Z atomem przez wieki - część 1

Ostatni wiek jest często określany mianem „wieku atomu”. W tym niezbyt odległym czasie ostatecznie udowodniono istnienie „cegieł”, z których składa się otaczający nas świat, a drzemiące w nich siły zostały uwolnione. Sama idea atomu ma jednak bardzo długą historię, a opowieści o historii poznania budowy materii nie można rozpocząć inaczej niż słowami nawiązującymi do starożytności.

1. Fragment fresku Rafaela „Szkoła ateńska”, przedstawiający Platona (po prawej filozof ma rysy Leonarda da Vinci) i Arystotelesa

"Już stary..."

…filozofowie doszli do wniosku, że cała przyroda składa się z niedostrzegalnie małych cząstek. Oczywiście w tamtym czasie (i jeszcze długo po tym) naukowcy nie mieli możliwości sprawdzenia swoich założeń. Były jedynie próbą wyjaśnienia obserwacji przyrody i odpowiedzi na pytanie: „Czy materia może rozpadać się w nieskończoność, czy też istnieje koniec rozszczepienia?«

Odpowiedzi udzielano w różnych kręgach kulturowych (przede wszystkim w starożytnych Indiach), jednak wpływ na rozwój nauki miały badania filozofów greckich. W zeszłorocznych, wakacyjnych numerach „Młodego Technika” czytelnicy poznali wielowiekową historię odkrywania pierwiastków („Niebezpieczeństwa żywiołów”, MT 7-9/2014), która również rozpoczęła się w starożytnej Grecji. Już w VII wieku pne głównego składnika, z którego zbudowana jest materia (pierwiastek, pierwiastek), poszukiwano w różnych substancjach: wodzie (Tales), powietrzu (Anaksymenes), ogniu (Heraklit) czy ziemi (Ksenofanes).

Empedokles pogodził je wszystkie, stwierdzając, że materia składa się nie z jednego, ale z czterech elementów. Arystoteles (I wpne) dodał kolejną idealną substancję - eter, który wypełnia cały wszechświat, i zadeklarował możliwość transformacji pierwiastków. Z drugiej strony Ziemia, znajdująca się w centrum wszechświata, była obserwowana przez niebo, które zawsze było niezmienne. Dzięki autorytetowi Arystotelesa ta teoria budowy materii i całości była uważana za słuszną przez ponad dwa tysiące lat. Stał się między innymi podstawą rozwoju alchemii, a co za tym idzie samej chemii (1).

2. Popiersie Demokryta z Abdery (460-370 pne)

Jednak równolegle rozwinęła się również inna hipoteza. Leukippos (XX w. p.n.e.) uważał, że materia składa się z bardzo małe cząstki poruszając się w próżni. Poglądy filozofa rozwinął jego uczeń - Demokryt z Abdery (ok. 460-370 pne) (2). Nazwał „bloki”, z których składają się atomy materii (gr. atomos = niepodzielny). Twierdził, że są niepodzielne i niezmienne, a ich liczba we wszechświecie jest stała. Atomy poruszają się w próżni.

Kiedy atomy są połączone (systemem haczyków i oczek) - powstają wszelkiego rodzaju ciała, a gdy są oddzielone od siebie - ciała ulegają zniszczeniu. Demokryt uważał, że istnieje nieskończenie wiele rodzajów atomów, różniących się kształtem i rozmiarem. Właściwości atomów określają właściwości substancji, na przykład słodki miód składa się z atomów gładkich, a ocet kwaśny składa się z kanciastych; ciała białe tworzą gładkie atomy, a ciała czarne tworzą atomy o szorstkiej powierzchni.

Sposób łączenia materiału wpływa również na właściwości materii: w ciałach stałych atomy ściśle przylegają do siebie, aw ciałach miękkich są ułożone luźno. Kwintesencją poglądów Demokryta jest stwierdzenie: „W rzeczywistości jest tylko pustka i atomy, wszystko inne jest iluzją”.

