Dengan atom sepanjang zaman - bahagian 1

Abad terakhir sering disebut sebagai "zaman atom". Pada masa yang tidak terlalu jauh, kewujudan "bata" yang membentuk dunia di sekeliling kita akhirnya terbukti, dan kuasa yang tidak aktif di dalamnya dibebaskan. Idea atom itu sendiri, bagaimanapun, mempunyai sejarah yang sangat panjang, dan kisah sejarah pengetahuan tentang struktur jirim tidak boleh dimulakan selain dengan perkataan yang merujuk kepada zaman dahulu.

1. Serpihan lukisan lukisan Raphael "The School of Athens", yang menggambarkan Plato (di sebelah kanan, ahli falsafah mempunyai ciri Leonardo da Vinci) dan Aristotle

"Sudah tua..."

… ahli falsafah membuat kesimpulan bahawa semua alam terdiri daripada zarah-zarah kecil yang tidak dapat dilihat. Sudah tentu, pada masa itu (dan untuk masa yang lama selepas itu) saintis tidak mempunyai peluang untuk menguji andaian mereka. Mereka hanyalah percubaan untuk menerangkan pemerhatian alam semula jadi dan menjawab soalan: "Bolehkah jirim mereput selama-lamanya, atau adakah pembelahan akan berakhir?«

Jawapan diberikan dalam pelbagai kalangan budaya (terutamanya di India kuno), tetapi perkembangan sains dipengaruhi oleh kajian ahli falsafah Yunani. Dalam isu percutian "Juruteknik Muda" tahun lepas, pembaca mengetahui tentang sejarah penemuan unsur-unsur yang berabad-abad lamanya ("Bahaya dengan Unsur", MT 7-9/2014), yang juga bermula di Greece Purba. Kembali pada abad ke-XNUMX SM, komponen utama dari mana jirim (elemen, unsur) dibina telah dicari dalam pelbagai bahan: air (Thales), udara (Anaximenes), api (Heraclitus) atau bumi (Xenophanes).

Empedocles mendamaikan mereka semua, mengisytiharkan bahawa jirim bukan terdiri daripada satu, tetapi empat unsur. Aristotle (abad ke-1 SM) menambah satu lagi bahan ideal - eter, yang memenuhi seluruh alam semesta, dan mengisytiharkan kemungkinan perubahan unsur. Sebaliknya, Bumi, yang terletak di tengah-tengah alam semesta, diperhatikan oleh langit, yang sentiasa tidak berubah. Terima kasih kepada kuasa Aristotle, teori struktur jirim dan keseluruhan ini dianggap betul selama lebih daripada dua ribu tahun. Menjadi, antara lain, asas untuk pembangunan alkimia, dan oleh itu kimia itu sendiri (XNUMX).

2. Payudara Democritus of Abdera (460-370 SM)

Walau bagaimanapun, hipotesis lain juga dibangunkan secara selari. Leucippus (abad ke-XNUMX SM) percaya bahawa jirim terdiri daripada zarah yang sangat kecil bergerak dalam vakum. Pandangan ahli falsafah dikembangkan oleh pelajarnya - Democritus of Abdera (c. 460-370 SM) (2). Dia memanggil "blok" yang membentuk atom jirim (Atomos Yunani = tidak boleh dibahagikan). Dia berhujah bahawa mereka tidak boleh dibahagikan dan tidak berubah, dan bilangan mereka di alam semesta adalah tetap. Atom bergerak dalam vakum.

Apabila atom mereka disambungkan (oleh sistem cangkuk dan mata) - semua jenis badan terbentuk, dan apabila mereka dipisahkan antara satu sama lain - mayat itu dimusnahkan. Democritus percaya bahawa terdapat banyak jenis atom yang tidak terhingga, berbeza dalam bentuk dan saiz. Ciri-ciri atom menentukan sifat sesuatu bahan, contohnya, madu manis terdiri daripada atom licin, dan cuka masam terdiri daripada yang bersudut; jasad putih membentuk atom licin, dan jasad hitam membentuk atom dengan permukaan kasar.

Cara bahan dicantum juga mempengaruhi sifat jirim: dalam pepejal, atom bersebelahan rapat antara satu sama lain, dan dalam badan lembut ia terletak longgar. Intipati pandangan Democritus ialah kenyataan: "Sebenarnya, yang ada hanyalah kekosongan dan atom, yang lain adalah ilusi."

