Su atomu per amžius – 1 dalis
Praėjęs amžius dažnai vadinamas „atomo amžiumi“. Tuo ne per tolimu laiku pagaliau buvo įrodytas mus supantį pasaulį sudarančių „plytų“ egzistavimas ir jose snaudžiančios jėgos išlaisvintos. Tačiau pati atomo idėja turi labai ilgą istoriją, o materijos sandaros pažinimo istorijos istorija negali būti pradėta kitaip, kaip žodžiais nurodant senovę.
1. Rafaelio freskos „Atėnų mokykla“ fragmentas, vaizduojantis Platoną (dešinėje filosofas turi Leonardo da Vinčio bruožų) ir Aristotelį.
"Jau senas..."
...filosofai priėjo prie išvados, kad visa gamta susideda iš nepastebimai mažų dalelių. Žinoma, tuo metu (ir dar ilgai po to) mokslininkai neturėjo galimybės patikrinti savo prielaidų. Jie buvo tik bandymas paaiškinti gamtos stebėjimus ir atsakyti į klausimą:Ar materija gali irti neribotą laiką, ar yra dalijimosi pabaiga?«
Atsakymai buvo pateikti įvairiuose kultūriniuose sluoksniuose (pirmiausia senovės Indijoje), tačiau mokslo raidai įtakos turėjo graikų filosofų studijos. Praėjusių metų šventiniuose „Jaunojo techniko“ numeriuose skaitytojai sužinojo apie šimtametę elementų atradimo istoriją („Dangers with the Elements“, MT 7-9/2014), kuri taip pat prasidėjo Senovės Graikijoje. Dar VII amžiuje prieš Kristų pagrindinio komponento, iš kurio statoma materija (stichija, stichija), buvo ieškoma įvairiose medžiagose: vandenyje (Thales), ore (Anaksimenas), ugnyje (Herakleitas) ar žemėje (Ksenofanas).
Empedoklis juos visus sutaikino, pareikšdamas, kad materija susideda ne iš vieno, o iš keturių elementų. Aristotelis (I a. pr. Kr.) pridėjo dar vieną idealią substanciją – eterį, kuris užpildo visą visatą, ir paskelbė elementų virsmo galimybę. Kita vertus, Žemę, esančią visatos centre, stebėjo dangus, kuris visada buvo nepakitęs. Aristotelio autoriteto dėka ši materijos sandaros ir visumos teorija buvo laikoma teisinga daugiau nei du tūkstančius metų. Be kita ko, tapo alchemijos, taigi ir pačios chemijos, vystymosi pagrindu (1).
2. Demokrito Abderos biustas (460-370 m. pr. Kr.)
Tačiau lygiagrečiai buvo sukurta ir kita hipotezė. Leukipas (XNUMX a. pr. Kr.) tikėjo, kad materiją sudaro labai mažos dalelės juda vakuume. Filosofo pažiūras plėtojo jo mokinys – Demokritas Abderietis (apie 460–370 m. pr. Kr.) (2). Jis pavadino „blokus“, sudarančius materijos atomus (gr. atomos = nedalomas). Jis teigė, kad jie yra nedalomi ir nekintantys, o jų skaičius visatoje yra pastovus. Atomai juda vakuume.
Kai atomai jie sujungiami (kabliukų ir akių sistema) - susidaro visokie kūnai, o atsiskyrus vienas nuo kito - kūnai sunaikinami. Demokritas tikėjo, kad yra be galo daug atomų tipų, kurie skiriasi forma ir dydžiu. Atomų charakteristikos lemia medžiagos savybes, pavyzdžiui, saldus medus susideda iš lygių atomų, o rūgštus actas – iš kampuotų; balti kūnai sudaro lygius atomus, o juodi - grublėtu paviršiumi.
Medžiagos sujungimo būdas taip pat turi įtakos medžiagos savybėms: kietose medžiagose atomai yra glaudžiai greta vienas kito, o minkštuose kūnuose – laisvai. Demokrito pažiūrų kvintesencija yra teiginys: „Iš tikrųjų yra tik tuštuma ir atomai, visa kita – iliuzija“.
Vėlesniais amžiais Demokrito pažiūras plėtojo vienas po kito einantys filosofai, kai kurių nuorodų randama ir Platono raštuose. Epikūras – vienas iš įpėdinių – net tuo tikėjo atomai jie susideda iš dar smulkesnių komponentų („elementariųjų dalelių“). Tačiau atomistinė materijos sandaros teorija pralaimėjo Aristotelio elementams. Raktas – jau tada – buvo rastas patirtyje. Kol nebuvo įrankių, patvirtinančių atomų egzistavimą, elementų virsmai buvo lengvai stebimi.
