Cu un atom de-a lungul veacurilor - partea 1

Ultimul secol este adesea denumit „vârsta atomului”. În acel moment nu prea îndepărtat, existența „cărămizilor” care alcătuiesc lumea din jurul nostru a fost în sfârșit dovedită, iar forțele adormite în ele au fost eliberate. Ideea atomului în sine are însă o istorie foarte lungă, iar povestea istoriei cunoașterii structurii materiei nu poate fi începută altfel decât cu cuvinte care se referă la antichitate.

1. Un fragment din fresca lui Rafael „Școala din Atena”, înfățișând pe Platon (în dreapta, filozoful are trăsăturile lui Leonardo da Vinci) și Aristotel

"Deja bătrân..."

… filozofii au ajuns la concluzia că toată natura constă din particule imperceptibil de mici. Desigur, la acel moment (și pentru mult timp după aceea) oamenii de știință nu au avut ocazia să-și testeze presupunerile. Au fost doar o încercare de a explica observațiile naturii și de a răspunde la întrebarea: „Poate materia să se descompună la infinit sau există un sfârșit al fisiunii?«

Răspunsurile au fost date în diferite cercuri culturale (în primul rând în India antică), dar dezvoltarea științei a fost influențată de studiile filozofilor greci. În numerele de sărbători de anul trecut ale „Tânăr tehnician”, cititorii au aflat despre istoria veche de secole a descoperirii elementelor („Pericolele cu elementele”, MT 7-9/2014), care a început și în Grecia Antică. În secolul al VII-lea î.Hr., componenta principală din care se construiește materia (element, element) era căutată în diverse substanțe: apă (Thales), aer (Anaximenes), foc (Heraclit) sau pământ (Xenophanes).

Empedocle le-a împăcat pe toate, declarând că materia nu constă din unul, ci din patru elemente. Aristotel (secolul I î.Hr.) a adăugat o altă substanță ideală - eterul, care umple întregul univers și a declarat posibilitatea transformării elementelor. Pe de altă parte, Pământul, situat în centrul universului, a fost observat de cer, care a rămas mereu neschimbat. Datorită autorității lui Aristotel, această teorie a structurii materiei și a întregului a fost considerată corectă timp de mai bine de două mii de ani. A devenit, printre altele, baza dezvoltării alchimiei și, prin urmare, a chimiei în sine (1).

2. Bustul lui Democrit din Abdera (460-370 î.Hr.)

Totuși, în paralel a fost dezvoltată și o altă ipoteză. Leucip (secolul al XNUMX-lea î.Hr.) credea că materia este compusă din particule foarte mici deplasându-se în vid. Părerile filozofului au fost dezvoltate de studentul său - Democrit de Abdera (c. 460-370 î.Hr.) (2). El a numit „blocurile” care alcătuiesc atomii de materie (greacă atomos = indivizibil). El a susținut că sunt indivizibili și neschimbați și că numărul lor în univers este constant. Atomii se mișcă în vid.

Când atomi sunt conectate (prin un sistem de cârlige și ochi) - se formează tot felul de corpuri, iar atunci când sunt separate unul de celălalt - corpurile sunt distruse. Democrit credea că există infinit de tipuri de atomi, care diferă ca formă și dimensiune. Caracteristicile atomilor determină proprietățile unei substanțe, de exemplu, mierea dulce este alcătuită din atomi netezi, iar oțetul acrișor este alcătuit din atomi unghiulari; corpurile albe formează atomi netezi, iar corpurile negre formează atomi cu o suprafață aspră.

Modul în care materialul este îmbinat afectează, de asemenea, proprietățile materiei: în solide, atomii sunt strâns adiacenți unul cu celălalt, iar în corpurile moi sunt localizați liber. Chintesența opiniilor lui Democrit este afirmația: „De fapt, există doar gol și atomi, totul în rest este o iluzie”.