Pada abad-abad kemudian, pandangan Democritus dikembangkan oleh ahli falsafah berturut-turut, beberapa rujukan juga terdapat dalam tulisan Plato. Epicurus - salah seorang pengganti - malah mempercayainya atom ia terdiri daripada komponen yang lebih kecil ("zarah asas"). Walau bagaimanapun, teori atomistik struktur jirim hilang kepada unsur Aristotle. Kuncinya-walaupun ketika itu-ditemui dalam pengalaman. Sehingga terdapat alat untuk mengesahkan kewujudan atom, transformasi unsur-unsur mudah diperhatikan.

Sebagai contoh: apabila air dipanaskan (elemen sejuk dan basah), udara diperolehi (wap panas dan basah), dan tanah kekal di bahagian bawah kapal (kerpasan sejuk dan kering bahan terlarut dalam air). Sifat yang hilang - kehangatan dan kekeringan - disediakan oleh api, yang memanaskan kapal.

Invarian dan malar bilangan atom mereka juga bercanggah dengan pemerhatian, kerana mikrob dianggap muncul "daripada ketiadaan" sehingga abad ke-XNUMX. Pandangan Democritus tidak memberikan sebarang asas untuk eksperimen alkimia yang berkaitan dengan transformasi logam. Sukar juga untuk membayangkan dan mengkaji pelbagai jenis atom yang tidak terhingga. Teori asas kelihatan lebih mudah dan lebih meyakinkan menjelaskan dunia sekeliling.

3. Potret Robert Boyle (1627–1691) oleh J. Kerseboom.

Kejatuhan dan kelahiran semula

Selama berabad-abad, teori atom telah berdiri selain daripada sains arus perdana. Walau bagaimanapun, dia tidak akhirnya mati, idea-ideanya bertahan, sampai kepada saintis Eropah dalam bentuk terjemahan falsafah Arab tulisan kuno. Dengan perkembangan pengetahuan manusia, asas-asas teori Aristotle mula runtuh. Sistem heliosentrik Nicolaus Copernicus, pemerhatian pertama supernova (Tycho de Brache) yang timbul entah dari mana, penemuan undang-undang pergerakan planet (Johannes Kepler) dan bulan Musytari (Galileo) bermakna pada keenam belas dan ketujuh belas. berabad-abad, orang tidak lagi hidup di bawah langit tidak berubah dari awal dunia. Di bumi, juga, adalah berakhirnya pandangan Aristotle.

Percubaan ahli alkimia selama berabad-abad tidak membawa hasil yang diharapkan - mereka gagal mengubah logam biasa menjadi emas. Semakin ramai saintis mempersoalkan kewujudan unsur-unsur itu sendiri, dan mengingati teori Democritus.

4. Eksperimen 1654 dengan hemisfera Magdeburg membuktikan kewujudan vakum dan tekanan atmosfera (16 ekor kuda tidak dapat memecahkan hemisfera jiran dari mana udara dipam keluar!)

Robert Boyle pada tahun 1661 memberikan definisi praktikal unsur kimia sebagai bahan yang tidak boleh dipecahkan kepada komponennya melalui analisis kimia (3). Beliau percaya bahawa jirim terdiri daripada zarah-zarah kecil, pepejal dan tidak boleh dibahagikan yang berbeza dari segi bentuk dan saiz. Menggabungkan, mereka membentuk molekul sebatian kimia yang membentuk jirim.

Boyle memanggil zarah-zarah kecil ini sebagai corpuscles, atau "corpuscles" (sebuah perkataan Latin corpus = body). Pandangan Boyle sudah pasti dipengaruhi oleh penciptaan pam vakum (Otto von Guericke, 1650) dan penambahbaikan pam omboh untuk memampatkan udara. Kewujudan vakum dan kemungkinan mengubah jarak (akibat pemampatan) antara zarah udara memberi keterangan menyokong teori Democritus (4).

Saintis terhebat pada masa itu, Sir Isaac Newton, juga seorang saintis atom. (5). Berdasarkan pandangan Boyle, beliau mengemukakan hipotesis tentang percantuman badan kepada formasi yang lebih besar. Daripada sistem mata ikan dan cangkuk kuno, ikatan mereka - bagaimana lagi - dengan graviti.

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

Oleh itu, Newton menyatukan interaksi di seluruh Alam Semesta - satu kuasa mengawal kedua-dua pergerakan planet dan struktur komponen terkecil jirim. Para saintis percaya bahawa cahaya juga terdiri daripada corpuscles.

Hari ini kita tahu bahawa dia "separuh kanan" - banyak interaksi antara sinaran dan jirim dijelaskan oleh aliran foton.

