Atomilla kautta aikojen - osa 1

Viime vuosisataa kutsutaan usein "atomin aikakaudeksi". Tuona ei liian kaukaisena aikana ympärillämme olevan maailman muodostavien ”tiilien” olemassaolo vihdoin todistettiin ja niissä lepäävät voimat vapautettiin. Itse atomin idealla on kuitenkin hyvin pitkä historia, eikä aineen rakenteen tietämyksen historian tarinaa voi aloittaa muuten kuin antiikille viittaavilla sanoilla.

1. Fragmentti Rafaelin freskosta "Ateenan koulu", joka kuvaa Platonia (oikealla, filosofilla on Leonardo da Vincin piirteet) ja Aristotelesta

"Jo ikivanha..."

… filosofit tulivat siihen tulokseen, että koko luonto koostuu huomaamattoman pienistä hiukkasista. Tietenkin tuohon aikaan (ja pitkään sen jälkeen) tutkijoilla ei ollut mahdollisuutta testata oletuksiaan. Ne olivat vain yritys selittää luonnon havaintoja ja vastata kysymykseen: "Voiko aine hajota loputtomiin, vai onko fissiolla loppu?«

Vastauksia annettiin eri kulttuuripiireissä (ensisijaisesti muinaisessa Intiassa), mutta tieteen kehitykseen vaikuttivat kreikkalaisten filosofien tutkimukset. Viime vuoden "Young Technician" -lehden lomanumeroissa lukijat saivat tietää elementtien löytämisen vuosisatoja vanhasta historiasta ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), joka myös alkoi antiikin Kreikasta. Vielä XNUMX-luvulla eKr. pääkomponenttia, josta aine (elementti, alkuaine) rakennettiin, etsittiin erilaisista aineista: vedestä (Thales), ilmasta (Anaximenes), tulesta (Herakleitos) tai maasta (Xenophanes).

Empedokles sovitti heidät kaikki ja julisti, että aine ei koostu yhdestä vaan neljästä elementistä. Aristoteles (1. vuosisadalla eKr.) lisäsi toisen ihanteellisen aineen - eetterin, joka täyttää koko maailmankaikkeuden, ja julisti elementtien muuntumisen mahdollisuuden. Toisaalta universumin keskellä sijaitsevaa Maata tarkkaili taivas, joka oli aina muuttumaton. Aristoteleen auktoriteetin ansiosta tätä teoriaa aineen ja kokonaisuuden rakenteesta pidettiin oikeana yli kahden tuhannen vuoden ajan. Siitä tuli muun muassa alkemian ja siten itse kemian kehityksen perusta (XNUMX).

2. Abderan Demokritoksen rintakuva (460-370 eKr.)

Samanaikaisesti kehitettiin kuitenkin myös toinen hypoteesi. Leucippus (XNUMX. vuosisadalla eKr.) uskoi, että aine koostuu hyvin pieniä hiukkasia liikkuvat tyhjiössä. Filosofin näkemykset kehitti hänen oppilaansa Demokritos Abderalainen (n. 460-370 eKr.) (2). Hän kutsui aineen muodostavia "lohkoja" atomeiksi (kreikaksi atomos = jakamaton). Hän väitti, että ne ovat jakamattomia ja muuttumattomia ja että niiden määrä universumissa on vakio. Atomit liikkuvat tyhjiössä.

Kun atomeja ne yhdistetään (koukku- ja silmäjärjestelmällä) - muodostuu kaikenlaisia ​​ruumiita, ja kun ne erotetaan toisistaan ​​- ruumiit tuhoutuvat. Demokritos uskoi, että atomeja on äärettömän monta tyyppiä, jotka eroavat muodoltaan ja kooltaan. Atomien ominaisuudet määräävät aineen ominaisuudet, esimerkiksi makea hunaja koostuu sileistä atomeista ja hapan etikka kulmikkaasta; valkoiset kappaleet muodostavat sileitä atomeja ja mustat kappaleet atomeja, joilla on karkea pinta.

Myös materiaalin liitostapa vaikuttaa aineen ominaisuuksiin: kiinteissä aineissa atomit ovat tiiviisti vierekkäin ja pehmeissä kappaleissa löysästi. Demokritoksen näkemysten ydin on toteamus: "Itse asiassa on vain tyhjyys ja atomit, kaikki muu on illuusiota."

Myöhempinä vuosisatoina Demokritoksen näkemyksiä kehittivät peräkkäiset filosofit, joitain viittauksia löytyy myös Platonin kirjoituksista. Epikuros - yksi seuraajista - jopa uskoi siihen atomeja ne koostuvat vielä pienemmistä komponenteista ("alkuainehiukkasista"). Kuitenkin atomistinen teoria aineen rakenteesta hävisi Aristoteleen elementeille. Avain – jo silloin – löytyi kokemuksesta. Ennen kuin oli olemassa työkaluja atomien olemassaolon vahvistamiseksi, alkuaineiden muunnokset havaittiin helposti.

