Med et atom gennem tiderne - del 1

Det sidste århundrede kaldes ofte "atomets alder". På det ikke alt for fjerne tidspunkt blev eksistensen af ​​de "klodser", der udgør verden omkring os, endelig bevist, og de kræfter, der sov i dem, blev frigivet. Selve ideen om atomet har dog en meget lang historie, og historien om historien om viden om stoffets struktur kan ikke begynde undtagen med ord, der refererer til antikken.

1. Fragment af Rafaels freskomaleri "The School of Athens", der forestiller Platon (til højre har filosoffen træk af Leonardo da Vinci) og Aristoteles

"Allerede gammel..."

…filosoffer er kommet til den konklusion, at hele naturen består af umærkeligt små partikler. Naturligvis havde videnskabsmænd på det tidspunkt (og i lang tid efter det) ingen mulighed for at teste deres antagelser. De var kun et forsøg på at forklare observationer af naturen og besvare spørgsmålet: "Kan stof henfalde i det uendelige, eller er der en ende på fission?«

Der blev givet svar i forskellige kulturelle kredse (primært i det gamle Indien), men videnskabens udvikling var påvirket af græske filosoffers forskning. I sidste års ferieudgaver af Young Technician lærte læserne om den århundreder gamle historie om opdagelsen af ​​elementer ("Dangers with the Elements," MT 7-9/2014), som også begyndte i det antikke Grækenland. Selv i det XNUMX. århundrede f.Kr. søgte man hovedkomponenten, som stoffet er bygget af (grundstof, grundstof), i forskellige stoffer: vand (Thales), luft (Anaximenes), ild (Heraclitus) eller jord (Xenophanes).

Empedokles forsonede dem alle ved at erklære, at materie ikke består af ét, men af ​​fire elementer. Aristoteles (1. århundrede f.Kr.) tilføjede et andet ideelt stof - æter, som fylder hele universet, og erklærede muligheden for omdannelse af elementer. På den anden side blev Jorden, der ligger i universets centrum, overvåget af himlen, som altid var uændret. Takket være Aristoteles' autoritet blev denne teori om stoffets struktur og helheden anset for gyldig i mere end to tusinde år. Det blev blandt andet grundlaget for udviklingen af ​​alkymi, og derfor af selve kemien (XNUMX).

2. Buste af Demokrit af Abdera (460-370 f.Kr.)

En anden hypotese udviklede sig dog sideløbende. Leucippus (XNUMXth århundrede f.Kr.) mente, at stof er sammensat af meget små partikler bevæger sig i et vakuum. Filosoffens synspunkter blev udviklet af hans elev - Demokrit fra Abdera (ca. 460-370 f.Kr.) (2). Han kaldte "blokkene", der udgør stof atomer (græsk atomos = udelelige). Han argumenterede for, at de er udelelige og uforanderlige, og at deres antal i universet er konstant. Atomer bevæger sig i et vakuum.

Hvornår atomer de er forbundet (ved et system af kroge og øjne) - alle slags legemer dannes, og når de er adskilt fra hinanden - ødelægges kroppene. Demokrit troede, at der er uendeligt mange typer atomer, der adskiller sig i form og størrelse. Atomernes egenskaber bestemmer et stofs egenskaber, for eksempel består sød honning af glatte atomer, og sur eddike består af kantede; hvide legemer danner glatte atomer, og sorte legemer danner atomer med en ru overflade.

Måden materialet hænger sammen på, påvirker også stoffets egenskaber: I faste kroppe passer atomer tæt sammen, mens de i bløde kroppe er løst placeret. Kvintessensen af ​​Democritus' synspunkter er udsagnet: "Faktisk er der kun tomhed og atomer, alt andet er en illusion."

I senere århundreder blev Demokrits synspunkter udviklet af på hinanden følgende filosoffer, og nogle referencer findes også i Platons værker. Epikur, en af ​​efterfølgerne, troede endda på det atomer de består af endnu mindre komponenter ("elementarpartikler"). Imidlertid tabte atomteorien om stoffets struktur til Aristoteles' grundstoffer. Nøglen – selv dengang – viste sig at være erfaring. Indtil der var instrumenter til at bekræfte eksistensen af ​​atomer, var transformationerne af grundstoffer let observerede.