În secolele ulterioare, opiniile lui Democrit au fost dezvoltate de filozofi succesivi, unele referințe se găsesc și în scrierile lui Platon. Epicur – unul dintre succesori – chiar credea asta atomi ele constau din componente și mai mici („particule elementare”). Cu toate acestea, teoria atomistă a structurii materiei s-a pierdut în fața elementelor lui Aristotel. Cheia – deja atunci – a fost găsită în experiență. Până nu existau instrumente care să confirme existența atomilor, transformările elementelor erau ușor de observat.

De exemplu: la încălzirea apei (element rece și umed), se obținea aer (abur fierbinte și umed), iar la fundul vasului rămânea pământ (precipitarea rece și uscată a substanțelor dizolvate în apă). Proprietățile lipsă - căldura și uscăciunea - au fost asigurate de foc, care a încălzit vasul.

Invarianță și constantă numarul de atomi au contrazis și observațiile, întrucât se credea că microbii apar „din nimic” până în secolul al XIX-lea. Părerile lui Democrit nu au oferit nicio bază pentru experimentele alchimice legate de transformarea metalelor. De asemenea, era dificil să ne imaginăm și să studiezi varietatea infinită de tipuri de atomi. Teoria elementară părea mult mai simplă și explica mai convingător lumea înconjurătoare.

3. Portretul lui Robert Boyle (1627–1691) de J. Kerseboom.

Căderea și renașterea

Timp de secole, teoria atomică s-a separat de știința curentă. Cu toate acestea, ea nu a murit în cele din urmă, ideile ei au supraviețuit, ajungând la oamenii de știință europeni sub formă de traduceri filozofice arabe ale scrierilor antice. Odată cu dezvoltarea cunoștințelor umane, fundamentele teoriei lui Aristotel au început să se prăbușească. Sistemul heliocentric al lui Nicolaus Copernic, primele observații ale supernovelor (Tycho de Brache) apărute de nicăieri, descoperirea legilor mișcării planetelor (Johannes Kepler) și a lunilor lui Jupiter (Galileo) au făcut ca în secolul al XVI-lea și al XVII-lea. de secole, oamenii au încetat să trăiască sub cer neschimbat de la începutul lumii. Și pe pământ a fost sfârșitul concepțiilor lui Aristotel.

Încercările de secole ale alchimiștilor nu au adus rezultatele așteptate - nu au reușit să transforme metalele obișnuite în aur. Tot mai mulți oameni de știință au pus la îndoială existența elementelor în sine și și-au amintit teoria lui Democrit.

4. Experimentul din 1654 cu emisferele Magdeburg a dovedit existența vidului și a presiunii atmosferice (16 cai nu pot sparge emisferele vecine din care a fost pompat aer!)

Robert Boyle în 1661 a dat o definiție practică a unui element chimic ca substanță care nu poate fi descompusă în componentele sale prin analiză chimică (3). El credea că materia constă din particule mici, solide și indivizibile, care diferă ca formă și dimensiune. Combinându-se, ele formează molecule de compuși chimici care alcătuiesc materia.

Boyle a numit aceste particule minuscule corpusculi sau „corpusculi” (un diminutiv al cuvântului latin corpus = corp). Părerile lui Boyle au fost, fără îndoială, influențate de invenția pompei de vid (Otto von Guericke, 1650) și de îmbunătățirea pompelor cu piston pentru comprimarea aerului. Existența unui vid și posibilitatea modificării distanței (ca urmare a compresiei) dintre particulele de aer au mărturisit în favoarea teoriei lui Democrit (4).

Cel mai mare om de știință al vremii, Sir Isaac Newton, a fost și un om de știință atomic. (5). Pe baza opiniilor lui Boyle, el a prezentat o ipoteză despre fuziunea corpului în formațiuni mai mari. În locul vechiului sistem de ochiuri și cârlige, legarea lor a fost - cum altfel - prin gravitație.

5. Portretul lui Sir Isaac Newton (1642-1727), de G. Kneller.

Astfel, Newton a unit interacțiunile din întregul Univers - o singură forță controla atât mișcarea planetelor, cât și structura celor mai mici componente ale materiei. Omul de știință credea că lumina constă și din corpusculi.

