Sa atomom kroz vijekove - 1. dio

Prošli vijek se često naziva "dobom atoma". U to ne tako daleko vrijeme konačno je dokazano postojanje “cigli” koje čine svijet oko nas, a sile koje su u njima uspavale su oslobođene. Sama ideja atoma, međutim, ima veoma dugu istoriju, a priča o istoriji poznavanja strukture materije ne može se započeti drugačije nego rečima koje se odnose na antiku.

1. Fragment Rafaelove freske "Atinska škola", koji prikazuje Platona (desno, filozof ima crte Leonarda da Vinčija) i Aristotela

"Već star..."

… filozofi su došli do zaključka da se sva priroda sastoji od neprimjetno malih čestica. Naravno, u to vrijeme (i još dugo nakon toga) naučnici nisu imali priliku provjeriti svoje pretpostavke. Oni su bili samo pokušaj da se objasne zapažanja prirode i odgovore na pitanje: "Može li se materija neograničeno raspadati ili postoji kraj fisiji?«

Odgovori su davani u raznim kulturnim krugovima (prvenstveno u staroj Indiji), ali su na razvoj nauke uticala proučavanja grčkih filozofa. U prošlogodišnjim prazničnim brojevima „Mladog tehničara“ čitaoci su se upoznali sa vekovnom istorijom otkrivanja elemenata („Opasnosti sa elementima“, MT 7-9/2014), koja je takođe započela u staroj Grčkoj. Još u XNUMX. veku pre nove ere, glavna komponenta od koje se gradi materija (element, element) tražila se u raznim supstancama: vodi (Tales), vazduhu (Anaksimen), vatri (Heraklit) ili zemlji (Ksenofan).

Empedokle ih je sve pomirio, izjavivši da se materija ne sastoji od jednog, već od četiri elementa. Aristotel (1. vek pne) je dodao još jednu idealnu supstancu - etar, koji ispunjava ceo univerzum, i proglasio mogućnost transformacije elemenata. S druge strane, Zemlju, koja se nalazi u centru svemira, posmatralo je nebo, koje je uvijek bilo nepromijenjeno. Zahvaljujući Aristotelovom autoritetu, ova teorija strukture materije i celine smatrana je tačnom više od dve hiljade godina. Postao je, između ostalog, osnova za razvoj alhemije, a time i same hemije (XNUMX).

2. Bista Demokrita iz Abdere (460-370 pne)

Međutim, paralelno se razvijala i druga hipoteza. Leukip (XNUMX vek pne) je verovao da se materija sastoji od veoma male čestice kretanje u vakuumu. Stavove filozofa razvio je njegov učenik - Demokrit iz Abdere (oko 460-370 pne) (2). On je "blokove" koji čine atomima materije nazvao (grčki atomos = nedjeljiv). Tvrdio je da su oni nedjeljivi i nepromjenjivi, te da je njihov broj u svemiru konstantan. Atomi se kreću u vakuumu.

Kada atomi oni su povezani (sistemom kuka i očiju) - formiraju se svakakva tijela, a kada se odvoje jedno od drugog - tijela se uništavaju. Demokrit je vjerovao da postoji beskonačno mnogo vrsta atoma, koji se razlikuju po obliku i veličini. Karakteristike atoma određuju svojstva tvari, na primjer, slatki med se sastoji od glatkih atoma, a kiseli ocat se sastoji od uglastih atoma; bijela tijela formiraju glatke atome, a crna tijela formiraju atome s grubom površinom.

Način na koji je materijal spojen takođe utiče na svojstva materije: u čvrstim tijelima atomi su tijesno jedni uz druge, a u mekim tijelima labavo. Kvintesencija Demokritovih pogleda je izjava: "U stvari, postoje samo praznina i atomi, sve ostalo je iluzija."

U kasnijim stoljećima, Demokritove stavove razvijali su uzastopni filozofi, neke reference se također nalaze u Platonovim spisima. Epikur - jedan od nasljednika - čak je vjerovao u to atomi sastoje se od još manjih komponenti („elementarnih čestica“). Međutim, atomistička teorija strukture materije izgubljena je za elemente Aristotela. Ključ je — već tada — pronađen u iskustvu. Sve dok nisu postojali alati za potvrdu postojanja atoma, transformacije elemenata su se lako posmatrale.

