Egy atommal a korokon át – 1. rész

A múlt századot gyakran „az atom korának” nevezik. Abban a nem túl távoli időben végre bebizonyosodott a körülöttünk lévő világot alkotó „téglák” létezése, és felszabadultak a bennük szunnyadó erők. Maga az atom gondolata azonban nagyon hosszú múltra tekint vissza, és az anyag szerkezetének ismerettörténetének története nem is indítható másként, mint az ókorra utaló szavakkal.

1. Rafael „Athén iskola” című freskójának egy töredéke, amely Platónt (jobbra a filozófus Leonardo da Vinci vonásaival) és Arisztotelészt ábrázolja

"Már öreg..."

…a filozófusok arra a következtetésre jutottak, hogy az egész természet észrevehetetlenül apró részecskékből áll. Természetesen akkoriban (és utána még sokáig) a tudósoknak nem volt lehetőségük feltevéseik tesztelésére. Csak kísérlet volt a természet megfigyelései magyarázatára és a kérdés megválaszolására: "Az anyag végtelenségig bomlik, vagy a hasadásnak van vége?«

Különféle kultúrkörökben (elsősorban az ókori Indiában) születtek válaszok, de a tudomány fejlődését a görög filozófusok tanulmányai is befolyásolták. A Fiatal Technikus tavalyi ünnepi számaiban az olvasók megismerkedhettek az elemek felfedezésének évszázados történetével ("Veszélyek az elemekkel", MT 7-9/2014), amely szintén az ókori Görögországban kezdődött. Az ie XNUMX. században a fő alkotóelemet, amelyből az anyag (elem, elem) épül, különféle anyagokban keresték: vízben (Thalész), levegőben (Anaximenes), tűzben (Hérakleitosz) vagy földben (Xenophanész).

Empedoklész mindet kibékítette, kijelentve, hogy az anyag nem egy, hanem négy elemből áll. Arisztotelész (Kr. e. 1. század) hozzáadott egy másik ideális anyagot - az étert, amely kitölti az egész univerzumot, és kijelentette az elemek átalakulásának lehetőségét. Másrészt a világegyetem középpontjában elhelyezkedő Földet az égbolt figyelte meg, amely mindig változatlan volt. Arisztotelész tekintélyének köszönhetően az anyag szerkezetének és az egésznek ezt az elméletét több mint kétezer évig helyesnek tartották. Többek között az alkímia, tehát magának a kémiának az alapja lett (XNUMX).

2. Abderai Démokritosz mellszobra (i.e. 460-370)

Ezzel párhuzamosan azonban egy másik hipotézis is kidolgozásra került. Leukipposz (Kr. e. XNUMX. század) úgy gondolta, hogy az anyag abból áll nagyon apró részecskék légüres térben mozog. A filozófus nézeteit tanítványa - Abderai Démokritosz (i. e. 460-370) alakította ki (2). Az anyagot alkotó „tömböket” atomoknak nevezte (görögül atomos = oszthatatlan). Azzal érvelt, hogy oszthatatlanok és változatlanok, és számuk az univerzumban állandó. Az atomok vákuumban mozognak.

Mikor atomok össze vannak kötve (kampók és szemek rendszerével) - mindenféle test keletkezik, és amikor elválik egymástól - a testek megsemmisülnek. Démokritosz úgy vélte, hogy végtelenül sokféle atom létezik, amelyek alakjukban és méretükben különböznek egymástól. Az atomok tulajdonságai határozzák meg az anyag tulajdonságait, például az édes méz sima atomokból, a savanyú ecet pedig szögletes atomokból áll; a fehér testek sima, a fekete testek pedig érdes felületű atomokat alkotnak.

Az anyag összekapcsolásának módja is befolyásolja az anyag tulajdonságait: szilárd testekben az atomok szorosan egymás mellett, a lágy testekben lazán helyezkednek el. Démokritosz nézeteinek kvintesszenciája a következő kijelentés: "Valójában csak üresség és atomok vannak, minden más csak illúzió."

A későbbi évszázadokban Démokritosz nézeteit egymást követő filozófusok alakították ki, néhány utalás megtalálható Platón írásaiban is. Epikurosz – az egyik utód – még ezt is elhitte atomok még kisebb komponensekből („elemi részecskékből”) állnak. Az anyag szerkezetének atomisztikus elmélete azonban elveszett Arisztotelész elemei előtt. A kulcsot – már akkor – a tapasztalatban találtuk meg. Amíg nem voltak eszközök az atomok létezésének megerősítésére, az elemek átalakulása könnyen megfigyelhető volt.