Astăzi știm că a avut „pe jumătate dreptate” – numeroase interacțiuni dintre radiații și materie sunt explicate prin fluxul de fotoni.

Intră în joc chimia

Până aproape de sfârșitul secolului al XNUMX-lea, atomii au fost apanajul fizicienilor. Cu toate acestea, revoluția chimică inițiată de Antoine Lavoisier a făcut ca ideea structurii granulare a materiei să fie general acceptată.

Descoperirea structurii complexe a elementelor antice – apă și aer – a infirmat în cele din urmă teoria lui Aristotel. La sfârșitul secolului al XVIII-lea, nici legea conservării masei și credința în imposibilitatea transformării elementelor nu au provocat obiecții. Cântarele au devenit echipamente standard în laboratorul de chimie.

6. John Dalton (1766-1844)

Datorită utilizării sale, s-a observat că elementele se combină între ele, formând anumiți compuși chimici în proporții constante de masă (indiferent de originea lor - naturală sau obținută artificial - și de metoda de sinteză).

Această observație a devenit ușor explicabilă dacă presupunem că materia constă din părți indivizibile care alcătuiesc un singur întreg. atomi. Creatorul teoriei moderne a atomului, John Dalton (1766-1844) (6), a urmat această cale. Un om de știință în 1808 a declarat că:

1. Atomii sunt indestructibili și imutabili (acest lucru, desigur, a exclus posibilitatea transformărilor alchimice).
2. Toată materia este formată din atomi indivizibili.
3. Toți atomii unui element dat sunt la fel, adică au aceeași formă, masă și proprietăți. Cu toate acestea, elemente diferite sunt formate din atomi diferiți.
4. În reacțiile chimice se modifică doar modul de unire a atomilor, din care se construiesc molecule de compuși chimici - în anumite proporții (7).

O altă descoperire, bazată tot pe observarea cursului modificărilor chimice, a fost ipoteza fizicianului italian Amadeo Avogadro. Omul de știință a ajuns la concluzia că volume egale de gaze în aceleași condiții (presiune și temperatură) conțin același număr de molecule. Această descoperire a făcut posibilă stabilirea formulelor multor compuși chimici și determinarea maselor atomi.

7. Simboluri atomice folosite de Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Solidele platonice - simboluri ale atomilor „elementelor” antice (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

De cate ori sa tai?

Apariția ideii de atom a fost asociată cu întrebarea: „Există un sfârșit al diviziunii materiei?”. De exemplu, să luăm un măr cu diametrul de 10 cm și un cuțit și să începem să feliem fructele. Mai întâi, în jumătate, apoi jumătate de măr în încă două părți (paralel cu tăietura anterioară), etc. După câteva ori, desigur, vom termina, dar nimic nu ne împiedică să continuăm experimentul în imaginația unui atom? O mie, un milion, poate mai mult?

După ce am mâncat un măr feliat (delicios!), Să începem calculele (cei care cunosc conceptul de progresie geometrică vor avea mai puține probleme). Prima împărțire ne va da jumătate din fruct cu grosimea de 5 cm, următoarea tăietură ne va oferi o felie cu grosimea de 2,5 cm etc... 10 bătuți! Prin urmare, „calea” către lumea atomilor nu este lungă.

*) Folosiți un cuțit cu o lamă infinit de subțire. De fapt, un astfel de obiect nu există, dar întrucât Albert Einstein în cercetările sale a considerat trenurile care se mișcă cu viteza luminii, ni se permite – în scopul unui experiment de gândire – să facem și presupunerea de mai sus.

Atomi platonici

Platon, una dintre cele mai mari minți ale antichității, a descris atomii din care urmau să fie compuse elementele în dialogul Timachos. Aceste formațiuni aveau forma unor poliedre regulate (solide platonice). Deci, tetraedrul era un atom de foc (ca cel mai mic și mai volatil), octaedrul era un atom de aer, iar icosaedrul era un atom de apă (toate solidele au pereți de triunghiuri echilaterale). Un cub de pătrate este un atom al pământului, iar un dodecaedru de pentagoane este un atom al unui element ideal - eterul ceresc (8).