Ғасырлар бойы атоммен - 1 бөлім
Өткен ғасырды «атом ғасыры» деп жиі атайды. Сол тым алыс емес уақытта бізді қоршаған әлемді құрайтын «кірпіштердің» бар екендігі ақыры дәлелденіп, олардағы ұйықтап жатқан күштер босатылды. Алайда атом идеясының өзі өте ұзақ тарихқа ие және материяның құрылымын білу тарихының тарихын ежелгі дәуірге қатысты сөздерден басқаша бастауға болмайды.
1. Рафаэльдің «Афины мектебі» фрескасының фрагменті, Платон (оң жақта философ Леонардо да Винчи ерекшеліктері бар) және Аристотель бейнеленген.
«Уже ескі...»
...философтар барлық табиғат көрінбейтін ұсақ бөлшектерден тұрады деген қорытындыға келді. Әрине, ол кезде (және одан кейінгі ұзақ уақыт бойы) ғалымдардың өз болжамдарын сынау мүмкіндігі болмады. Олар тек табиғаттың бақылауларын түсіндіруге және сұраққа жауап беруге тырысты: «Зат шексіз ыдырауы мүмкін бе, әлде бөлінудің соңы бар ма?«
Жауаптар әртүрлі мәдени орталарда (ең алдымен ежелгі Үндістанда) берілді, бірақ ғылымның дамуына грек философтарының зерттеулері әсер етті. «Жас техниктің» өткен жылғы мерекелік нөмірлерінде оқырмандар элементтердің ашылуының көп ғасырлық тарихы туралы білді («Элементтермен қауіп», МТ 7-9/2014), ол да Ежелгі Грецияда басталды. Біздің эрамызға дейінгі XNUMX ғасырда материя (элемент, элемент) түзілетін негізгі құрамдас әртүрлі заттардан: судан (Талес), ауадан (Анаксимен), оттан (Гераклит) немесе жерден (Ксенофан) іздестірілді.
Эмпедокл материя бір емес, төрт элементтен тұрады деп, олардың барлығын татуластыруға мүмкіндік берді. Аристотель (б.з.б. 1 ғ.) бүкіл ғаламды толтыратын тағы бір идеалды субстанция – эфирді қосып, элементтердің түрлену мүмкіндігін жариялады. Екінші жағынан, ғаламның орталығында орналасқан Жерді әрқашан өзгермейтін аспан бақылаған. Аристотельдің беделінің арқасында материяның және тұтастың құрылымының бұл теориясы екі мың жылдан астам уақыт бойы дұрыс деп саналды. Басқа нәрселермен қатар, алхимияның, демек, химияның өзін дамытудың негізі болды (ХNUMX).
2. Демокрит Абдераның бюсті (б.з.б. 460-370 ж.)
Дегенмен, басқа гипотеза да параллель әзірленді. Левкипп (б.з.д. XNUMX ғ.) материядан тұрады деп есептеді өте ұсақ бөлшектер вакуумда қозғалады. Философтың көзқарастарын оның шәкірті – Демокрит Абдерский (шамамен б.д.д. 460-370 ж.) дамытты (2). Ол зат атомдарын құрайтын «блоктарды» (грекше atomos = бөлінбейтін) деп атады. Ол олардың бөлінбейтін және өзгермейтінін және олардың ғаламдағы саны тұрақты екенін дәлелдеді. Атомдар вакуумда қозғалады.
Қашан атомдар олар бір-бірімен байланысқан (ілгектер мен көздер жүйесі арқылы) - денелердің барлық түрлері пайда болады, ал олар бір-бірінен бөлінгенде - денелер жойылады. Демокрит атомдардың пішіні мен көлемі жағынан ерекшеленетін шексіз көп түрлері бар деп есептеді. Атомдардың сипаттамалары заттың қасиеттерін анықтайды, мысалы, тәтті бал тегіс атомдардан, ал қышқыл сірке суы бұрыштықтардан тұрады; ақ денелер тегіс атомдарды, ал қара денелер беті кедір-бұдырлы атомдарды құрайды.
Материалдың қосылу тәсілі заттың қасиеттеріне де әсер етеді: қатты денелерде атомдар бір-бірімен тығыз іргелес, ал жұмсақ денелерде олар бос орналасады. Демокрит көзқарастарының квинтэссенциясы: «Шындығында тек бостық пен атомдар бар, қалғанының бәрі елес» деген тұжырым.
