З атамам скрозь стагоддзі – частка 1
Змест
Мінулае стагоддзе часта называюць «векам атама». У той не надта аддалены час было канчаткова даказана існаванне «цаглінак», з якіх складаецца навакольны свет, і вызвалены дрымотныя ў іх сілы. Само паданне аб атаме, аднак, мае вельмі доўгую гісторыю, і аповяд аб гісторыі спазнання будынка матэрыі нельга пачаць інакш, як са слоў, якія адсылаюць да старажытнасці.
1. Фрагмент фрэскі Рафаэля «Афінская школа», які паказвае Платона (справа ў філосафа рысы Леанарда да Вінчы) і Арыстоцеля
«Ужо старажытны…»
…філосафы прыйшлі да высновы, што ўся прырода складаецца з неўзаметку малых часціц. Вядома, у той час (і праз доўгі час пасля гэтага) у навукоўцаў не было магчымасці праверыць свае здагадкі. Яны былі толькі спробай растлумачыць назіранні прыроды і адказаць на пытанне: «Ці можа матэрыя распадацца бясконца, ці ёсць канец дзяленню?«
Адказы давалі ў розных культурных колах (у першую чаргу ў старажытнай Індыі), але на развіццё навукі аказалі ўплыў даследавання грэчаскіх філосафаў. У леташніх святочных выпусках «Юнага тэхніка» чытачы даведаліся пра шматвяковую гісторыю адкрыцця элементаў («Небяспекі са стыхіямі», МТ 7-9/2014), якая таксама пачалася ў Старажытнай Грэцыі. Яшчэ ў VII стагоддзі да нашай эры асноўны кампанент, з якога будуецца матэрыя (элемент, стыхія), шукалі ў розных субстанцыях: вадзе (Фалес), паветры (Анаксімен), агні (Геракліт) або зямлі (Ксенафан).
Эмпедокл прымірыў іх усіх, заявіўшы, што матэрыя складаецца не з аднаго, а з чатырох элементаў. Арыстоцель (1 стагоддзе да н.э.) дадаў яшчэ адну ідэальную субстанцыю - эфір, які напаўняе ўвесь сусвет, і заявіў аб магчымасці ператварэння элементаў. З іншага боку, за Зямлёй, размешчанай у цэнтры Сусвету, назірала неба, якое заўсёды было нязменным. Дзякуючы аўтарытэту Арыстоцеля гэтая тэорыя будынка матэрыі і цэлага лічылася справядлівай больш за дзве тысячы гадоў. Стала, сярод іншага, асновай развіцця алхіміі, а, такім чынам, і самой хіміі (XNUMX).
2. Бюст Дэмакрыта Абдэрскага (460-370 гг. да н.э.)
Аднак паралельна развівалася і іншая гіпотэза. Ляўкіп (XNUMX стагоддзе да н.э.) лічыў, што матэрыя складаецца з вельмі маленькія часціцы якія рухаюцца ў вакууме. Погляды філосафа развіваў яго вучань - Дэмакрыт Абдэрскі (каля 460-370 да н.э.) (2). Ён назваў «блокі», з якіх складаецца матэрыя, атамамі (грэч. атамас = непадзельны). Ён сцвярджаў, што яны непадзельныя і нязменныя, і што іх колькасць у Сусвеце ўвесь час. Атамы рухаюцца ў вакууме.
Калі атамы яны злучаюцца (сістэмай гаплікаў і вушэй) - утворацца разнастайныя целы, а калі яны адлучаюцца сябар ад сябра - целы руйнуюцца. Дэмакрыт лічыў, што існуе бясконца шмат тыпаў атамаў, якія адрозніваюцца па форме і памеры. Характарыстыкі атамаў вызначаюць уласцівасці рэчыва, напрыклад, салодкі мёд складаецца з гладкіх атамаў, а кіслы воцат - з вуглаватых; белыя целы ўтвараюць гладкія атамы, а чорныя целы ўтвараюць атамы з шурпатай паверхняй.
Спосаб злучэння матэрыялу таксама ўплывае на ўласцівасці матэрыі: у цвёрдых целах атамы шчыльна прылягаюць сябар да сябра, а ў мяккіх целах яны размешчаны друзла. Квінтэсенцыяй поглядаў Дэмакрыта з'яўляецца сцвярджэнне: «Насамрэч ёсць толькі пустата і атамы, усё астатняе ёсць ілюзія».