W późniejszych wiekach poglądy Demokryta rozwijali kolejni filozofowie, pewne odniesienia znajdują się także w pismach Platona. Epikur - jeden z następców - nawet w to wierzył atomy składają się z jeszcze mniejszych składników („cząstek elementarnych”). Jednak atomistyczna teoria budowy materii przegrała z elementami Arystotelesa. Klucz — już wtedy — tkwił w doświadczeniu. Dopóki nie było narzędzi potwierdzających istnienie atomów, łatwo było obserwować przemiany pierwiastków.

Na przykład: po podgrzaniu wody (zimny i mokry element), uzyskaniu powietrza (gorąca i mokra para), a na dnie naczynia pozostała gleba (zimne i suche wytrącanie substancji rozpuszczonych w wodzie). Brakujących właściwości - ciepła i suchości - dostarczał ogień, który ogrzewał naczynie.

Niezmienność i stała liczba atomów zaprzeczali również obserwacjom, ponieważ uważano, że drobnoustroje pojawiają się „z niczego” aż do XIX wieku. Poglądy Demokryta nie dawały podstaw do eksperymentów alchemicznych związanych z przemianą metali. Trudno było też wyobrazić sobie i zbadać nieskończoną różnorodność rodzajów atomów. Elementarna teoria wydawała się znacznie prostsza i bardziej przekonująco wyjaśniała otaczający świat.

3. Portret Roberta Boyle'a (1627–1691) autorstwa J. Kersebooma.

Upadek i odrodzenie

Przez wieki teoria atomowa wyróżniała się z głównego nurtu nauki. Ostatecznie jednak nie umarła, jej idee przetrwały, docierając do europejskich naukowców w postaci arabskich tłumaczeń filozoficznych starożytnych pism. Wraz z rozwojem ludzkiej wiedzy podstawy teorii Arystotelesa zaczęły się kruszyć. Układ heliocentryczny Mikołaja Kopernika, pierwsze obserwacje pojawiających się znikąd supernowych (Tycho de Brache), odkrycie praw ruchu planet (Johannes Kepler) i księżyców Jowisza (Galileo) sprawiły, że w XVI i XVII wieku ludzie przestali żyć pod niebem niezmienionym od początku świata. Także na ziemi skończyły się poglądy Arystotelesa.

Wielowiekowe próby alchemików nie przyniosły oczekiwanych rezultatów – nie udało im się zamienić zwykłych metali w złoto. Coraz więcej naukowców kwestionowało istnienie samych pierwiastków i przypominało sobie teorię Demokryta.

4. Eksperyment z 1654 roku na półkulach magdeburskich dowiódł istnienia próżni i ciśnienia atmosferycznego (16 koni nie może rozbić sąsiednich półkul, z których wypompowywano powietrze!)

Robert Boyle w 1661 r. podał praktyczną definicję pierwiastka chemicznego jako substancji, której nie można rozłożyć na składniki za pomocą analizy chemicznej (3). Uważał, że materia składa się z małych, stałych i niepodzielnych cząstek, które różnią się kształtem i rozmiarem. Łącząc się, tworzą cząsteczki związków chemicznych, z których składa się materia.

Boyle nazwał te maleńkie cząsteczki korpuskułami lub „ciałkami” (zdrobnienie od łacińskiego słowa corpus = ciało). Niewątpliwy wpływ na poglądy Boyle'a miało wynalezienie pompy próżniowej (Otto von Guericke, 1650) oraz udoskonalenie pomp tłokowych do sprężania powietrza. Istnienie próżni i możliwość zmiany odległości (w wyniku kompresji) między cząsteczkami powietrza świadczyły na korzyść teorii Demokryta (4).

Największy naukowiec tamtych czasów, Sir Isaac Newton, był także naukowcem atomowym. (5). Opierając się na poglądach Boyle'a, wysunął hipotezę o stopieniu się ciała w większe formacje. Zamiast starożytnego systemu oczek i haczyków, ich wiązanie odbywało się - jakżeby inaczej - grawitacyjnie.

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

W ten sposób Newton połączył oddziaływania w całym Wszechświecie - jedna siła kontrolowała zarówno ruch planet, jak i budowę najmniejszych składników materii. Naukowiec uważał, że światło również składa się z cząstek.

Dziś wiemy, że miał "połowiczną rację" - liczne interakcje między promieniowaniem a materią tłumaczy się przepływem fotonów.

