Með atóm í gegnum aldirnar - hluti 1

Síðustu öld er oft kölluð „öld atómsins“. Á þeim ekki ýkja fjarlægu tímapunkti var loksins sannað tilvist „múrsteinanna“ sem mynda heiminn í kringum okkur og öflunum sem sofandi í þeim var sleppt. Hugmyndin um atómið sjálft á sér hins vegar mjög langa sögu og ekki er hægt að hefja sögu sögu þekkingar á uppbyggingu efnis öðruvísi en með orðum sem vísa til fornaldar.

1. Brot af fresku Rafaels "Skólinn í Aþenu", sem sýnir Platon (til hægri er heimspekingurinn með einkenni Leonardo da Vinci) og Aristóteles.

"Nú þegar gamall..."

… heimspekingar komust að þeirri niðurstöðu að öll náttúra samanstendur af ómerkjanlega litlum ögnum. Auðvitað, á þeim tíma (og í langan tíma eftir það) var engin leið fyrir vísindamenn að prófa forsendur sínar. Þeir voru aðeins tilraun til að útskýra athuganir á náttúrunni og svara spurningunni: "Getur efni rofnað endalaust, eða er lok klofnunar?«

Svör voru gefin í ýmsum menningarhópum (aðallega á Indlandi til forna), en þróun vísinda var undir áhrifum frá fræðum grískra heimspekinga. Í hátíðarblöðum „Ungs tæknimanns“ á síðasta ári fræddust lesendur um aldagamla sögu uppgötvunar frumefna („hættur með frumefnum“, MT 7-9/2014), sem einnig hófst í Grikklandi hinu forna. Á XNUMX. öld f.Kr. var leitað að aðalefninu sem efni (þáttur, frumefni) er byggt úr í ýmsum efnum: vatni (Þales), lofti (Anaximenes), eldi (Heraklítos) eða jörðu (Xenófanes).

Empedókles gerði þá alla í sátt og lýsti því yfir að efni samanstandi ekki af einum, heldur fjórum þáttum. Aristóteles (1. öld f.Kr.) bætti við öðru hugsjónaefni - eter, sem fyllir allan alheiminn, og lýsti yfir möguleikanum á umbreytingu frumefna. Á hinn bóginn sást jörðin, sem er staðsett í miðju alheimsins, af himni, sem var alltaf óbreyttur. Þökk sé valdi Aristótelesar var þessi kenning um uppbyggingu efnis og heild talin rétt í meira en tvö þúsund ár. Varð meðal annars grundvöllur þróunar gullgerðarlistarinnar og þar með efnafræðinnar sjálfrar (XNUMX).

2. Brjóstmynd af Demókrítos frá Abdera (460-370 f.Kr.)

Hins vegar var einnig mótuð önnur tilgáta samhliða. Leucippus (XNUMXth öld f.Kr.) trúði því að efni væri samsett úr mjög litlar agnir hreyfist í tómarúmi. Skoðanir heimspekingsins voru þróaðar af nemanda hans - Demókrítos frá Abdera (um 460-370 f.Kr.) (2). Hann kallaði „blokkirnar“ sem mynda efni atóm (gríska atomos = ódeilanleg). Hann hélt því fram að þeir væru ódeilanlegir og óbreytanlegir og að fjöldi þeirra í alheiminum væri stöðugur. Atóm hreyfast í tómarúmi.

Þegar atóm þeir eru tengdir saman (með króka- og augnakerfi) - alls kyns líkamar myndast og þegar þeir eru aðskildir hver frá öðrum - eyðileggjast líkaminn. Demókrítos taldi að til væru óendanlega margar tegundir atóma, mismunandi að lögun og stærð. Eiginleikar atóma ráða eiginleikum efnis, til dæmis er sætt hunang byggt upp úr sléttum atómum og súrt edik úr hyrndum; hvítir líkamar mynda slétt frumeindir og svartir líkamar mynda frumeindir með gróft yfirborð.

Það hvernig efnið er tengt saman hefur einnig áhrif á eiginleika efnisins: í föstum efnum liggja frumeindir þétt að hvort öðru og í mjúkum líkömum eru þau staðsett lauslega. Kjarninn í skoðunum Demókrítosar er staðhæfingin: "Í raun er aðeins tómleiki og frumeindir, allt annað er blekking."

