Са атомом кроз векове - 1. део

Прошли век се често назива „добом атома“. У то не тако далеко време коначно је доказано постојање „цигли“ које чине свет око нас и ослобођене су силе које су у њима спавале. Сама идеја атома, међутим, има веома дугу историју, а прича о историји познавања структуре материје не може се започети другачије него речима које се односе на антику.

1. Фрагмент Рафаелове фреске „Атинска школа“, која приказује Платона (десно филозоф има црте Леонарда да Винчија) и Аристотела

"Већ стар..."

... филозофи су дошли до закључка да се сва природа састоји од неприметно малих честица. Наравно, у то време (и још дуго после тога) научници нису имали прилику да провере своје претпоставке. Они су били само покушај да се објасне запажања природе и одговоре на питање: „Може ли се материја бескрајно распадати, или постоји крај фисији?«

Одговори су давани у различитим културним круговима (пре свега у старој Индији), али су на развој науке утицала проучавања грчких филозофа. У прошлогодишњим празничним бројевима „Младог техничара” читаоци су се упознали са вековном историјом откривања елемената („Опасности са елементима”, МТ 7-9/2014), која је такође почела у Старој Грчкој. Још у XNUMX. веку пре нове ере главна компонента од које се гради материја (елемент, елемент) тражила се у разним супстанцама: води (Талес), ваздуху (Анаксимен), ватри (Хераклит) или земљи (Ксенофан).

Емпедокле их је све помирио, изјављујући да се материја не састоји од једног, већ од четири елемента. Аристотел (1. век пре нове ере) је додао још једну идеалну супстанцу – етар, који испуњава цео универзум, и прогласио могућност трансформације елемената. С друге стране, Земљу, која се налази у центру универзума, посматрало је небо, које је увек било непромењено. Захваљујући ауторитету Аристотела, ова теорија структуре материје и целине се сматрала тачном више од две хиљаде година. Постао је, између осталог, основа за развој алхемије, а самим тим и саме хемије (КСНУМКС).

2. Биста Демокрита из Абдере (460-370. п.н.е.)

Међутим, паралелно се развијала још једна хипотеза. Леукип (КСНУМКС. век пре нове ере) је веровао да се материја састоји од врло мале честице крећући се у вакууму. Ставове филозофа развио је његов ученик - Демокрит из Абдере (око 460-370. пре Христа) (2). Он је „блокове“ који чине атомима материје назвао (грчки атомос = недељив). Тврдио је да су они недељиви и непроменљиви и да је њихов број у универзуму константан. Атоми се крећу у вакууму.

Када атоми повезују се (системом кука и очију) – формирају се свакаква тела, а када се одвоје једно од другог – тела се уништавају. Демокрит је веровао да постоји бесконачно много врста атома, који се разликују по облику и величини. Карактеристике атома одређују својства неке супстанце, на пример, слатки мед се састоји од глатких атома, а кисело сирће од угаоних; бела тела формирају глатке атоме, а црна тела атоме са храпавом површином.

Начин на који је материјал спојен такође утиче на својства материје: у чврстим телима атоми су чврсто једни уз друге, ау меким телима лабаво. Квинтесенција Демокритових ставова је изјава: „У ствари, постоје само празнина и атоми, све остало је илузија“.

У каснијим вековима, Демокритове ставове развијали су узастопни филозофи, а неке референце се налазе и у делима Платона. У то је чак веровао и Епикур, један од наследника атоми састоје се од још мањих компоненти („елементарних честица“). Међутим, атомистичка теорија структуре материје изгубљена је за елементе Аристотела. Кључ је — већ тада — пронађен у искуству. Док није било алата за потврду постојања атома, трансформације елемената су се лако посматрале.

На пример: при загревању воде (хладни и влажни елемент) добија се ваздух (врућа и влажна пара), а на дну посуде остаје земља (хладно и суво таложење материја растворених у води). Недостајућа својства - топлину и сувоћу - обезбедила је ватра, која је загрејала посуду.

Инваријантност и константа број атома они су такође били у супротности са запажањима, јер се сматрало да микроби настају „ни из чега“ све до XNUMX. века. Ставови Демокрита нису пружили никакву основу за алхемијске експерименте везане за трансформацију метала. Такође је било тешко замислити и проучавати бесконачну разноликост врста атома. Чинило се да је елементарна теорија много једноставнија и убедљивије објашњава околни свет.

3. Портрет Роберта Бојла (1627–1691) Ј. Керсебоома.

Пад и препород

Вековима је атомска теорија била одвојена од главне науке. Међутим, она није коначно умрла, њене идеје су опстале, достижући европске научнике у облику арапских филозофских превода древних списа. Са развојем људског знања почели су да се руше темељи Аристотелове теорије. Хелиоцентрични систем Николаја Коперника, прва запажања супернова (Тицхо де Брацхе) која су настала ниоткуда, откриће закона кретања планета (Јоханес Кеплер) и Јупитерових месеци (Галилео) значило је да је у XNUMX. и XNUMX. века људи су престали да живе под небом непромењени од постанка света. И на земљи је био крај Аристотелових погледа.

Вековни покушаји алхемичара нису донели очекиване резултате – нису успели да обичне метале претворе у злато. Све више научника доводи у питање постојање самих елемената и сећа се Демокритове теорије.