Кейінгі ғасырларда Демокриттің көзқарастарын кейінгі философтар дамытты, кейбір сілтемелер Платонның еңбектерінде де кездеседі. Эпикур – мұрагерлердің бірі – тіпті бұған сенді атомдар олар одан да кішірек құрамдас бөліктерден тұрады («элементар бөлшектер»). Алайда материяның құрылымының атомистік теориясы Аристотель элементтерінен жеңіліп қалды. Кілт — қазірдің өзінде — тәжірибеде табылды. Атомдардың бар екенін растайтын құралдар болғанға дейін элементтердің түрленуі оңай байқалды.
Мысалы: суды қыздырғанда (суық және дымқыл элемент), ауа алынған (ыстық және ылғалды бу), ыдыстың түбінде топырақ қалды (суда еріген заттардың суық және құрғақ тұнбасы). Жетіспейтін қасиеттер - жылу мен құрғақтық - ыдысты қыздыратын отпен қамтамасыз етілді.
Инварианттық және тұрақты атомдар саны олар да бақылауларға қайшы келді, өйткені микробтар XNUMX ғасырға дейін «жоқтан» пайда болады деп есептелді. Демокриттің көзқарастары металдардың өзгеруіне байланысты алхимиялық тәжірибелерге ешқандай негіз бермеді. Атомдардың шексіз алуан түрлілігін елестету және зерттеу де қиын болды. Элементарлық теория әлдеқайда қарапайым болып көрінді және қоршаған әлемді нанымды түсіндірді.
3. Роберт Бойлдың портреті (1627–1691) Дж. Керсебум.
Құлау және қайта туылу
Ғасырлар бойы атом теориясы негізгі ғылымнан бөлек тұрды. Алайда ол ақыры өлмеді, оның идеялары аман қалды, ежелгі жазбалардың арабша философиялық аудармалары түрінде еуропалық ғалымдарға жетті. Адамзат білімінің дамуымен Аристотель теориясының негіздері ыдырай бастады. Николай Коперниктің гелиоцентрлік жүйесі, жоқ жерден пайда болған суперноваларды алғашқы бақылаулары (Tycho de Brache), планеталардың (Иоганнес Кеплер) және Юпитердің (Галилейдің) серіктерінің қозғалыс заңдарының ашылуы он алтыншы және он жетінші ғасырлар бойы адамдар әлем пайда болғаннан бері өзгеріссіз аспан астында өмір сүруді тоқтатты. Жер бетінде де Аристотельдің көзқарастары аяқталды.
Алхимиктердің көп ғасырлық әрекеттері күткен нәтиже бермеді - олар қарапайым металдарды алтынға айналдыра алмады. Барған сайын көп ғалымдар элементтердің өздеріне күмән келтіріп, Демокрит теориясын еске алды.
4. 1654 жылғы Магдебург жарты шарларымен жасалған тәжірибе вакуум мен атмосфералық қысымның бар екенін дәлелдеді (16 жылқы ауа сорылатын көрші жарты шарларды бұза алмайды!)
Роберт Бойл 1661 жылы химиялық элементке химиялық талдау арқылы оның құрамдас бөліктеріне ыдырамайтын зат ретінде практикалық анықтама берді (3). Ол материя пішіні мен көлемі жағынан ерекшеленетін ұсақ, қатты және бөлінбейтін бөлшектерден тұрады деп есептеді. Олар қосылып, затты құрайтын химиялық қосылыстардың молекулаларын құрайды.
Бойль бұл кішкентай бөлшектерді корпускулалар немесе «корпускулалар» (латынның корпус = дене сөзінің кішірейткіші) деп атады. Бойлдың көзқарастарына вакуумдық насостың өнертабысы (Отто фон Герике, 1650) және ауаны сығымдау үшін поршеньді сорғыларды жетілдіру әсер еткені сөзсіз. Вакуумның болуы және ауа бөлшектері арасындағы қашықтықты (сығу нәтижесінде) өзгерту мүмкіндігі Демокрит теориясының пайдасына куә болды (4).
Сол кездегі ең ұлы ғалым сэр Исаак Ньютон да атом ғалымы болды. (5). Бойлдың көзқарастарына сүйене отырып, ол дененің үлкен формацияларға қосылуы туралы гипотезаны алға тартты. Ежелгі ілгектер мен ілгектер жүйесінің орнына оларды байлау - басқаша - ауырлық күшімен болды.
5. Сэр Исаак Ньютонның портреті (1642-1727), Г.Кнеллер.
Осылайша, Ньютон бүкіл Әлемдегі өзара әрекеттесуді біріктірді - бір күш планеталардың қозғалысын да, материяның ең кішкентай құрамдас бөліктерінің құрылымын да басқарды. Ғалым жарық та денешіктерден тұрады деп есептеген.
Бүгін біз оның «жартылай дұрыс» болғанын білеміз - радиация мен зат арасындағы көптеген өзара әрекеттесу фотондар ағынымен түсіндіріледі.