Á síðari öldum voru skoðanir Demókrítosar þróaðar af öðrum heimspekingum, sumar tilvísanir eru einnig að finna í ritum Platons. Epikúros - einn af arftakunum - trúði því meira að segja atóm þær samanstanda af enn smærri hlutum („grunnagnir“). Hins vegar tapaði frumeindakenningin um uppbyggingu efnisins fyrir frumefnum Aristótelesar. Lykillinn - þegar þá - fannst í reynslunni. Þar til það voru tæki til að staðfesta tilvist atóma var auðvelt að sjá umbreytingar frumefna.

Til dæmis: þegar vatn var hitað (kalt og blautt frumefni), fékkst loft (heit og blaut gufa) og jarðvegur varð eftir á botni ílátsins (köld og þurr útfelling efna sem leyst voru upp í vatni). Eignirnar sem vantaði - hlýindi og þurrkur - komu frá eldi sem hitaði skipið.

Óbreytileiki og stöðugur fjöldi atóma þær stanguðust líka á við athuganir, þar sem örverur voru taldar koma fram „úr engu“ fram á XNUMX. öld. Skoðanir Demókrítusar gáfu ekki neinn grundvöll fyrir gullgerðartilraunum sem tengdust umbreytingu málma. Það var líka erfitt að ímynda sér og rannsaka óendanlega fjölbreytni tegunda atóma. Grunnkenningin virtist miklu einfaldari og útskýrði umhverfið í kring á sannfærandi hátt.

3. Portrett af Robert Boyle (1627–1691) eftir J. Kerseboom.

Fall og endurfæðing

Um aldir hefur atómkenningin staðið í sundur frá almennum vísindum. Hún dó þó ekki endanlega, hugmyndir hennar lifðu, náðu til evrópskra vísindamanna í formi arabískra heimspekiþýðinga á fornum ritum. Með þróun mannlegrar þekkingar fóru undirstöður kenninga Aristótelesar að molna. Heliocentric kerfi Nicolaus Copernicus, fyrstu athuganir á sprengistjörnum (Tycho de Brache) sem komu upp úr engu, uppgötvun hreyfilaga pláneta (Johannes Kepler) og tungl Júpíters (Galileo) þýddi að á sextánda og sautjánda öldum hætti fólk að lifa undir himninum óbreytt frá upphafi heimsins. Á jörðinni var líka endirinn á skoðunum Aristótelesar.

Aldagamlar tilraunir gullgerðarmanna skiluðu ekki tilætluðum árangri - þeim tókst ekki að breyta venjulegum málmum í gull. Sífellt fleiri vísindamenn efuðust um tilvist frumefnanna sjálfra og mundu eftir kenningunni um Demókrítos.

4. Tilraunin 1654 með Magdeburg-hvelin sannaði tilvist lofttæmis og andrúmsloftsþrýstings (16 hestar geta ekki brotið nærliggjandi heilahvel sem lofti var dælt út úr!)

Robert Boyle gaf árið 1661 hagnýta skilgreiningu á efnafræðilegu frumefni sem efni sem ekki er hægt að brjóta niður í hluti þess með efnagreiningu (3). Hann taldi að efni samanstandi af litlum, föstu og óskiptanlegum ögnum sem eru mismunandi að lögun og stærð. Með því að sameinast mynda þau sameindir efnasambanda sem mynda efni.

Boyle kallaði þessar örsmáu agnir corpuscles, eða "corpuscles" (smáorku af latneska orðinu corpus = líkami). Skoðanir Boyle voru án efa undir áhrifum frá uppfinningu lofttæmisdælunnar (Otto von Guericke, 1650) og endurbótum á stimpildælum til að þjappa lofti. Tilvist tómarúms og möguleiki á að breyta fjarlægð (sem afleiðing af þjöppun) milli loftagna vitnaði í þágu Demókrítosar (4).

Mesti vísindamaður þess tíma, Sir Isaac Newton, var einnig atómvísindamaður. (5). Byggt á skoðunum Boyle setti hann fram tilgátu um samruna líkamans í stærri myndanir. Í stað hins forna kerfis augna og króka var tenging þeirra - hvernig annars - með þyngdarafl.

5. Portrett af Sir Isaac Newton (1642-1727), eftir G. Kneller.

Þannig sameinaði Newton víxlverkanir í öllum alheiminum - einn kraftur stjórnaði bæði hreyfingu reikistjarnanna og byggingu minnstu efnisþátta. Vísindamaðurinn taldi að ljós væri einnig úr líkum.

Í dag vitum við að hann hafði "hálf rétt fyrir sér" - fjölmörg víxlverkun geislunar og efnis skýrist af flæði ljóseinda.