For eksempel: når vand blev opvarmet (et koldt og vådt element), blev der opnået luft (varm og våd damp), og jord forblev i bunden af ​​beholderen (kolde og tørre sedimenter af stoffer opløst i vand). De manglende egenskaber - varme og tørhed - blev leveret af ilden, som fartøjet blev opvarmet med.

Invarians og konstant antal atomer de modsagde også observationer, da man indtil det XNUMX. århundrede troede, at mikrober opstod "ud af ingenting." Demokrits synspunkter gav ikke noget grundlag for alkymistiske eksperimenter relateret til omdannelse af metaller. Det var også svært at forestille sig og studere det uendelige antal af typer atomer. Den elementære teori virkede meget enklere og forklarede verden omkring os mere overbevisende.

3. Portræt af Robert Boyle (1627–1691) af J. Kerseboom.

Efterår og genfødsel

I århundreder stod atomteorien adskilt fra den almindelige videnskab. Hun døde dog ikke helt; hendes ideer overlevede og nåede europæiske videnskabsmænd i form af arabiske filosofiske oversættelser af antikke værker. Med udviklingen af ​​menneskelig viden begyndte grundlaget for Aristoteles' teori at smuldre. Det heliocentriske system af Nicolaus Copernicus, de første observationer af supernovaer (Tycho de Bras), der dukkede op ud af ingenting, opdagelsen af ​​lovene for planetarisk bevægelse (Johannes Kepler) og Jupiters måner (Galileo) betød, at i det sekstende og syttende århundrede mennesker holdt op med at leve under himlen uændret fra verdens begyndelse. Også på jorden var der en ende på Aristoteles' synspunkter.

Alkymisternes århundreder gamle forsøg gav ikke de forventede resultater - de formåede ikke at omdanne almindelige metaller til guld. Flere og flere videnskabsmænd satte spørgsmålstegn ved eksistensen af ​​​​elementerne selv og huskede teorien om Demokrit.

4. Eksperimentet i 1654 med Magdeburg-halvkuglerne beviste eksistensen af ​​vakuum og atmosfærisk tryk (16 heste kan ikke rive de tilstødende halvkugler fra hinanden, hvorfra luften blev pumpet ud!)

Robert Boyle gav i 1661 en praktisk definition af et kemisk grundstof som et stof, der ikke kan opløses i dets komponenter ved kemisk analyse (3). Han mente, at stof består af små, hårde og udelelige partikler, der varierer i form og størrelse. Ved at kombinere danner de molekylerne af kemiske forbindelser, der udgør stoffet.

Boyle kaldte disse bittesmå partikler for corpuscles eller "corpuscles" (en diminutiv af det latinske ord corpus = krop). Boyles synspunkter var uden tvivl påvirket af opfindelsen af ​​vakuumpumpen (Otto von Guericke, 1650) og forbedringen af ​​stempelpumper til luftkompression. Eksistensen af ​​et vakuum og muligheden for at ændre afstanden (som følge af kompression) mellem luftpartikler vidnede til fordel for Demokrits teori (4).

Tidens største videnskabsmand, Sir Isaac Newton, var også en atomforsker. (5). Baseret på Boyles synspunkter fremsatte han en hypotese om kroppens sammensmeltning til større formationer. I stedet for det ældgamle system af øjer og kroge, var deres binding - hvordan ellers - ved tyngdekraften.

5. Portræt af Sir Isaac Newton (1642-1727), værk af G. Kneller.

Således forenede Newton vekselvirkningerne i hele universet – én kraft kontrollerede både planeternes bevægelse og strukturen af ​​de mindste bestanddele af stof. Videnskabsmanden mente, at lys også består af blodlegemer.

I dag ved vi, at han havde "halvt ret" - adskillige interaktioner mellem stråling og stof forklares af strømmen af ​​fotoner.