Esimerkiksi: kun vettä lämmitettiin (kylmä ja märkä elementti), saatiin ilmaa (kuuma ja märkä höyry), ja astian pohjalle jäi maata (veteen liuenneiden aineiden kylmä ja kuiva saostuminen). Puuttuvat ominaisuudet - lämpö ja kuivuus - saatiin tulipalosta, joka lämmitti astiaa.

Muuttumattomuus ja vakio atomien lukumäärä ne olivat myös ristiriidassa havaintojen kanssa, sillä mikrobien uskottiin syntyvän "tyhjältä" XNUMX-luvulle asti. Demokritoksen näkemykset eivät antaneet mitään perustaa metallien muuttumiseen liittyville alkemiallisille kokeille. Oli myös vaikeaa kuvitella ja tutkia atomien ääretöntä määrää. Alkeisteoria vaikutti paljon yksinkertaisemmalta ja vakuuttavammin selittävän ympäröivän maailman.

3. J. Kerseboomin muotokuva Robert Boylesta (1627–1691).

Syksy ja uudestisyntyminen

Vuosisatojen ajan atomiteoria on eronnut valtavirran tieteestä. Hän ei kuitenkaan lopulta kuollut, hänen ideansa säilyivät ja saavuttivat eurooppalaiset tiedemiehet muinaisten kirjoitusten arabialaisten filosofisten käännösten muodossa. Ihmisen tiedon kehittyessä Aristoteleen teorian perusteet alkoivat murentua. Nicolaus Copernicuksen heliosentrinen järjestelmä, ensimmäiset havainnot tyhjästä syntyneistä supernoveista (Tycho de Brache), planeettojen (Johannes Kepler) ja Jupiterin kuuiden (Galileo) liikelakien löytäminen tarkoittivat, että kuudestoista ja seitsemästätoista vuosisatojen ajan ihmiset lakkasivat elämästä taivaan alla muuttumattomina maailman alusta lähtien. Myös maan päällä oli Aristoteleen näkemysten loppu.

Alkemistien vuosisatoja vanhat yritykset eivät tuottaneet toivottuja tuloksia - he eivät onnistuneet muuttamaan tavallisia metalleja kullaksi. Yhä useammat tiedemiehet kyseenalaistivat itse elementtien olemassaolon ja muistivat Demokritoksen teorian.

4. Vuoden 1654 koe Magdeburgin pallonpuoliskolla osoitti tyhjiön ja ilmanpaineen olemassaolon (16 hevosta ei voi rikkoa viereisiä pallonpuoliskoja, joista ilmaa pumpattiin ulos!)

Robert Boyle antoi vuonna 1661 käytännöllisen määritelmän kemiallisesta alkuaineesta aineeksi, jota ei voida hajottaa sen komponentteihin kemiallisella analyysillä (3). Hän uskoi, että aine koostuu pienistä, kiinteistä ja jakamattomista hiukkasista, jotka eroavat muodoltaan ja kooltaan. Yhdessä ne muodostavat kemiallisten yhdisteiden molekyylejä, jotka muodostavat aineen.

Boyle kutsui näitä pieniä hiukkasia verisoluiksi tai "korpuskkeleiksi" (latinan sanan corpus = body deminutiivi). Boylen näkemyksiin vaikuttivat epäilemättä tyhjiöpumpun keksintö (Otto von Guericke, 1650) ja mäntäpumppujen parantaminen puristusilmaa varten. Tyhjiön olemassaolo ja mahdollisuus muuttaa ilmahiukkasten välistä etäisyyttä (puristuksen seurauksena) osoittivat Demokritoksen teorian (4) puolesta.

Sen ajan suurin tiedemies, Sir Isaac Newton, oli myös atomitutkija. (5). Boylen näkemysten perusteella hän esitti hypoteesin kehon sulautumisesta suurempiin muodostelmiin. Muinaisen silmukka- ja koukkujärjestelmän sijaan niiden sitominen tapahtui - kuinka muuten - painovoimalla.

5. Sir Isaac Newtonin (1642-1727) muotokuva, kirjoittanut G. Kneller.

Siten Newton yhdisti vuorovaikutuksen koko maailmankaikkeudessa - yksi voima kontrolloi sekä planeettojen liikettä että aineen pienimpien komponenttien rakennetta. Tiedemies uskoi, että valo koostuu myös soluista.

Nykyään tiedämme, että hän oli "puoliksi oikeassa" – monet säteilyn ja aineen väliset vuorovaikutukset selittyvät fotonien virtauksella.

