S atomom kroz vjekove - 1. dio

Prošlo stoljeće često se naziva "dobom atoma". U to ne tako davno vrijeme konačno je dokazano postojanje “cigli” koje čine svijet oko nas, a sile koje su u njima uspavane oslobođene su. Sama ideja o atomu, međutim, ima vrlo dugu povijest, a priča o povijesti spoznaje strukture materije ne može se započeti drugačije nego riječima koje se odnose na antiku.

1. Fragment Rafaelove freske "Atenska škola", koja prikazuje Platona (s desne strane, filozof ima osobine Leonarda da Vincija) i Aristotela

"Već stara..."

…filozofi su došli do zaključka da se sva priroda sastoji od neprimjetno malih čestica. Naravno, u to vrijeme (i još dugo nakon toga) znanstvenici nisu imali priliku testirati svoje pretpostavke. Oni su bili samo pokušaj da se objasne promatranja prirode i odgovori na pitanje: "Može li se materija raspadati unedogled ili ima kraja fisiji?«

Odgovori su davani u različitim kulturnim krugovima (prije svega u staroj Indiji), ali na razvoj znanosti utjecala su istraživanja grčkih filozofa. U prošlogodišnjim prazničnim brojevima “Mladog tehničara” čitatelji su se upoznali sa višestoljetnom poviješću otkrivanja elemenata (“Opasnosti s elementima”, MT 7-9/2014.) koja također počinje u staroj Grčkoj. Još u XNUMX. stoljeću prije Krista glavni sastojak od kojeg je građena materija (element, element) tražen je u raznim supstancama: vodi (Tales), zraku (Anaksimen), vatri (Heraklit) ili zemlji (Ksenofan).

Empedoklo ih je sve pomirio, izjavivši da se materija ne sastoji od jednog, već od četiri elementa. Aristotel (1. st. pr. Kr.) je dodao još jednu idealnu tvar - eter, koja ispunjava cijeli svemir, i proglasio mogućnost preobrazbe elemenata. S druge strane, Zemlju, koja se nalazi u središtu svemira, promatralo je nebo koje je uvijek bilo nepromijenjeno. Zahvaljujući autoritetu Aristotela, ova teorija o strukturi materije i cjeline smatrana je ispravnom više od dvije tisuće godina. Postao je, između ostalog, osnova za razvoj alkemije, a time i same kemije (XNUMX).

2. Poprsje Demokrita iz Abdere (460.-370. pr. Kr.)

Međutim, paralelno je razvijena i druga hipoteza. Leukip (XNUMX. stoljeće pr. Kr.) je vjerovao da se materija sastoji od vrlo male čestice kretanje u vakuumu. Poglede filozofa razvio je njegov učenik - Demokrit iz Abdere (oko 460.-370. pr. Kr.) (2). On je “blokove” koji čine materiju nazvao atomima (grčki atomos = nedjeljiv). Tvrdio je da su nedjeljivi i nepromjenjivi, te da je njihov broj u svemiru stalan. Atomi se kreću u vakuumu.

Kada atomi spajaju se (sustavom kukica i ušica) - nastaju svakakva tijela, a kada se međusobno odvoje - tijela se uništavaju. Demokrit je vjerovao da postoji beskonačno mnogo vrsta atoma koji se razlikuju po obliku i veličini. Karakteristike atoma određuju svojstva tvari, npr. slatki med je sastavljen od glatkih atoma, a kiseli ocat od uglatih; bijela tijela tvore glatke atome, a crna tijela tvore atome s hrapavom površinom.

Način na koji je materijal spojen također utječe na svojstva materije: u čvrstim tijelima atomi su tijesno jedan uz drugi, au mekim tijelima labavo. Kvintesencija Demokritovih pogleda je izjava: "U stvari, postoje samo praznina i atomi, sve ostalo je iluzija."