Például: amikor vizet melegítettek (hideg és nedves elem), levegőt kaptak (forró és nedves gőz), és talaj maradt az edény alján (a vízben oldott anyagok hideg és száraz kicsapódása). A hiányzó tulajdonságokat - melegséget és szárazságot - a tűz biztosította, amely felmelegítette az edényt.

Változatlanság és állandó atomok száma a megfigyeléseknek is ellentmondtak, hiszen a mikrobákat a XNUMX. századig "a semmiből" gondolták elő. Démokritosz nézetei nem adtak alapot a fémek átalakulásával kapcsolatos alkímiai kísérletekhez. Nehéz volt elképzelni és tanulmányozni is az atomok végtelen sokféleségét. Az elemi elmélet sokkal egyszerűbbnek tűnt, és meggyőzőbben magyarázta a környező világot.

3. Robert Boyle (1627–1691) portréja, J. Kerseboom.

Bukás és újjászületés

Az atomelmélet évszázadok óta elkülönült a mainstream tudománytól. Végül azonban nem halt meg, ötletei fennmaradtak, és az ókori írások arab filozófiai fordításai formájában eljutottak az európai tudósokhoz. Az emberi tudás fejlődésével Arisztotelész elméletének alapjai kezdtek összeomlani. Nicolaus Kopernikusz heliocentrikus rendszere, a semmiből keletkező szupernóvák (Tycho de Brache) első megfigyelései, a bolygók (Johannes Kepler) és a Jupiter holdjai (Galileo) mozgástörvényeinek felfedezése azt jelentette, hogy a XVI-XVI. évszázadok óta az emberek a világ kezdete óta változatlanul megszűntek az ég alatt élni. A földön is véget ért Arisztotelész nézetei.

Az alkimisták évszázados próbálkozásai nem hozták meg a várt eredményeket – nem sikerült a közönséges fémeket arannyá alakítaniuk. Egyre több tudós kérdőjelezte meg maguknak az elemeknek a létezését, és eszébe jutott Démokritosz elmélete.

4. Az 1654-es kísérlet a magdeburgi féltekékkel bebizonyította a vákuum és a légköri nyomás létezését (16 ló nem tudja feltörni a szomszédos féltekéket, amelyekből a levegőt kiszivattyúzták!)

Robert Boyle 1661-ben gyakorlati definíciót adott a kémiai elemre, mint olyan anyagra, amely kémiai elemzéssel nem bontható fel összetevőire (3). Úgy vélte, hogy az anyag apró, szilárd és oszthatatlan részecskékből áll, amelyek alakja és mérete különbözik. Egyesülve kémiai vegyületek molekuláit képezik, amelyek anyagot alkotnak.

Boyle ezeket az apró részecskéket korpuszkuláknak vagy "testeknek" (a latin corpus = test szó kicsinyítő szava) nevezte. Boyle nézeteit kétségtelenül befolyásolta a vákuumszivattyú feltalálása (Otto von Guericke, 1650) és a levegő sűrítésére szolgáló dugattyús szivattyúk továbbfejlesztése. A vákuum megléte és a levegőrészecskék közötti távolság (sűrítés hatására) megváltoztatásának lehetősége Demokritosz elmélete mellett tanúskodott (4).

A kor legnagyobb tudósa, Sir Isaac Newton is atomtudós volt. (5). Boyle nézetei alapján hipotézist állított fel a test nagyobb képződményekké való összeolvadásáról. A fűzőszemek és horgok ősi rendszere helyett - hogyan másként - a gravitáció.

5. Sir Isaac Newton (1642-1727) portréja, G. Kneller.

Így Newton egyesítette a kölcsönhatásokat az egész Univerzumban - egyetlen erő irányította a bolygók mozgását és az anyag legkisebb összetevőinek szerkezetét. A tudós úgy vélte, hogy a fény is testtestekből áll.

Ma már tudjuk, hogy "félig igaza volt" – a sugárzás és az anyag közötti számos kölcsönhatást a fotonok áramlása magyarázza.