Kimia mula bermain

Sehingga hampir akhir abad ke-XNUMX, atom adalah hak prerogatif ahli fizik. Walau bagaimanapun, revolusi kimia yang dimulakan oleh Antoine Lavoisier yang menjadikan idea struktur butiran jirim diterima umum.

Penemuan struktur kompleks unsur purba - air dan udara - akhirnya menyangkal teori Aristotle. Pada akhir abad ke-XNUMX, undang-undang pemuliharaan jisim dan kepercayaan terhadap ketidakmungkinan transformasi unsur-unsur juga tidak menimbulkan bantahan. Penimbang telah menjadi peralatan standard di makmal kimia.

6. John Dalton (1766-1844)

Terima kasih kepada penggunaannya, didapati bahawa unsur-unsur bergabung antara satu sama lain, membentuk sebatian kimia tertentu dalam perkadaran jisim yang berterusan (tanpa mengira asalnya - semula jadi atau buatan - dan kaedah sintesis).

Pemerhatian ini telah menjadi mudah diterangkan jika kita menganggap bahawa jirim terdiri daripada bahagian yang tidak boleh dibahagikan yang membentuk satu keseluruhan. atom. Pencipta teori moden atom, John Dalton (1766-1844) (6), mengikuti jalan ini. Seorang saintis pada tahun 1808 menyatakan bahawa:

1. Atom tidak boleh dihancurkan dan tidak berubah (ini, sudah tentu, menolak kemungkinan transformasi alkimia).
2. Semua jirim terdiri daripada atom yang tidak boleh dibahagikan.
3. Semua atom unsur tertentu adalah sama, iaitu mempunyai bentuk, jisim dan sifat yang sama. Walau bagaimanapun, unsur yang berbeza terdiri daripada atom yang berbeza.
4. Dalam tindak balas kimia, hanya cara penyambungan atom berubah, dari mana molekul sebatian kimia dibina - dalam perkadaran tertentu (7).

Penemuan lain, juga berdasarkan pemerhatian perjalanan perubahan kimia, adalah hipotesis ahli fizik Itali Amadeo Avogadro. Para saintis membuat kesimpulan bahawa isipadu gas yang sama di bawah keadaan yang sama (tekanan dan suhu) mengandungi bilangan molekul yang sama. Penemuan ini memungkinkan untuk mewujudkan formula banyak sebatian kimia dan menentukan jisim atom.

7. Simbol atom yang digunakan oleh Dalton (Sistem Falsafah Kimia Baru, 1808)

8. Pepejal platonik - simbol atom "elemen" purba (Wikipedia, pengarang: Maxim Pe)

Berapa kali kena potong?

Kemunculan idea atom dikaitkan dengan soalan: "Adakah berakhirnya pembahagian jirim?". Sebagai contoh, mari kita ambil sebiji epal dengan diameter 10 cm dan pisau dan mula menghiris buahnya. Pertama, separuh, kemudian separuh epal menjadi dua bahagian lagi (selari dengan potongan sebelumnya), dan lain-lain. Selepas beberapa kali, sudah tentu, kita akan selesai, tetapi tiada apa yang menghalang kita daripada meneruskan eksperimen dalam imaginasi satu atom? Seribu, sejuta, mungkin lebih?

Selepas makan epal yang dihiris (sedap!), Mari mulakan pengiraan (mereka yang mengetahui konsep janjang geometri akan menghadapi masalah yang lebih sedikit). Bahagian pertama akan memberi kita separuh daripada buah dengan ketebalan 5 cm, potongan seterusnya akan memberi kita hirisan dengan ketebalan 2,5 cm, dan lain-lain ... 10 yang dipukul! Oleh itu, "jalan" ke dunia atom tidak lama.

*) Gunakan pisau dengan bilah nipis yang tidak terhingga. Sebenarnya, objek sedemikian tidak wujud, tetapi memandangkan Albert Einstein dalam penyelidikannya menganggap kereta api bergerak pada kelajuan cahaya, kami juga dibenarkan - untuk tujuan eksperimen pemikiran - membuat andaian di atas.

Atom platonik

Plato, salah seorang pemikir terhebat zaman dahulu, menggambarkan atom-atom yang unsur-unsurnya akan disusun dalam dialog Timachos. Pembentukan ini mempunyai bentuk polyhedra biasa (pepejal Platonik). Jadi, tetrahedron ialah atom api (sebagai yang terkecil dan paling tidak menentu), oktahedron ialah atom udara, dan ikosahedron ialah atom air (semua pepejal mempunyai dinding segi tiga sama). Kubus segi empat sama ialah atom bumi, dan dodekahedron pentagon ialah atom unsur ideal - eter cakerawala (8).