У пазнейшыя стагоддзі погляды Дэмакрыта развіваліся якія змяняюць адзін аднаго філосафамі, некаторыя згадванні сустракаюцца і ў працах Платона. Эпікур - адзін з пераемнікаў - нават лічыў, што атамы яны складаюцца з яшчэ драбнейшых кампанентаў («элементарных часціц»). Аднак атамістычная тэорыя будовы матэрыі прайграла элементам Арыстоцеля. Ключ - ужо тады - апынуўся ў досведзе. Пакуль не было інструментаў для пацверджання існавання атамаў, ператварэнні элементаў лёгка назіраліся.
Напрыклад: пры награванні вады (халодны і вільготны элемент) было атрымана паветра (гарачая і вільготная пара), а на дне пасудзіны застаўся грунт (халодныя і сухія ападкі рэчываў, раствораных у вадзе). Якія адсутнічаюць уласцівасці - цеплыня і сухасць - забяспечваліся агнём, якім награвалі пасудзіну.
Інварыянтнасць і канстанта колькасць атамаў яны таксама супярэчылі назіранням, паколькі да XNUMX стагоддзі лічылася, што мікробы ўзнікаюць «з нічога». Погляды Дэмакрыта не давалі ніякіх падстаў для алхімічных доследаў, звязаных з ператварэннем металаў. Таксама было цяжка ўявіць і вывучыць бясконцае мноства відаў атамаў. Элементарная тэорыя ўяўлялася значна прасцей і больш пераканаўча тлумачыла навакольны свет.
3. Партрэт Роберта Бойля (1627–1691) працы Дж. Керсебума.
Падзенне і адраджэнне
На працягу стагоддзяў атамная тэорыя стаяла ўбаку ад пануючай навукі. Аднак канчаткова яна не памерла, яе ідэі выжылі, дайшоўшы да еўрапейскіх навукоўцаў у выглядзе арабскіх філасофскіх перакладаў старажытных твораў. З развіццём чалавечых ведаў пачалі разбурацца асновы тэорыі Арыстоцеля. Геліяцэнтрычная сістэма Мікалая Каперніка, першыя назіранні звышновых (Ціха дэ Браш), якія ўзнікаюць з ніадкуль, адкрыццё законаў руху планет (Іаган Кеплер) і спадарожнікаў Юпітэра (Галілей) азначалі, што ў шаснаццатым і семнаццатым стагоддзях, людзі перасталі жыць пад небам нязменнымі . На зямлі таксама быў канец поглядаў Арыстоцеля.
Векавыя спробы алхімікаў не прынеслі чаканых вынікаў - ператварыць звычайныя металы ў золата ім не ўдалося. Усё больш і больш вучоных ставілі пад сумненне існаванне саміх элементаў, і ўспомнілі аб тэорыі Дэмакрыта.
4. Вопыт 1654 года з магдэбургскімі паўшар'ямі даказаў існаванне вакууму і атмасфернага ціску (16 коней не могуць разарваць суседнія паўшар'і, з якіх адпампоўвалася паветра!)
Роберт Бойль у 1661 годзе даў практычнае вызначэнне хімічнага элемента як рэчыва, якое нельга раскласці на кампаненты метадамі хімічнага аналізу (3). Ён лічыў, што матэрыя складаецца з дробных, цвёрдых і непадзельных часціц, якія адрозніваюцца па форме і памеры. Аб'ядноўваючыся, яны ўтвараюць малекулы хімічных злучэнняў, з якіх складаецца матэрыя.
Бойль называў гэтыя драбнюткія часціцы карпускуламі, або "карпускуламі" (памяншальнае ад лацінскага слова corpus = цела). На погляды Бойля, несумненна, паўплывала вынаходства вакуумнай помпы (Ота фон Герике, 1650 г.) і ўдасканаленне поршневых помпаў для сціску паветра. Існаванне вакууму і магчымасць змены адлегласці (у выніку сціску) паміж паветранымі часціцамі сведчылі на карысць тэорыі Дэмакрыта (4).
Найвялікшы вучоны таго часу сэр Ісаак Ньютан быў таксама атамшчыкам. (5). Абапіраючыся на погляды Бойля, ён высунуў гіпотэзу аб зліцці цяля ў буйнейшыя адукацыі. Замест старажытнай сістэмы люверсаў і гаплікаў іх завязванне было - як інакш - самацёкам.
5. Партрэт сэра Ісаака Ньютана (1642-1727), праца Г. Кнелера.
Такім чынам, Ньютан аб'яднаў узаемадзеянні ва ўсім Сусвеце - адна сіла кіравала і рухам планет, і будовай драбнюткіх кампанентаў матэрыі. Навуковец лічыў, што святло таксама складаецца з карпускулаў.
Сёння мы ведаем, што ён меў рацыю «напалову» - шматлікія ўзаемадзеянні паміж выпраменьваннем і рэчывам тлумачацца струменем фатонаў.