Kemia tulee peliin

Lähes XNUMX-luvun loppuun asti atomit olivat fyysikkojen etuoikeus. Kuitenkin Antoine Lavoisierin käynnistämä kemiallinen vallankumous teki ajatuksen aineen rakeisesta rakenteesta yleisesti hyväksytyksi.

Muinaisten alkuaineiden - veden ja ilman - monimutkaisen rakenteen löytäminen kumosi lopulta Aristoteleen teorian. XNUMX-luvun lopulla ei myöskään herättänyt vastalauseita massan säilymislaki ja usko elementtien muuttumisen mahdottomuuteen. Vaa'oista on tullut vakiovarusteita kemian laboratoriossa.

6. John Dalton (1766-1844)

Sen käytön ansiosta havaittiin, että alkuaineet yhdistyvät keskenään muodostaen tiettyjä kemiallisia yhdisteitä vakiomassasuhteissa (riippumatta niiden alkuperästä - luonnollisesta tai keinotekoisesti saadusta - ja synteesimenetelmästä).

Tämä havainto on tullut helposti selitettäviksi, jos oletetaan, että aine koostuu jakamattomista osista, jotka muodostavat yhden kokonaisuuden. atomeja. Modernin atomiteorian luoja John Dalton (1766-1844) (6) seurasi tätä tietä. Tiedemies vuonna 1808 totesi, että:

1. Atomit ovat tuhoutumattomia ja muuttumattomia (tämä tietysti sulki pois alkemiallisten muutosten mahdollisuuden).
2. Kaikki aine koostuu jakamattomista atomeista.
3. Kaikki tietyn alkuaineen atomit ovat samoja, eli niillä on sama muoto, massa ja ominaisuudet. Eri alkuaineet koostuvat kuitenkin eri atomeista.
4. Kemiallisissa reaktioissa muuttuu vain atomien liittymistapa, josta rakentuu kemiallisten yhdisteiden molekyylejä - tietyissä suhteissa (7).

Toinen löytö, joka perustuu myös kemiallisten muutosten kulun tarkkailuun, oli italialaisen fyysikon Amadeo Avogadron hypoteesi. Tiedemies tuli siihen tulokseen, että sama määrä kaasuja samoissa olosuhteissa (paine ja lämpötila) sisältää saman määrän molekyylejä. Tämä löytö mahdollisti monien kemiallisten yhdisteiden kaavat ja massojen määrittämisen atomeja.

7. Daltonin käyttämät atomisymbolit (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoniset kiinteät aineet - muinaisten "elementtien" atomien symbolit (Wikipedia, kirjoittaja: Maxim Pe)

Kuinka monta kertaa leikata?

Atomin idean syntyminen liittyi kysymykseen: "Onko aineen jakautuminen loppua?". Otetaan esimerkiksi halkaisijaltaan 10 cm omena ja veitsi ja aloitetaan hedelmän viipalointi. Ensin puoliksi, sitten puolikas omena vielä kahteen osaan (samansuuntaisesti edellisen leikkauksen kanssa) jne. Muutaman kerran jälkeen tietysti lopetamme, mutta mikään ei estä meitä jatkamasta kokeilua yhden atomin mielikuvituksessa? Tuhat, miljoona, ehkä enemmän?

Kun olet syönyt viipaloidun omenan (herkullista!), aloitetaan laskelmat (niillä, jotka tietävät geometrisen progression käsitteen, on vähemmän ongelmia). Ensimmäinen jako antaa meille puolet hedelmästä, jonka paksuus on 5 cm, seuraava leikkaus antaa meille 2,5 cm paksuisen viipaleen jne. ... 10 pakattua! Siksi "polku" atomien maailmaan ei ole pitkä.

*) Käytä veistä, jonka terä on erittäin ohut. Itse asiassa sellaista kohdetta ei ole olemassa, mutta koska Albert Einstein tutkimuksessaan tarkasteli junia valonnopeudella, voimme myös ajatuskokeilun vuoksi tehdä yllä olevan oletuksen.

Platoniset atomit

Platon, yksi antiikin suurimmista mielistä, kuvaili Timachos-dialogissa atomeja, joista alkuaineiden piti koostua. Nämä muodostelmat olivat muodoltaan säännöllisiä polyhedraja (platonisia kiinteitä aineita). Joten, tetraedri oli tuliatomi (pienin ja haihtuvin), oktaedri oli ilmaatomi ja ikosaedri oli vesiatomi (kaikilla kiinteillä aineilla on tasasivuisten kolmioiden seinämät). Neliöiden kuutio on maan atomi, ja viisikulmioiden dodekaedri on ihanteellisen alkuaineen - taivaallisen eetterin (8) -atomi.