Aatomiga läbi aegade – 1. osa

Möödunud sajandit nimetatakse sageli "aatomi vanuseks". Tol mitte väga kaugel ajal sai meid ümbritseva maailma moodustavate “telliste” olemasolu lõplikult tõestatud ja neis uinunud jõud vabastati. Aatomi idee ise on aga väga pika ajalooga ning aine ehituse tundmise ajaloo lugu ei saagi alustada teisiti kui antiikajast viitavate sõnadega.

1. Fragment Raphaeli freskost "Ateena koolkond", mis kujutab Platonit (paremal filosoofil on Leonardo da Vinci näojooned) ja Aristotelest

"Juba vana..."

… filosoofid jõudsid järeldusele, et kogu loodus koosneb märkamatult väikestest osakestest. Muidugi polnud tol ajal (ja veel pikka aega pärast seda) teadlastel võimalust oma oletusi kontrollida. Need olid vaid katse selgitada loodusvaatlusi ja vastata küsimusele: "Kas aine võib lõpmatuseni laguneda või on lõhustumisel lõpp?«

Vastuseid anti erinevates kultuuriringkondades (eelkõige Vana-Indias), kuid teaduse arengut mõjutasid kreeka filosoofide uurimused. Eelmise aasta "Noore tehniku" pühadenumbrites said lugejad teada elementide avastamise sajanditepikkusest ajaloost ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), mis sai alguse samuti Vana-Kreekast. Veel XNUMX. sajandil eKr otsiti põhikomponenti, millest mateeria (element, element) ehitatakse, erinevatest ainetest: veest (Thales), õhust (Anaximenes), tulest (Heraclitus) või maast (Xenophanes).

Empedokles lepitas nad kõik, kuulutades, et mateeria ei koosne ühest, vaid neljast elemendist. Aristoteles (1. sajand eKr) lisas veel ühe ideaalse aine – eetri, mis täidab kogu universumi, ning kuulutas välja elementide muundumise võimaluse. Teisest küljest vaatles universumi keskmes asuvat Maad taevas, mis oli alati muutumatu. Tänu Aristotelese autoriteedile peeti seda mateeria ja terviku struktuuri teooriat õigeks enam kui kaks tuhat aastat. Muuhulgas sai sellest alus alkeemia ja seega ka keemia enda (XNUMX) arengule.

2. Abdera Demokritose büst (460-370 eKr)

Paralleelselt töötati välja aga ka teine ​​hüpotees. Leucippus (XNUMX. sajand eKr) uskus, et aine koosneb väga väikesed osakesed vaakumis liikumine. Filosoofi vaated töötas välja tema õpilane – Abdera Demokritos (umbes 460–370 eKr) (2). Ta nimetas ainet moodustavaid "plokke" aatomiteks (kreeka keeles atomos = jagamatu). Ta väitis, et nad on jagamatud ja muutumatud ning nende arv universumis on konstantne. Aatomid liiguvad vaakumis.

Millal aatomid need on omavahel ühendatud (konksude ja silmade süsteemiga) - tekivad igasugused kehad ja kui need üksteisest eraldatakse - kehad hävivad. Demokritos uskus, et aatomeid on lõpmatult palju, nende kuju ja suurus erinevad. Aatomite omadused määravad ära aine omadused, näiteks magus mesi koosneb siledatest aatomitest, hapu äädikas aga nurgelistest; valged kehad moodustavad siledaid aatomeid ja mustad kehad krobelise pinnaga aatomeid.

Materjali ühendamise viis mõjutab ka aine omadusi: tahketes ainetes on aatomid tihedalt kõrvuti, pehmetes kehades aga lõdvalt. Demokritose seisukohtade kvintessents on väide: "Tegelikult on ainult tühjus ja aatomid, kõik muu on illusioon."

Hilisematel sajanditel arendasid Demokritose vaateid järjestikused filosoofid, mõningaid viiteid leidub ka Platoni kirjutistes. Epikuros – üks järglasi – uskus seda isegi aatomid need koosnevad veelgi väiksematest komponentidest (“elementaarosakestest”). Mateeria struktuuri atomistlik teooria kaotas aga Aristotelese elementidele. Võti – juba siis – leiti kogemusest. Kuni puudusid vahendid aatomite olemasolu kinnitamiseks, oli elementide muundumisi lihtne jälgida.