Kemi spiller ind

Næsten indtil slutningen af ​​det XNUMX. århundrede var atomer fysikernes prærogativ. Det var imidlertid den kemiske revolution, startet af Antoine Lavoisier, der gjorde begrebet stoffets granulære struktur almindeligt accepteret.

Opdagelsen af ​​den komplekse struktur af de gamle elementer - vand og luft - modbeviste endelig Aristoteles' teori. I slutningen af ​​det XNUMX. århundrede rejste loven om bevarelse af massen og troen på umuligheden af ​​omdannelsen af ​​elementer heller ikke indvendinger. Vægte er blevet standardudstyr i kemilaboratoriet.

6. John Dalton (1766-1844)

Takket være dets brug blev det bemærket, at elementerne kombineres med hinanden og danner visse kemiske forbindelser i konstante masseforhold (uanset deres oprindelse - naturligt eller kunstigt opnået - og syntesemetoden).

Denne observation kan let forklares, hvis vi antager, at stof består af udelelige dele, der udgør en enkelt helhed. atomer. Denne vej blev fulgt af skaberen af ​​moderne atomteori, John Dalton (1766-1844) (6). Videnskabsmanden udtalte i 1808, at:

1. Atomer er uforgængelige og uforanderlige (dette udelukkede selvfølgelig muligheden for alkymistiske transformationer).
2. Alt stof består af udelelige atomer.
3. Alle atomer i et givet grundstof er ens, det vil sige, at de har samme form, masse og egenskaber. Forskellige grundstoffer er dog opbygget af forskellige atomer.
4. I kemiske reaktioner ændres kun måden at forbinde atomer på, hvorfra molekyler af kemiske forbindelser bygges - i visse proportioner (7).

En anden opdagelse, også baseret på observation af udviklingen af ​​kemiske ændringer, var hypotesen fra den italienske fysiker Amadeo Avogadro. Forskeren kom til den konklusion, at lige store mængder gasser under de samme betingelser (tryk og temperatur) indeholder det samme antal molekyler. Denne opdagelse gjorde det muligt at etablere formlerne for mange kemiske forbindelser og bestemme masserne atomer.

7. Atomsymboler brugt af Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoniske faste stoffer - symboler på atomer af gamle "elementer" (Wikipedia, forfatter: Maxim Pe)

Hvor mange gange skal man skære?

Fremkomsten af ​​ideen om atomet var forbundet med spørgsmålet: "Er der en ende på opdelingen af ​​stof?" Tag for eksempel et æble med en diameter på 10 cm og en kniv og begynd at skære frugten. Først i det halve, så et halvt æble i to dele mere (parallelt med det forrige snit) osv. Efter et par gange afslutter vi selvfølgelig, men intet forhindrer os i at fortsætte eksperimentet i fantasien om et atom ? Tusind, en million eller måske mere?

Efter at have spist et skåret æble (lækkert!), lad os begynde at lave beregningerne (dem, der kender begrebet geometrisk progression, vil have mindre problemer). Den første deling vil give os en halvdel af frugten 5 cm tyk, den næste snit vil give os en skive 2,5 cm tyk osv.... 10 knækket! Derfor er "vejen" til atomernes verden ikke lang.

*) Vi bruger en kniv med et uendeligt tyndt blad. Faktisk eksisterer et sådant objekt ikke, men da Albert Einsteins forskning involverede tog, der bevægede sig med lysets hastighed, har vi også lov til, med henblik på et tankeeksperiment, at lave ovenstående antagelse.

Platoniske atomer

Platon, en af ​​antikkens største hjerner, beskrev de atomer, som grundstofferne skulle være sammensat af i sin dialog Timachos. Disse formationer havde form af regulære polyedre (platoniske faste stoffer). Så tetraederet var et ildatom (som det mindste og mest flygtige), oktaederet var et luftatom, og icosaederet var et vandatom (alle faste stoffer har vægge af ligesidede trekanter). En terning af kvadrater er et jordens atom, og et dodekaeder af femkanter er et atom af et ideelt grundstof - den himmelske æter (8).