4. Експеримент са магдебуршким хемисферама из 1654. године доказао је постојање вакуума и атмосферског притиска (16 коња не може да растргне суседне хемисфере из којих је испумпан ваздух!)

Роберт Бојл је 1661. дао практичну дефиницију хемијског елемента као супстанце која се хемијском анализом не може разложити на компоненте (3). Веровао је да се материја састоји од малих, чврстих и недељивих честица које се разликују по облику и величини. Комбинујући се, формирају молекуле хемијских једињења која чине материју.

Бојл је ове ситне честице назвао цорпусцлес, или "цорпусцлес" (деминутив латинске речи цорпус = тело). На Бојлове ставове је несумњиво утицао проналазак вакуум пумпе (Отто вон Гуерицке, 1650) и побољшање клипних пумпи за компримовање ваздуха. Постојање вакуума и могућност промене растојања (као резултат компресије) између честица ваздуха сведочило је у прилог Демокритовој теорији (4).

Највећи научник тог времена, сер Исак Њутн, такође је био атомски научник. (5). На основу Бојлових ставова, изнео је хипотезу о стапању тела у веће формације. Уместо прастарог система ушица и удица, њихово везивање је било – како другачије – гравитацијом.

5. Портрет сер Исака Њутна (1642-1727), дело Г. Кнелера.

Тако је Њутн ујединио интеракције у целом Универзуму – једна сила је контролисала и кретање планета и структуру најмањих компоненти материје. Научник је веровао да се светлост састоји и од тела.

Данас знамо да је био "пола у праву" - бројне интеракције између зрачења и материје објашњавају се протоком фотона.

Хемија долази у игру

Скоро до краја КСНУМКС века, атоми су били прерогатив физичара. Међутим, хемијска револуција, коју је започео Антоан Лавоазије, учинила је концепт грануларне структуре материје опште прихваћеним.

Откриће сложене структуре древних елемената - воде и ваздуха - коначно је оповргло Аристотелову теорију. Крајем XNUMX. века закон о одржању масе и вера у немогућност трансформације елемената такође нису изазивали замерке. Ваге су постале стандардна опрема у хемијској лабораторији.

6. Џон Далтон (1766-1844)

Захваљујући његовој употреби, примећено је да се елементи међусобно комбинују, формирајући одређена хемијска једињења у константним масеним размерама (без обзира на њихово порекло – природно или вештачки добијено – и начин синтезе).

Ово запажање се може лако објаснити ако претпоставимо да се материја састоји од недељивих делова који чине једну целину. атоми. Тим путем ишао је творац модерне атомске теорије Џон Далтон (1766-1844) (6). Научник је 1808. изјавио да:

1. Атоми су неуништиви и непроменљиви (ово је, наравно, искључивало могућност алхемијских трансформација).
2. Сва материја се састоји од недељивих атома.
3. Сви атоми датог елемента су исти, односно имају исти облик, масу и својства. Међутим, различити елементи се састоје од различитих атома.
4. У хемијским реакцијама мења се само начин на који се атоми спајају, од којих се граде молекули хемијских једињења – у одређеним размерама (7).

Друго откриће, такође засновано на посматрању тока хемијских промена, била је хипотеза италијанског физичара Амадеа Авогадра. Научник је дошао до закључка да једнаке запремине гасова под истим условима (притисак и температура) садрже исти број молекула. Ово откриће омогућило је успостављање формула многих хемијских једињења и одређивање масе атоми.

7. Атомски симболи које користи Далтон (Нови систем хемијске филозофије, 1808)

8. Платонска тела – симболи атома древних „елемената“ (Википедија, аутор: Максим Пе)

Колико пута сећи?

Појава идеје о атому била је повезана са питањем: "Да ли постоји крај подели материје?". На пример, узмимо јабуку пречника 10 цм и нож и почнемо да сечемо воће. Прво на пола, па пола јабуке на још два дела (паралелно са претходним резом) итд. После неколико пута, наравно, завршићемо, али ништа нас не спречава да наставимо експеримент у машти једног атома? Хиљаду, милион, можда и више?

Након што поједемо исечену јабуку (укусно!), почнимо са прорачунима (они који знају концепт геометријске прогресије имаће мање проблема). Први део ће нам дати половину плода дебљине 5 цм, следећи рез ће нам дати кришку дебљине 2,5 цм, итд... 10 претучених! Дакле, „пут“ у свет атома није дуг.

*) Користите нож са бесконачно танким сечивом. У ствари, такав објекат не постоји, али пошто је Алберт Ајнштајн у свом истраживању разматрао возове који се крећу брзином светлости, такође нам је дозвољено - за потребе мисаоног експеримента - да направимо горњу претпоставку.

Платонски атоми

Платон, један од највећих умова антике, описао је атоме од којих су елементи требало да буду састављени у дијалогу Тимахоса. Ове формације су имале облик правилних полиедара (платонова тела). Дакле, тетраедар је био атом ватре (као најмањи и најиспарљивији), октаедар је био атом ваздуха, а икосаедар је био атом воде (сва чврста тела имају зидове од једнакостраничних троуглова). Коцка квадрата је атом земље, а додекаедар петоуглова је атом идеалног елемента – небеског етра (8).