Näiteks: vee soojendamisel (külm ja märg element) saadi õhku (kuum ja märg aur), anuma põhja jäi muld (vees lahustunud ainete külm ja kuiv sade). Puuduvad omadused – soojuse ja kuivuse – andis tuli, mis anuma soojendas.

Invariantsus ja konstant aatomite arv need olid ka vastuolus tähelepanekutega, kuna arvati, et mikroobid tekkisid "millestki" kuni XNUMX. sajandini. Demokritose seisukohad ei andnud alust metallide muundamisega seotud alkeemilisteks katseteks. Samuti oli raske ette kujutada ja uurida aatomite lõpmatut mitmekesisust. Elementaarteooria tundus palju lihtsam ja ümbritsevat maailma veenvamalt seletav.

3. J. Kerseboomi portree Robert Boyle’ist (1627–1691).

Sügimine ja taassünd

Aatomiteooria on sajandeid seisnud peavooluteadusest lahus. Kuid ta ei surnud lõpuks, tema ideed jäid ellu, jõudes Euroopa teadlasteni iidsete kirjutiste araabiakeelsete filosoofiliste tõlgete kujul. Inimteadmiste arenedes hakkasid Aristotelese teooria alused murenema. Nicolaus Copernicuse heliotsentriline süsteem, esimesed eikusagilt tekkivate supernoovade (Tycho de Brache) vaatlused, planeetide (Johannes Kepler) ja Jupiteri kuude (Galileo) liikumisseaduste avastamine tähendas, et kuueteistkümnendal ja seitsmeteistkümnendal aastal. sajandite jooksul lakkasid inimesed maailma algusest muutumatul kujul elamast taeva all. Ka maa peal oli Aristotelese vaadete lõpp.

Alkeemikute sajanditepikkused katsed ei toonud oodatud tulemusi – neil ei õnnestunud tavalisi metalle kullaks muuta. Üha enam teadlasi seadis kahtluse alla elementide endi olemasolu ja meenus Demokritose teooria.

4. 1654. aasta eksperiment Magdeburgi poolkeradega tõestas vaakumi ja atmosfäärirõhu olemasolu (16 hobust ei suuda lõhkuda naaberpoolkerasid, kust õhku välja pumbati!)

Robert Boyle andis 1661. aastal praktilise definitsiooni keemilisele elemendile kui ainele, mida ei saa keemilise analüüsi abil komponentideks lagundada (3). Ta uskus, et aine koosneb väikestest, tahketest ja jagamatutest osakestest, mis erinevad kuju ja suuruse poolest. Kombineerides moodustavad need keemiliste ühendite molekulid, millest moodustub aine.

Boyle nimetas neid pisikesi osakesi korpuskliteks või "kehadeks" (ladinakeelse sõna corpus = keha deminutiiv). Boyle’i seisukohti mõjutas kahtlemata vaakumpumba leiutamine (Otto von Guericke, 1650) ja õhu kokkusurumiseks kasutatavate kolbpumpade täiustamine. Vaakumi olemasolu ja õhuosakeste vahelise kauguse (kokkusurumise tulemusena) muutmise võimalus andis tunnistust Demokritose teooria kasuks (4).

Tolle aja suurim teadlane Sir Isaac Newton oli samuti aatomiteadlane. (5). Boyle’i seisukohtadele tuginedes esitas ta hüpoteesi keha sulandumise kohta suuremateks koosseisudeks. Iidse aasade ja konksude süsteemi asemel oli nende sidumine – kuidas muidu – raskusjõu abil.

5. Sir Isaac Newtoni (1642-1727) portree, autor G. Kneller.

Nii ühendas Newton vastastikmõjud kogu Universumis – üks jõud kontrollis nii planeetide liikumist kui ka aine kõige väiksemate komponentide ehitust. Teadlane uskus, et ka valgus koosneb kehakestest.

Täna teame, et tal oli "pool õigus" – arvukad vastasmõjud kiirguse ja aine vahel on seletatavad footonite vooluga.