A kémia jön szóba

Szinte a XNUMX. század végéig az atomok a fizikusok kiváltsága voltak. Azonban az Antoine Lavoisier által kezdeményezett kémiai forradalom tette általánosan elfogadottá az anyag szemcsés szerkezetének gondolatát.

Az ókori elemek – víz és levegő – összetett szerkezetének felfedezése végül megcáfolta Arisztotelész elméletét. A XNUMX. század végén a tömegmegmaradás törvénye és az elemek átalakulásának lehetetlenségébe vetett hit sem okozott kifogást. A mérlegek a vegyi laboratórium alapfelszereltségévé váltak.

6. John Dalton (1766-1844)

Használatának köszönhetően észrevették, hogy az elemek egyesülnek egymással, állandó tömegarányban (természetes vagy mesterségesen nyert eredetüktől és a szintézis módjától függetlenül) bizonyos kémiai vegyületeket képezve.

Ez a megfigyelés könnyen megmagyarázhatóvá vált, ha feltételezzük, hogy az anyag oszthatatlan részekből áll, amelyek egyetlen egészet alkotnak. atomok. A modern atomelmélet megalkotója, John Dalton (1766-1844) (6) ezt az utat követte. Egy tudós 1808-ban kijelentette, hogy:

1. Az atomok elpusztíthatatlanok és megváltoztathatatlanok (ez persze kizárta az alkímiai átalakulások lehetőségét).
2. Minden anyag oszthatatlan atomokból áll.
3. Egy adott elem minden atomja azonos, azaz azonos alakkal, tömeggel és tulajdonságokkal rendelkezik. A különböző elemek azonban különböző atomokból állnak.
4. A kémiai reakciókban csak az atomok összekapcsolásának módja változik meg, amelyből kémiai vegyületek molekulái épülnek fel - bizonyos arányokban (7).

Egy másik felfedezés, amely szintén a kémiai változások lefolyásának megfigyelésén alapult, Amadeo Avogadro olasz fizikus hipotézise volt. A tudós arra a következtetésre jutott, hogy azonos térfogatú gázok azonos körülmények között (nyomás és hőmérséklet) azonos számú molekulát tartalmaznak. Ez a felfedezés lehetővé tette számos kémiai vegyület képletének megállapítását és a tömegek meghatározását atomok.

7. Dalton által használt atomi szimbólumok (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platóni szilárd testek - az ősi "elemek" atomjainak szimbólumai (Wikipédia, szerző: Maxim Pe)

Hányszor kell vágni?

Az atom gondolatának megjelenése a következő kérdéssel függött össze: "Vége van az anyag megosztásának?". Például vegyünk egy 10 cm átmérőjű almát és egy kést, és kezdjük el szeletelni a gyümölcsöt. Először félbe, majd egy fél almát még két részre (az előző vágással párhuzamosan), stb. Néhány alkalom után persze befejezzük, de semmi sem akadályoz abban, hogy egy atom képzeletében folytassuk a kísérletet? Ezer, millió, esetleg több?

Egy szeletelt alma elfogyasztása után (finom!) kezdjük el a számításokat (aki ismeri a geometriai progresszió fogalmát, annak kevesebb gondja lesz). Az első felosztásnál a fele 5 cm vastag gyümölcs, a következő vágásnál egy 2,5 cm vastag szelet stb... 10 felvert! Ezért az atomok világába vezető „út” nem hosszú.

*) Használjon végtelenül vékony pengéjű kést. Valójában ilyen objektum nem létezik, de mivel Albert Einstein kutatásaiban a fénysebességgel haladó vonatokat vette figyelembe, ezért - gondolatkísérlet céljából - mi is megengedhetjük a fenti feltételezést.

Platóni atomok

Platón, az ókor egyik legnagyobb elméje a Timachos-dialógusban leírta azokat az atomokat, amelyekből az elemeket össze kellett volna állítani. Ezek a képződmények szabályos poliéderek (platoni szilárd testek) formájúak voltak. Tehát a tetraéder tűz atom volt (mint a legkisebb és legillékonyabb), az oktaéder levegő atom, az ikozaéder pedig egy víz atom (minden szilárd test fala egyenlő oldalú háromszögekből áll). A kocka négyzet a föld atomja, az ötszögekből álló dodekaéder pedig egy ideális elem - az égi éter (8) atomja.