Химия ойынға кіреді
ХNUMX ғасырдың соңына дейін атомдар физиктердің құқығы болды. Дегенмен, бұл Антуан Лавуазье бастаған химиялық революция материяның түйіршікті құрылымы туралы идеяны жалпыға бірдей мақұлдады.
Ежелгі элементтердің – су мен ауаның күрделі құрылымының ашылуы ақыры Аристотель теориясын жоққа шығарды. XNUMX ғасырдың аяғында массаның сақталу заңы және элементтердің өзгеруі мүмкін емес деген сенім де қарсылық тудырмады. Таразылар химиялық зертханада стандартты жабдыққа айналды.
6. Джон Далтон (1766-1844)
Оны қолданудың арқасында элементтер бір-бірімен қосылып, тұрақты массалық пропорцияда белгілі бір химиялық қосылыстар түзетіні байқалды (олардың шығу тегіне – табиғи немесе жасанды жолмен алынған – және синтез әдісіне қарамастан).
Егер материя бір бүтінді құрайтын бөлінбейтін бөліктерден тұрады деп есептесек, бұл бақылау оңай түсіндіріледі. атомдар. Атомның қазіргі теориясын жасаушы Джон Далтон (1766-1844) (6) осы жолмен жүрді. 1808 жылы бір ғалым былай деген:
- Атомдар бұзылмайтын және өзгермейтін (бұл, әрине, алхимиялық түрлену мүмкіндігін жоққа шығарды).
- Барлық заттар бөлінбейтін атомдардан тұрады.
- Берілген элементтің барлық атомдары бірдей, яғни пішіні, массасы және қасиеттері бірдей. Дегенмен, әртүрлі элементтер әртүрлі атомдардан тұрады.
- Химиялық реакцияларда тек атомдардың қосылу жолы өзгереді, олардан химиялық қосылыстардың молекулалары түзіледі - белгілі пропорцияда (7).
Химиялық өзгерістердің барысын бақылауға негізделген тағы бір жаңалық итальяндық физик Амадео Авогадроның гипотезасы болды. Ғалым бірдей жағдайда (қысым мен температура) бірдей көлемдегі газдардың молекулаларының саны бірдей болады деген қорытындыға келді. Бұл жаңалық көптеген химиялық қосылыстардың формулаларын құруға және массаларын анықтауға мүмкіндік берді атомдар.
7. Дальтон пайдаланған атомдық белгілер (Химиялық философияның жаңа жүйесі, 1808 ж.)
8. Платондық қатты денелер – ежелгі «элементтердің» атомдарының таңбалары (Википедия, авторы: Максим Пе)
Қанша рет кесу керек?
Атом идеясының пайда болуы: «Материяның бөлінуінің соңы бар ма?» Деген сұрақпен байланысты болды. Мысалы, диаметрі 10 см алма мен пышақты алып, жемістерді кесуді бастаймыз. Алдымен, жартысында, содан кейін жарты алманы тағы екі бөлікке (алдыңғы кесуге параллель) және т.б. Бірнеше рет кейін, әрине, біз аяқтаймыз, бірақ бір атомның қиялында экспериментті жалғастыруға ештеңе кедергі емес пе? Мың, миллион, мүмкін одан да көп пе?
Туралған алманы жеп болғаннан кейін (дәмді!), Есептеулерді бастайық (геометриялық прогрессия түсінігін білетіндердің қиындықтары аз болады). Бірінші бөлу бізге қалыңдығы 5 см болатын жемістің жартысын береді, келесі кесу бізге қалыңдығы 2,5 см және т.б. ... 10 ұрып-соққан кесінді береді! Сондықтан атомдар әлеміне апаратын «жол» ұзақ емес.
*) Шексіз жұқа жүзі бар пышақты пайдаланыңыз. Шын мәнінде, мұндай нысан жоқ, бірақ Альберт Эйнштейн өз зерттеулерінде жарық жылдамдығымен қозғалатын пойыздарды қарастырғандықтан, біз де ойлау экспериментінің мақсаттары үшін жоғарыдағы болжамды жасауға рұқсат етеміз.
Платондық атомдар
Антикалық дәуірдің ең ұлы ақыл-ойларының бірі Платон Тимакос диалогында элементтерін құрайтын атомдарды сипаттады. Бұл түзілістер дұрыс көп қырлы (платондық қатты денелер) түрінде болды. Сонымен, тетраэдр от атомы (ең кішкентай және ең ұшқыш ретінде), октаэдр ауа атомы, ал икосаэдр су атомы болды (барлық қатты денелердің қабырғалары тең қабырғалы үшбұрыштар). Квадраттардың кубы – жер атомы, ал бесбұрыштардың додекаэдрі – идеал элемент – аспан эфирінің атомы (8).