Хімія ўступае ў гульню
Амаль да канца XNUMX стагоддзі атамы былі прэрагатывай фізікаў. Аднак менавіта хімічная рэвалюцыя, распачатая Антуанам Лавуазье, зрабіла ўяўленне аб крупчастай структуры рэчыва агульнапрынятым.
Адкрыццё складанай будовы старажытных элементаў - вады і паветра - канчаткова абвергла тэорыю Арыстоцеля. У канцы XVIII стагоддзі закон захавання масы і перакананасць у немагчымасці ператварэння элементаў таксама не выклікалі пярэчанняў. Шалі сталі стандартным абсталяваннем у хімічнай лабараторыі.
6. Джон Далтан (1766–1844)
Дзякуючы яго выкарыстанню было заўважана, што элементы злучаюцца сябар з сябрам, утворачы вызначаныя хімічныя злучэнні ў сталых масавых прапорцыях (незалежна ад іх паходжання - прыроднага або атрыманага штучна - і спосабу сінтэзу).
Гэта назіранне стала лёгка вытлумачальным, калі выказаць здагадку, што матэрыя складаецца з непадзельных частак, якія складаюць адзінае цэлае. атамы. Па гэтым шляху пайшоў стваральнік сучаснай тэорыі атама Джон Дальтан (1766-1844) (6). Навуковец у 1808 годзе заявіў, што:
- Атамы неразбуральныя і нязменныя (гэта, вядома, выключала магчымасць алхімічных ператварэнняў).
- Уся матэрыя складаецца з непадзельных атамаў.
- Усе атамы дадзенага элемента аднолькавыя, гэта значыць маюць аднолькавую форму, масу і ўласцівасці. Аднак розныя элементы складаюцца з розных атамаў.
- У хімічных рэакцыях змяняецца толькі спосаб злучэння атамаў, з якіх будуюцца - у пэўных прапорцыях - малекулы хімічных злучэнняў (7).
Іншым адкрыццём, таксама заснаваным на назіранні за ходам хімічных змен, стала гіпотэза італьянскага фізіка Амадэа Авагадра. Вучоны прыйшоў да вываду, што роўныя аб'ёмы газаў пры аднолькавых умовах (ціск і тэмпература) змяшчаюць аднолькавую колькасць малекул. Гэта адкрыццё дазволіла ўсталяваць формулы шматлікіх хімічных злучэнняў і вызначыць масы атамы.
7. Сімвалы атамаў, якія выкарыстоўваюцца Дальтанам («Новая сістэма хімічнай філасофіі» 1808 г.)
8. Платонавыя цела - сімвалы атамаў старажытных "элементаў" (Вікіпедыя, аўтар: Максім Пе)
Колькі разоў рэзаць?
Узнікненне ідэі атама было звязана з пытаннем: "Ці ёсць канец дзяленню матэрыі?". Напрыклад, возьмем яблык дыяметрам 10 гл і нож і пачнем наразаць фрукт. Спачатку напалову, потым палоўка яблыка яшчэ на дзве часткі (раўналежна папярэдняму разрэзу) і т. д. Праз некалькі разоў мы, вядома, скончым, але нішто не мяшае працягнуць эксперымент ва ўяўленні адзін атам? Тысячу, мільён, а можа, і болей?
З'еўшы нарэзаны яблык (смачна!), прыступім да вылічэнняў (у тых, хто ведае паняцце геаметрычнай прагрэсіі, будзе менш клопатаў). Першае дзяленне дасць нам палоўку плёну таўшчынёй 5 гл, наступны разрэз - дзельку таўшчынёй 2,5 гл і т. д.… 10 бітых! Таму «шлях» у свет атамаў не доўгі.
*) Выкарыстоўваны нож з бясконца тонкім лязом. Насамрэч такога аб'екта не існуе, але паколькі Альберт Эйнштэйн у сваіх даследаваннях разглядаў цягнікі, якія рухаюцца з хуткасцю святла, нам таксама дазволена - у мэтах разумовага эксперыменту - зрабіць вышэйпададзенае меркаванне.
Платанічныя атамы
Платон, адзін з найвялікшых розумаў старажытнасці, апісаў атамы, з якіх павінны былі складацца элементы, у дыялогу "Цімахос". Гэтыя ўтварэнні мелі форму правільных мнагаграннікаў (платонавых цел). Такім чынам, тэтраэдр быў атамам агню (як самы маленькі і лятучы), актаэдр - атамам паветра, а ікасаэдр - атамам вады (усе цвёрдыя целы маюць сценкі з роўнабаковых трыкутнікаў). Куб з квадратаў — гэта атам зямлі, а дадэкаэдр з пяцівугольнікаў — атам ідэальнага элемента — нябеснага эфіру (8).