Na primjer: zagrijavanjem vode (hladni i vlažni element) dobija se zrak (vruća i vlažna para), a na dnu posude ostaje zemlja (hladno i suho taloženje tvari otopljenih u vodi). Nedostajuća svojstva - toplinu i suhoću - osigurala je vatra, koja je zagrijala posudu.

Invarijantnost i konstanta broj atoma oni su takođe bili u suprotnosti sa zapažanjima, jer se smatralo da mikrobi nastaju "ni iz čega" sve do XNUMX. veka. Demokritovi stavovi nisu pružili nikakvu osnovu za alhemijske eksperimente vezane za transformaciju metala. Također je bilo teško zamisliti i proučavati beskonačnu raznolikost vrsta atoma. Činilo se da je elementarna teorija mnogo jednostavnija i uvjerljivije objašnjava okolni svijet.

3. Portret Roberta Boylea (1627–1691) J. Kersebooma.

Pad i ponovno rođenje

Vekovima je atomska teorija bila odvojena od glavne nauke. Međutim, ona nije konačno umrla, njene ideje su opstale, doprle do evropskih naučnika u obliku arapskih filozofskih prijevoda drevnih spisa. Sa razvojem ljudskog znanja, temelji Aristotelove teorije počeli su da se ruše. Heliocentrični sistem Nikole Kopernika, prva zapažanja supernove (Tycho de Brache) koja su nastala niotkuda, otkriće zakona kretanja planeta (Johannes Kepler) i Jupiterovih meseci (Galileo) značilo je da je u XNUMX. i XNUMX. vekovima, ljudi su prestali da žive pod nebom nepromenjeni od početka sveta. I na zemlji je bio kraj Aristotelovih pogleda.

Viševjekovni pokušaji alhemičara nisu donijeli očekivane rezultate - nisu uspjeli pretvoriti obične metale u zlato. Sve više naučnika dovodilo je u pitanje postojanje samih elemenata i prisjećalo se Demokritove teorije.

4. Eksperiment iz 1654. sa magdeburškim hemisferama dokazao je postojanje vakuuma i atmosferskog pritiska (16 konja ne može razbiti susjedne hemisfere iz kojih je ispumpan zrak!)

Robert Boyle je 1661. dao praktičnu definiciju hemijskog elementa kao supstance koja se hemijskom analizom ne može razložiti na komponente (3). Vjerovao je da se materija sastoji od malih, čvrstih i nedjeljivih čestica koje se razlikuju po obliku i veličini. Kombinujući se, formiraju molekule hemijskih jedinjenja koja čine materiju.

Boyle je ove sitne čestice nazvao corpuscles, ili "corpuscles" (deminutiv od latinske riječi corpus = tijelo). Na Boyleove stavove je nesumnjivo utjecao pronalazak vakuum pumpe (Otto von Guericke, 1650) i poboljšanje klipnih pumpi za komprimiranje zraka. Postojanje vakuuma i mogućnost promjene udaljenosti (kao rezultat kompresije) između čestica zraka svjedočile su u prilog Demokritovoj teoriji (4).

Najveći naučnik tog vremena, Sir Isaac Newton, takođe je bio atomski naučnik. (5). Na osnovu Boyleovih stavova, iznio je hipotezu o fuziji tijela u veće formacije. Umjesto prastarog sistema ušica i udica, njihovo vezivanje je bilo - kako drugačije - gravitacijom.

5. Portret Sir Isaaca Newtona (1642-1727), G. Knellera.

Tako je Njutn ujedinio interakcije u čitavom Univerzumu - jedna sila je kontrolisala i kretanje planeta i strukturu najmanjih komponenti materije. Naučnik je verovao da se svetlost takođe sastoji od čestica.

Danas znamo da je bio "pola u pravu" - brojne interakcije između zračenja i materije objašnjavaju se protokom fotona.