Pvz.: kaitinant vandenį (šaltas ir šlapias elementas), buvo gaunamas oras (karšti ir šlapi garai), o indo dugne liko dirvožemis (šaltas ir sausas vandenyje ištirpusių medžiagų nusodinimas). Trūkstamų savybių – šilumos ir sausumo – suteikė ugnis, kuri įkaitindavo indą.
Nekintamumas ir pastovumas atomų skaičius jie taip pat prieštaravo stebėjimams, nes buvo manoma, kad mikrobai atsirado „iš nieko“ iki XIX a. Demokrito pažiūros nesuteikė jokio pagrindo alcheminiams eksperimentams, susijusiems su metalų virsmu. Taip pat buvo sunku įsivaizduoti ir ištirti begalinę atomų rūšių įvairovę. Elementarioji teorija atrodė daug paprastesnė ir įtikinamiau paaiškino supantį pasaulį.
3. J. Kerseboomo Roberto Boyle'o (1627–1691) portretas.
Ruduo ir atgimimas
Šimtmečius atominė teorija skyrėsi nuo pagrindinio mokslo. Tačiau ji galutinai nemirė, jos idėjos išliko, pasiekusios Europos mokslininkus arabiškų filosofinių senovės raštų vertimų pavidalu. Tobulėjant žmogaus žinioms, Aristotelio teorijos pagrindai pradėjo byrėti. Mikalojaus Koperniko heliocentrinė sistema, pirmieji iš niekur atsiradusių supernovų (Tycho de Brache) stebėjimai, planetų (Johannes Kepler) ir Jupiterio (Galileo) judėjimo dėsnių atradimas lėmė, kad XVI–XVII a. šimtmečius žmonės nustojo gyventi po dangumi nepakitę nuo pasaulio pradžios. Žemėje taip pat buvo Aristotelio pažiūrų pabaiga.
Šimtmečių senumo alchemikų bandymai lauktų rezultatų nedavė – įprastų metalų nepavyko paversti auksu. Vis daugiau mokslininkų suabejojo pačių elementų egzistavimu ir prisiminė Demokrito teoriją.
4. 1654 m. eksperimentas su Magdeburgo pusrutuliais įrodė vakuumo ir atmosferos slėgio egzistavimą (16 arklių negali sulaužyti gretimų pusrutulių, iš kurių buvo išpumpuojamas oras!)
Robertas Boyle'as 1661 m. praktiškai apibrėžė cheminį elementą kaip medžiagą, kurios cheminės analizės metu negalima suskaidyti į komponentus (3). Jis tikėjo, kad materiją sudaro mažos, kietos ir nedalomos dalelės, kurios skiriasi forma ir dydžiu. Susijungę jie sudaro cheminių junginių molekules, kurios sudaro medžiagą.
Boyle'as šias mažas daleles pavadino kūneliais arba „kūneliais“ (lotyniško žodžio corpus = kūnas mažybinis dėmuo). Boyle'o nuomonei neabejotinai įtakos turėjo vakuuminio siurblio išradimas (Otto von Guericke, 1650) ir stūmoklinių siurblių, skirtų orui suspausti, tobulinimas. Vakuumo buvimas ir galimybė keisti atstumą (dėl suspaudimo) tarp oro dalelių liudijo Demokrito teorijos (4) naudai.
Didžiausias to meto mokslininkas seras Izaokas Niutonas taip pat buvo atomologas. (5). Remdamasis Boyle'o nuomone, jis iškėlė hipotezę apie kūno susiliejimą į didesnius darinius. Vietoj senovinės kilpų ir kabliukų sistemos jų rišimas buvo – kaip kitaip – gravitacijos būdu.
5. Sero Izaoko Niutono (1642-1727) portretas, G. Kneller.
Taigi Niutonas sujungė sąveikas visoje Visatoje – viena jėga valdė ir planetų judėjimą, ir smulkiausių materijos komponentų sandarą. Mokslininkas manė, kad šviesa taip pat susideda iš kūnelių.
Šiandien žinome, kad jis buvo „pusiau teisus“ – daugybė spinduliuotės ir materijos sąveikų paaiškinamos fotonų srautu.