U kasnijim stoljećima, Demokritova gledišta razvijali su filozofi koji su se smjenjivali, a neke reference se također nalaze u Platonovim spisima. U to je vjerovao i Epikur - jedan od nasljednika atomi sastoje se od još manjih komponenti (“elementarnih čestica”). Međutim, atomistička teorija strukture materije izgubila je od Aristotelovih elemenata. Ključ je — već tada — pronađen u iskustvu. Sve dok nije bilo alata za potvrđivanje postojanja atoma, transformacije elemenata mogle su se lako promatrati.

Na primjer: pri zagrijavanju vode (hladni i mokri element) dobiva se zrak (vruća i mokra para), a na dnu posude ostaje zemlja (hladna i suha taloženja tvari otopljenih u vodi). Svojstva koja su nedostajala - toplinu i suhoću - osigurala je vatra koja je grijala posudu.

Invarijantnost i konstanta broj atoma također su bili u suprotnosti s opažanjima, jer se smatralo da se mikrobi pojavljuju "ni iz čega" sve do XNUMX. stoljeća. Demokritova gledišta nisu pružala nikakvu osnovu za alkemijske pokuse vezane uz pretvorbu metala. Također je bilo teško zamisliti i proučavati beskonačnu raznolikost vrsta atoma. Elementarna teorija činila se mnogo jednostavnijom i uvjerljivije je objašnjavala okolni svijet.

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

Pad i ponovno rođenje

Stoljećima se atomska teorija izdvajala od glavne struje znanosti. No, ona nije konačno umrla, njezine su ideje preživjele, stižući do europskih znanstvenika u obliku arapskih filozofskih prijevoda starih spisa. S razvojem ljudskog znanja počeli su se urušavati temelji Aristotelove teorije. Heliocentrični sustav Nikole Kopernika, prva opažanja supernova (Tycho de Brache) koje se pojavljuju niotkuda, otkriće zakona gibanja planeta (Johannes Kepler) i Jupiterovih mjeseca (Galileo) značilo je da će u šesnaestom i sedamnaestom st. stoljeća ljudi su prestali živjeti pod nebom nepromijenjeni od postanka svijeta. I na zemlji je bio kraj Aristotelovih pogleda.

Stoljetni pokušaji alkemičara nisu donijeli očekivane rezultate – obične metale nisu uspjeli pretvoriti u zlato. Sve više i više znanstvenika dovodilo je u pitanje postojanje samih elemenata i sjetilo se Demokritove teorije.

4. Eksperiment iz 1654. godine s magdeburškim hemisferama dokazao je postojanje vakuuma i atmosferskog tlaka (16 konja ne može razbiti susjedne hemisfere iz kojih je ispumpavan zrak!)

Robert Boyle 1661. godine dao je praktičnu definiciju kemijskog elementa kao tvari koja se kemijskom analizom ne može rastaviti na svoje komponente (3). Smatrao je da se materija sastoji od malih, čvrstih i nedjeljivih čestica koje se razlikuju po obliku i veličini. Kombinirajući se, oni tvore molekule kemijskih spojeva koji čine tvar.

Boyle je ove sićušne čestice nazvao korpuskulama ili "tjelescima" (deminutiv od latinske riječi corpus = tijelo). Na Boyleova stajališta nesumnjivo je utjecao izum vakuumske pumpe (Otto von Guericke, 1650.) i poboljšanje klipnih pumpi za kompresiju zraka. Postojanje vakuuma i mogućnost promjene udaljenosti (kao rezultat kompresije) između čestica zraka svjedočili su u prilog Demokritovoj teoriji (4).

Najveći znanstvenik tog vremena, Sir Isaac Newton, također je bio atomski znanstvenik. (5). Na temelju Boyleovih pogleda, iznio je hipotezu o spajanju tijela u veće formacije. Umjesto prastarog sustava ušica i kukica, njihovo je vezivanje bilo – kako drugačije – gravitacijskim.