W grę wchodzi chemia

Prawie do końca XIX wieku atomy były prerogatywą fizyków. Jednak dopiero rewolucja chemiczna zapoczątkowana przez Antoine'a Lavoisiera sprawiła, że ​​idea ziarnistej struktury materii została powszechnie przyjęta.

Odkrycie złożonej struktury starożytnych elementów - wody i powietrza - ostatecznie obaliło teorię Arystotelesa. Pod koniec XVIII wieku sprzeciwu nie budziło również prawo zachowania masy i wiara w niemożliwość przemiany pierwiastków. Wagi stały się standardowym wyposażeniem laboratorium chemicznego.

6. John Dalton (1766-1844)

Dzięki jego zastosowaniu zauważono, że pierwiastki łączą się ze sobą, tworząc określone związki chemiczne w stałych proporcjach masowych (niezależnie od ich pochodzenia – naturalnego czy uzyskanego sztucznie – i metody syntezy).

Ta obserwacja stała się łatwa do wyjaśnienia, jeśli założymy, że materia składa się z niepodzielnych części, które tworzą jedną całość. atomy. Tą drogą poszedł twórca nowożytnej teorii atomu, John Dalton (1766-1844) (6). Naukowiec w 1808 roku stwierdził, że:

1. Atomy są niezniszczalne i niezmienne (to oczywiście wykluczyło możliwość alchemicznych przemian).
2. Cała materia składa się z niepodzielnych atomów.
3. Wszystkie atomy danego pierwiastka są takie same, to znaczy mają ten sam kształt, masę i właściwości. Jednak różne pierwiastki składają się z różnych atomów.
4. W reakcjach chemicznych zmienia się tylko sposób łączenia atomów, z których zbudowane są cząsteczki związków chemicznych - w określonych proporcjach (7).

Kolejnym odkryciem, również opartym na obserwacji przebiegu przemian chemicznych, była hipoteza włoskiego fizyka Amadeo Avogadro. Naukowiec doszedł do wniosku, że równe objętości gazów w tych samych warunkach (ciśnienie i temperatura) zawierają taką samą liczbę cząsteczek. Odkrycie to umożliwiło ustalenie wzorów wielu związków chemicznych i wyznaczenie ich mas atomy.

7. Symbole atomowe używane przez Daltona (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Bryły platońskie - symbole atomów starożytnych "pierwiastków" (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Ile razy ciąć?

Pojawienie się idei atomu wiązało się z pytaniem: „Czy istnieje koniec podziału materii?”. Na przykład weźmy jabłko o średnicy 10 cm i nóż i zacznijmy kroić owoc. Najpierw na pół, potem pół jabłka na dwie kolejne części (równolegle do poprzedniego cięcia) itp. Po kilku razach oczywiście skończymy, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby kontynuować eksperyment w wyobraźni jednego atomu? Tysiąc, milion, może więcej?

Po zjedzeniu pokrojonego jabłka (pyszne!), przystępujemy do obliczeń (mniej kłopotu będą mieli ci, którzy znają pojęcie postępu geometrycznego). Pierwsze dzielenie da nam połowę owocu o grubości 5 cm, kolejne cięcie da nam plasterek o grubości 2,5 cm itd.… 10 ubitych! Dlatego „droga” do świata atomów nie jest długa.

*) Użyj noża z nieskończenie cienkim ostrzem. W rzeczywistości taki obiekt nie istnieje, ale skoro Albert Einstein w swoich badaniach rozważał pociągi poruszające się z prędkością światła, wolno nam również – na potrzeby eksperymentu myślowego – przyjąć powyższe założenie.

Atomy platońskie

Platon, jeden z największych umysłów starożytności, w dialogu Timacha opisał atomy, z których miały się składać pierwiastki. Formacje te miały postać wielościanów foremnych (brył platońskich). Tak więc czworościan był atomem ognia (jako najmniejszy i najbardziej lotny), ośmiościan był atomem powietrza, a dwudziestościan był atomem wody (wszystkie ciała stałe mają ściany trójkątów równobocznych). Sześcian z kwadratów to atom ziemi, a dwunastościan z pięciokątów to atom pierwiastka idealnego - eteru niebieskiego (8).