Įsijungia chemija
Beveik iki XNUMX amžiaus pabaigos atomai buvo fizikų prerogatyva. Tačiau būtent Antoine'o Lavoisier inicijuota cheminė revoliucija padarė idėją apie granuliuotą materijos struktūrą visuotinai priimta.
Sudėtingos senovės elementų – vandens ir oro – struktūros atradimas galutinai paneigė Aristotelio teoriją. XVIII amžiaus pabaigoje prieštaravimų nesukėlė ir masės tvermės dėsnis bei tikėjimas elementų virsmo neįmanomumu. Svarstyklės tapo standartine chemijos laboratorijos įranga.
6. Johnas Daltonas (1766–1844)
Jo panaudojimo dėka buvo pastebėta, kad elementai jungiasi tarpusavyje, sudarydami tam tikrus cheminius junginius pastoviomis masės proporcijomis (nepriklausomai nuo jų kilmės – natūralios ar dirbtinai gautos – ir sintezės būdo).
Šis pastebėjimas tapo lengvai paaiškinamas, jei darome prielaidą, kad materiją sudaro nedalomos dalys, kurios sudaro vieną visumą. atomai. Šiuo keliu pasuko šiuolaikinės atomo teorijos kūrėjas Johnas Daltonas (1766–1844) (6). Mokslininkas 1808 m. pareiškė, kad:
- Atomai yra nesunaikinami ir nekintami (tai, žinoma, atmetė alcheminių virsmų galimybę).
- Visa materija sudaryta iš nedalomų atomų.
- Visi tam tikro elemento atomai yra vienodi, tai yra, jie turi tą pačią formą, masę ir savybes. Tačiau skirtingi elementai yra sudaryti iš skirtingų atomų.
- Cheminėse reakcijose keičiasi tik atomų jungimosi būdas, iš kurio statomos cheminių junginių molekulės – tam tikromis proporcijomis (7).
Kitas atradimas, taip pat pagrįstas cheminių pokyčių eigos stebėjimu, buvo italų fiziko Amadeo Avogadro hipotezė. Mokslininkas priėjo prie išvados, kad vienoduose dujų tūriuose tomis pačiomis sąlygomis (slėgis ir temperatūra) yra tiek pat molekulių. Šis atradimas leido nustatyti daugelio cheminių junginių formules ir nustatyti mases atomai.
7. Daltono naudojami atominiai simboliai (New System of Chemical Philosophy, 1808 m.)
8. Platoniškos kietosios medžiagos – senovinių „elementų“ atomų simboliai (Wikipedia, autorius Maxim Pe)
Kiek kartų kirpti?
Atomo idėjos atsiradimas buvo susijęs su klausimu: "Ar materijos dalijimasis baigiasi?". Pavyzdžiui, paimkime 10 cm skersmens obuolį su peiliu ir pradėkime pjaustyti vaisius. Pirma, per pusę, po to pusę obuolio į dar dvi dalis (lygiagrečiai ankstesniam pjūviui) ir tt Po kelių kartų, žinoma, baigsime, bet niekas netrukdo tęsti eksperimento vieno atomo vaizduotėje? Tūkstantis, milijonas, gal daugiau?
Suvalgę pjaustytą obuolį (skanaus!), pradėkime skaičiavimus (žinantiems geometrinės progresijos sąvoką bus mažiau vargo). Pirmą kartą padalijus duosime pusę 5 cm storio vaisiaus, kitą kartą – 2,5 cm storio griežinėlį ir tt ... 10 sumuštų! Todėl „kelias“ į atomų pasaulį nėra ilgas.
*) Naudokite peilį be galo plonais ašmenimis. Tiesą sakant, tokio objekto nėra, tačiau kadangi Albertas Einšteinas savo tyrime laikė traukinius, judančius šviesos greičiu, minties eksperimento tikslais mums taip pat leidžiama daryti pirmiau minėtą prielaidą.
Platoniniai atomai
Platonas, vienas didžiausių antikos protų, Timachos dialoge aprašė atomus, iš kurių turėjo būti sudaryti elementai. Šie dariniai turėjo taisyklingų daugiakampių (platoniškų kietųjų medžiagų) formą. Taigi, tetraedras buvo ugnies atomas (kaip mažiausias ir nepastoviausias), oktaedras buvo oro atomas, o ikosaedras buvo vandens atomas (visų kietųjų kūnų sienelės yra lygiakraštės trikampės). Kvadratų kubas yra žemės atomas, o penkiakampių dodekaedras yra idealaus elemento – dangaus eterio (8) atomas.