Mängu tuleb keemia

Kuni peaaegu XNUMX. sajandi lõpuni olid aatomid füüsikute eesõigus. Kuid Antoine Lavoisieri algatatud keemiline revolutsioon muutis aine granuleeritud struktuuri idee üldiselt aktsepteeritavaks.

Iidsete elementide – vee ja õhu – keeruka struktuuri avastamine lükkas lõpuks Aristotelese teooria ümber. XNUMX. sajandi lõpul ei tekitanud vastuväiteid ka massi jäävuse seadus ja usk elementide muutumise võimatusesse. Kaalud on muutunud keemialabori standardvarustuseks.

6. John Dalton (1766-1844)

Tänu selle kasutamisele märgati, et elemendid ühinevad üksteisega, moodustades teatud keemilisi ühendeid konstantsetes massiproportsioonides (olenemata nende päritolust - looduslikust või kunstlikult saadud - ja sünteesimeetodist).

See tähelepanek on muutunud kergesti seletatavaks, kui eeldada, et mateeria koosneb jagamatutest osadest, mis moodustavad ühtse terviku. aatomid. Kaasaegse aatomiteooria looja John Dalton (1766-1844) (6) järgis seda teed. Üks teadlane 1808. aastal väitis, et:

1. Aatomid on hävimatud ja muutumatud (see muidugi välistas alkeemiliste transformatsioonide võimaluse).
2. Kogu aine koosneb jagamatutest aatomitest.
3. Kõik antud elemendi aatomid on ühesugused, see tähendab, et neil on sama kuju, mass ja omadused. Erinevad elemendid koosnevad aga erinevatest aatomitest.
4. Keemilistes reaktsioonides muutub ainult aatomite liitumise viis, millest ehitatakse keemiliste ühendite molekulid - teatud proportsioonides (7).

Teine avastus, mis põhines samuti keemiliste muutuste käigu jälgimisel, oli itaalia füüsiku Amadeo Avogadro hüpotees. Teadlane jõudis järeldusele, et samades tingimustes (rõhk ja temperatuur) sisaldavad võrdsed kogused gaase sama palju molekule. See avastus võimaldas määrata paljude keemiliste ühendite valemid ja määrata massid aatomid.

7. Daltoni kasutatud aatomisümbolid (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platoonilised tahked ained – iidsete "elementide" aatomite sümbolid (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Mitu korda lõigata?

Aatomi idee tekkimine oli seotud küsimusega: "Kas aine jagunemisel on lõpp?". Näiteks võtame 10 cm läbimõõduga õuna ja noa ning hakkame vilja viilutama. Kõigepealt pooleks, siis pool õuna veel kaheks osaks (paralleelselt eelmise lõikega) jne. Mõne korra pärast muidugi lõpetame, aga miski ei takista katset ühe aatomi kujutluses jätkamast? Tuhat, miljon, võib-olla rohkem?

Pärast viilutatud õuna söömist (maitsev!) alustame arvutustega (neil, kes teavad geomeetrilise progressiooni mõistet, on vähem probleeme). Esimene jaotus annab meile pool vilja paksusega 5 cm, järgmine lõikamine annab meile 2,5 cm paksuse viilu jne ... 10 pekstud! Seetõttu pole "tee" aatomite maailma pikk.

*) Kasutage lõpmata õhukese teraga nuga. Tegelikult sellist objekti ei eksisteeri, kuid kuna Albert Einstein käsitles oma uurimistöös valguse kiirusel liikuvaid ronge, siis on meilgi - mõtteeksperimendi eesmärgil - lubatud teha ülaltoodud oletus.

Platoonilised aatomid

Platon, üks antiikaja suurimaid meeli, kirjeldas Timachose dialoogis aatomeid, millest elemendid pidid koosnema. Need moodustised olid korrapäraste hulktahukate kujul (platoonilised tahked ained). Niisiis oli tetraeedr tuleaatom (väikseim ja lenduvaim), oktaeedr oli õhuaatom ja ikosaeedr veeaatom (kõigil tahketel ainetel on võrdkülgsete kolmnurkade seinad). Ruudude kuubik on maa aatom ja viisnurkade dodekaeedr on ideaalse elemendi - taevaeetri (8) aatom.