulle vasmaak – hoe anders – deur swaartekrag.

5. Portret van sir Isaac Newton (1642-1727), deur G. Kneller.

So het Newton die interaksies in die hele Heelal verenig – een krag het beide die beweging van die planete en die struktuur van die kleinste komponente van materie beheer. Die wetenskaplike het geglo dat lig ook uit liggaamsdele bestaan.

Vandag weet ons dat hy “half reg” was – talle interaksies tussen bestraling en materie word verklaar deur die vloei van fotone.

Chemie kom ter sprake

Tot byna die einde van die XNUMXste eeu was atome die prerogatief van fisici. Dit was egter die chemiese revolusie wat deur Antoine Lavoisier geïnisieer is wat die idee van die korrelstruktuur van materie algemeen aanvaar het.

Die ontdekking van die komplekse struktuur van die antieke elemente – water en lug – het uiteindelik Aristoteles se teorie weerlê. Aan die einde van die XNUMXde eeu het die wet van behoud van massa en die geloof in die onmoontlikheid van die transformasie van elemente ook nie besware veroorsaak nie. Skale het standaardtoerusting in die chemiese laboratorium geword.

6. John Dalton (1766-1844)

Danksy die gebruik daarvan is opgemerk dat die elemente met mekaar kombineer en sekere chemiese verbindings in konstante massaverhoudings vorm (ongeag hul oorsprong - natuurlik of kunsmatig verkry - en die metode van sintese).

Hierdie waarneming het maklik verklaarbaar geword as ons aanneem dat materie bestaan ​​uit ondeelbare dele wat 'n enkele geheel vorm. atome. Die skepper van die moderne teorie van die atoom, John Dalton (1766-1844) (6), het hierdie pad gevolg. 'n Wetenskaplike in 1808 het gesê dat:

1. Atome is onvernietigbaar en onveranderlik (dit het natuurlik die moontlikheid van alchemiese transformasies uitgesluit).
2. Alle materie bestaan ​​uit ondeelbare atome.
3. Alle atome van 'n gegewe element is dieselfde, dit wil sê, hulle het dieselfde vorm, massa en eienskappe. Verskillende elemente bestaan ​​egter uit verskillende atome.
4. In chemiese reaksies verander slegs die manier om atome te verbind, waaruit molekules van chemiese verbindings gebou word - in sekere verhoudings (7).

Nog 'n ontdekking, ook gebaseer op die waarneming van die verloop van chemiese veranderinge, was die hipotese van die Italiaanse fisikus Amadeo Avogadro. Die wetenskaplike het tot die gevolgtrekking gekom dat gelyke volumes gasse onder dieselfde toestande (druk en temperatuur) dieselfde aantal molekules bevat. Hierdie ontdekking het dit moontlik gemaak om die formules van baie chemiese verbindings vas te stel en die massas te bepaal atome.

7. Atoomsimbole wat deur Dalton gebruik word (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoniese vastestowwe - simbole van atome van antieke "elemente" (Wikipedia, skrywer: Maxim Pe)

Hoeveel keer om te sny?

Die opkoms van die idee van die atoom is geassosieer met die vraag: "Is daar 'n einde aan die verdeling van materie?". Kom ons neem byvoorbeeld 'n appel met 'n deursnee van 10 cm en 'n mes en begin die vrugte sny. Eerstens, in die helfte, dan 'n halwe appel in nog twee dele (parallel aan die vorige snit), ens. Na 'n paar keer sal ons natuurlik klaarmaak, maar niks verhinder ons om die eksperiment in die verbeelding van een atoom voort te sit nie? 'n Duisend, 'n miljoen, miskien meer?

Nadat ons 'n gesnyde appel geëet het (lekker!), Kom ons begin met die berekeninge (diegene wat die konsep van 'n meetkundige progressie ken, sal minder probleme hê). Die eerste verdeling sal vir ons 'n helfte van die vrugte gee met 'n dikte van 5 cm, die volgende sny sal ons 'n sny met 'n dikte van 2,5 cm gee, ens ... 10 geklopte! Daarom is die "pad" na die wêreld van atome nie lank nie.

*) Gebruik 'n mes met 'n oneindig dun lem. Trouens, so 'n voorwerp bestaan ​​nie, maar aangesien Albert Einstein in sy navorsing treine oorweeg het wat teen die spoed van lig beweeg, word ons ook toegelaat - vir die doeleindes van 'n gedagte-eksperiment - om bogenoemde aanname te maak.

Platoniese atome

Plato, een van die grootste geeste van die oudheid, het die atome waaruit die elemente saamgestel sou word in die Timachos-dialoog beskryf. Hierdie formasies het die vorm van gereelde veelvlakke (Platoniese vastestowwe) gehad. Dus, die tetraëder was 'n atoom van vuur (as die kleinste en mees vlugtige), die oktaëder was 'n atoom van lug, en die ikosaëder was 'n atoom van water (alle vaste stowwe het wande van gelyksydige driehoeke). 'n Kubus van vierkante is 'n atoom van die aarde, en 'n dodekaëder van vyfhoeke is 'n atoom van 'n ideale element - die hemelse eter (8).