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

Time je Newton objedinio međudjelovanja u cijelom Svemiru – jedna je sila kontrolirala i kretanje planeta i strukturu najsitnijih sastavnica materije. Znanstvenik je vjerovao da se svjetlost također sastoji od korpuskula.

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

Kemija dolazi u obzir

Gotovo do kraja XNUMX. stoljeća atomi su bili prerogativ fizičara. Međutim, kemijska revolucija koju je pokrenuo Antoine Lavoisier učinila je općeprihvaćenom ideju o granularnoj strukturi materije.

Otkriće složene strukture drevnih elemenata - vode i zraka - konačno je opovrglo Aristotelovu teoriju. Krajem XNUMX. stoljeća zakon o održanju mase i uvjerenje o nemogućnosti pretvorbe elemenata također nisu izazivali prigovore. Vage su postale standardna oprema u kemijskom laboratoriju.

6. John Dalton (1766.-1844.)

Zahvaljujući njegovoj uporabi uočeno je da se elementi međusobno spajaju tvoreći određene kemijske spojeve u stalnim masenim omjerima (bez obzira na podrijetlo - prirodno ili umjetno dobiveno - i način sinteze).

Ovo zapažanje postalo je lako objašnjivo ako pretpostavimo da se materija sastoji od nedjeljivih dijelova koji čine jedinstvenu cjelinu. atomi. Tvorac moderne teorije atoma John Dalton (1766.-1844.) (6) slijedio je taj put. Znanstvenik je 1808. godine izjavio:

1. Atomi su neuništivi i nepromjenjivi (ovo je, naravno, isključilo mogućnost alkemijskih transformacija).
2. Sva je materija sastavljena od nedjeljivih atoma.
3. Svi atomi danog elementa su isti, odnosno imaju isti oblik, masu i svojstva. Međutim, različiti elementi sastoje se od različitih atoma.
4. U kemijskim reakcijama mijenja se samo način spajanja atoma od kojih se grade molekule kemijskih spojeva – u određenim omjerima (7).

Drugo otkriće, također temeljeno na promatranju tijeka kemijskih promjena, bila je hipoteza talijanskog fizičara Amadea Avogadra. Znanstvenik je došao do zaključka da jednaki volumeni plinova pod istim uvjetima (tlak i temperatura) sadrže isti broj molekula. Ovo otkriće omogućilo je utvrđivanje formula mnogih kemijskih spojeva i određivanje masa atomi.

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

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

Koliko puta rezati?

Pojava ideje o atomu povezana je s pitanjem: "Ima li kraja podjeli materije?". Na primjer, uzmimo jabuku promjera 10 cm i nož te počnemo rezati voće. Prvo, na pola, zatim 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? Tisuću, milijun, možda i više?

Nakon što pojedemo narezanu jabuku (ukusno!), krenimo s računanjem (oni koji poznaju koncept geometrijske progresije imat će manje problema). Prva podjela će nam dati polovicu ploda debljine 5 cm, sljedeći rez će nam dati krišku debljine 2,5 cm itd. ... 10 tučenih! Stoga „put“ do svijeta atoma nije dug.

*) Koristite nož s beskonačno tankom oštricom. Zapravo, takav objekt ne postoji, ali budući da je Albert Einstein u svojim istraživanjima razmatrao vlakove koji se kreću brzinom svjetlosti, i nama je dopušteno - za potrebe misaonog eksperimenta - iznijeti gornju pretpostavku.

Platonovi atomi

Platon, jedan od najvećih umova antike, opisao je atome od kojih su elementi trebali biti sastavljeni u dijalogu o Timachu. Te su tvorevine imale oblik pravilnih poliedra (platonskih tijela). Dakle, tetraedar je bio atom vatre (kao najmanji i najhlapljiviji), oktaedar je bio atom zraka, a ikosaedar je bio atom vode (sva čvrsta tijela imaju stijenke jednakostraničnog trokuta). Kocka kvadrata je atom zemlje, a dodekaedar peterokuta je atom idealnog elementa - nebeskog etera (8).