Efnafræði kemur við sögu

Fram til næstum loka XNUMX. aldar voru atóm forréttindi eðlisfræðinga. Hins vegar var það efnabyltingin sem Antoine Lavoisier kom af stað sem gerði hugmyndina um kornlaga uppbyggingu efnis almennt viðurkennda.

Uppgötvun hinnar flóknu uppbyggingu hinna fornu frumefna - vatns og lofts - vísaði loks á bug kenningu Aristótelesar. Í lok XNUMX. aldar olli lögmálið um varðveislu massa og trú á ómögulega umbreytingu frumefna heldur ekki andmælum. Vigt er orðin staðalbúnaður á efnarannsóknarstofunni.

6. John Dalton (1766-1844)

Þökk sé notkun þess var tekið eftir því að frumefnin sameinast hvert öðru og mynda ákveðin efnasambönd í stöðugum massahlutföllum (óháð uppruna þeirra - náttúrulega eða tilbúnar - og aðferð við myndun).

Þessi athugun hefur orðið auðskýranleg ef við gerum ráð fyrir að efni samanstandi af óskiptanlegum hlutum sem mynda eina heild. atóm. Höfundur nútímakenningarinnar um atómið, John Dalton (1766-1844) (6), fór þessa leið. Vísindamaður árið 1808 sagði að:

1. Atóm eru óslítandi og óumbreytanleg (þetta útilokaði auðvitað möguleikann á gullgerðarlegum umbreytingum).
2. Allt efni er byggt upp úr óskiptanlegum atómum.
3. Öll atóm tiltekins frumefnis eru eins, það er að segja þau hafa sömu lögun, massa og eiginleika. Hins vegar eru mismunandi frumefni úr mismunandi atómum.
4. Í efnahvörfum breytist aðeins leiðin til að sameina atóm, sem sameindir efnasambanda eru byggðar úr - í ákveðnum hlutföllum (7).

Önnur uppgötvun, einnig byggð á því að fylgjast með gangi efnabreytinga, var tilgáta ítalska eðlisfræðingsins Amadeo Avogadro. Vísindamaðurinn komst að þeirri niðurstöðu að jafnmargar lofttegunda við sömu aðstæður (þrýstingur og hitastig) innihaldi sama fjölda sameinda. Þessi uppgötvun gerði það mögulegt að koma á formúlum margra efnasambanda og ákvarða massann atóm.

7. Atómtákn notað af Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platónsk föst efni - tákn frumeinda fornra "þátta" (Wikipedia, höfundur: Maxim Pe)

Hversu oft á að skera?

Tilkoma hugmyndarinnar um atómið tengdist spurningunni: "Er endir á skiptingu efnisins?". Tökum til dæmis epli með 10 cm þvermál og hníf og byrjum að sneiða ávextina. Fyrst, í tvennt, síðan hálft epli í tvo hluta til viðbótar (samsíða fyrri skera), osfrv. Eftir nokkur skipti, auðvitað, munum við klára, en ekkert kemur í veg fyrir að við höldum áfram tilrauninni í hugmyndaflugi eins atóms? Þúsund, milljón, kannski meira?

Eftir að hafa borðað sneið epli (ljúffengt!), skulum við byrja útreikningana (þeir sem þekkja hugmyndina um rúmfræðilega framvindu munu eiga í minni vandræðum). Fyrsta skiptingin mun gefa okkur helming af ávöxtum með þykkt 5 cm, næsta skurð gefur okkur sneið með þykkt 2,5 cm, osfrv ... 10 barðar! Þess vegna er "leiðin" að heimi atómanna ekki löng.

*) Notaðu hníf með óendanlega þunnu blaði. Reyndar er slíkur hlutur ekki til, en þar sem Albert Einstein taldi í rannsóknum sínum lestir sem hreyfðust á ljóshraða, þá er okkur líka heimilt - í tilgangi hugsanatilrauna - að gera ofangreinda forsendu.

Platónsk atóm

Platon, einn merkasti hugur fornaldar, lýsti frumeindunum sem frumefnin áttu að vera samsett úr í Timachos samræðunni. Þessar myndanir voru í formi reglulegra fjölhúða (platónískt fast efni). Svo, fjórþunginn var atóm elds (sem minnsta og rokgjarnasta), áttundir var atóm lofts og ísneið var atóm vatns (allt föst efni hafa veggi af jafnhliða þríhyrningum). Teningur af ferningum er atóm jarðar og tvíhyrningur fimmhyrninga er atóm af hugsjón frumefni - himneska eter (8).