Hemija dolazi u igru

Skoro do kraja XX veka atomi su bili prerogativ fizičara. Međutim, kemijska revolucija koju je pokrenuo Antoine Lavoisier učinila je ideju o granularnoj strukturi materije općenito prihvaćenom.

Otkriće složene strukture drevnih elemenata - vode i zraka - konačno je opovrglo Aristotelovu teoriju. Krajem XNUMX. vijeka zakon održanja mase i vjerovanje u nemogućnost transformacije elemenata također nije izazivao primjedbe. Vage su postale standardna oprema u hemijskoj laboratoriji.

6. John Dalton (1766-1844)

Zahvaljujući njegovoj upotrebi, uočeno je da se elementi međusobno kombinuju, formirajući određena hemijska jedinjenja u konstantnim masenim proporcijama (bez obzira na njihovo poreklo – prirodno ili veštački dobijeno – i način sinteze).

Ovo zapažanje je postalo lako objašnjivo ako pretpostavimo da se materija sastoji od nedjeljivih dijelova koji čine jednu cjelinu. atomi. Tvorac moderne teorije atoma, Džon Dalton (1766-1844) (6), išao je tim putem. Naučnik je 1808. izjavio da:

1. Atomi su neuništivi i nepromjenjivi (ovo je, naravno, isključilo mogućnost alhemijskih transformacija).
2. Sva materija je sastavljena od nedjeljivih atoma.
3. Svi atomi datog elementa su isti, odnosno imaju isti oblik, masu i svojstva. Međutim, različiti elementi se sastoje od različitih atoma.
4. U hemijskim reakcijama menja se samo način spajanja atoma iz kojih se grade molekuli hemijskih jedinjenja – u određenim razmerama (7).

Još jedno otkriće, takođe zasnovano na posmatranju toka hemijskih promena, bila je hipoteza italijanskog fizičara Amadea Avogadra. Naučnik je došao do zaključka da jednake zapremine gasova pod istim uslovima (pritisak i temperatura) sadrže isti broj molekula. Ovo otkriće omogućilo je utvrđivanje formula mnogih hemijskih jedinjenja i određivanje mase atomi.

7. Atomski simboli koje koristi Dalton (Novi sistem kemijske filozofije, 1808.)

8. Platonska tijela - simboli atoma drevnih "elemenata" (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Koliko puta rezati?

Pojava ideje atoma bila je povezana s pitanjem: "Ima li kraja podjele materije?". Na primjer, uzmimo jabuku prečnika 10 cm i nož i počnemo rezati voće. Prvo na pola, pa pola jabuke na još dva dijela (paralelno s prethodnim rezom) itd. Nakon nekoliko puta, naravno, završit ćemo, ali ništa nas ne sprječava da nastavimo eksperiment u mašti jednog atoma? Hiljadu, milion, možda i više?

Nakon što pojedemo narezanu jabuku (ukusno!), krenimo s proračunima (oni koji poznaju koncept geometrijske progresije imat će manje problema). Prva podjela će nam dati polovinu voća debljine 5 cm, sljedeći rez će nam dati krišku debljine 2,5 cm, itd... 10 tučenih! Stoga "put" u svijet atoma nije dug.

*) Koristite nož sa beskonačno tankom oštricom. U stvari, takav objekat ne postoji, ali pošto je Albert Ajnštajn u svom istraživanju razmatrao vozove koji se kreću brzinom svetlosti, takođe nam je dozvoljeno - za potrebe misaonog eksperimenta - da napravimo gornju pretpostavku.

Platonski atomi

Platon, jedan od najvećih umova antike, opisao je atome od kojih su elementi trebali biti sastavljeni u dijalogu Timahosa. Ove formacije su imale oblik pravilnih poliedara (Platonova tijela). Dakle, tetraedar je bio atom vatre (kao najmanji i najisparljiviji), oktaedar je bio atom zraka, a ikosaedar je bio atom vode (sva čvrsta tijela imaju zidove od jednakostraničnih trokuta). Kocka kvadrata je atom zemlje, a dodekaedar peterokuta je atom idealnog elementa - nebeskog etra (8).