Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи)
ьным участникам диспута было
предписано покинуть Париж в 24 часа. При этом французский парламент принял
постановление, по которому организация подобной полемики и распространение
учения об атомах впредь запрещались под страхом смертной казни.
Прошло ещё почти 100лет, прежде, чем идеи о мельчайших частицах
вещества стал развивать Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Различая
два вида «нечувствительных частиц» материи, он даёт им названия «элементы»
(равные понятию «атом») и «корпускулы» (равные понятию «молекула»). По
Ломоносову, «элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других
меньших и отличных между собою тел»; корпускула есть собрание элемента в
одну небольшую массу».
Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано
английскому учёному Джону Дальтону (1766-1844), который впервые предпринял
попытку количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие
атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных
химических элементов.
Но тот же Дальтон ввёл в химию представление о «сложных атомах»,
итальянский физик и химик Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья
эди Черрето (1776 - 1856) - понятие об «элементарных молекулах». Возникшая
путаница в понятиях и отсутствие единой общепринятой терминологии стали
затруднять дальнейшее развитие химии. Важную роль в уточнении используемых
понятий сыграл Международный химический конгресс в Немецком городе
Карлсруэ, собравший в 1860 г. 140 учёных из разных стран. После блестящего
и «воодушевлённого» (по словам Дмитрия Ивановича Менделеева) доклада
итальянского химика Станислао Каннилццаро (1826-1910) конгресс путем
голосования принял решение о различии понятий «атом» и «молекула», раз и
навсегда покончив с существовавшей ранее путаницей.
Между тем многие учёные и после этого продолжали считать атомы и
молекулы не реально существующими частицами, а лишь рабочими гипотезами,
придуманными ради удобства. Например, немецкий физикохимик Вильгельм
Фридрих Оствальд (1853-1932) утверждал, что «атомы будут существовать
только в пыли библиотек». Другой известный учёный, австрийский физик и
философ Эрнст Мах (1838-1916), на все доводы в пользу существования атомов
обычно отвечал: «А вы видели хотя бы один атом?».
Иной точки зрения придерживался австрийский физик-теоретик Людвиг
Больцман (1844 - 1906). Несмотря на дружбу с Оствальдом и огромное
уважение, которое он испытывал к Маху, сам Больцман, в отличие от них, был
страстным и убеждённым сторонником атомно-молекулярного учения и много
сделал для его развития. Однажды во время обсуждения атомистической теории
в Венской академии наук он вдруг услышал, как Мах лаконично заметил: «Я не
верю в существование атомов». «От этого высказывания, - вспоминал
впоследствии Людвиг Больцман, - у меня голова пошла кругом...»
Учёный не дожил до того времени, когда были осуществлены решающие
опыты, неопровержимо доказавшие реальность существования атомов. Он тяжело
переживал разногласия с коллегами-современниками и, в частности, поэтому в
1906 г. покончил с собой. «То, на что жалуется поэт, - писал Больцман, -
верно и для теоретика: творения его написаны кровью его сердца, и высшая
мудрость граничит с высшим безумием».
Сегодня никто уже не сомневается в существовании атомов, однако,
реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их
представлял Демокрит. Уже Больцман по этому поводу писал: «В неделимость
атома не верит в настоящее время ни один физик».
Однако установить истинную структуру атома удалось лишь спустя пять лет
после его смерти, когда на основе продолжительных и кропотливых
экспериментов английский физик Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) пришёл к
выводу, что атом представляет собой положительно заряженное ядро,
окружённое электронной оболочкой.
Обнаружение этой структуры ознаменовало третье рождение атома. Так из
умозрительной гипотезы он превратился в реальную и осязаемую единицу
материи.
ОТ АТОМОВ К МОЛЕКУЛАМ
Означает ли многообразие веществ, существующих в природе, что и число
различных видов атомов также бесконечно велико?
«В мире существует бесконечное число атомов... Атомы обладают
бесконечным числом форм. Число форм бесконечно, потому что в природе нет
оснований, чтобы оно было ограничено определённым значением, чтобы оно было
таким, а не иным». Так, по свидетельству философа Симплиция (VI в.),
отвечал на этот вопрос Левкипп, а вслед за ним его друг и ученик Демокрит.
Однако уже Аристотель заметил, что для объяснения наблюдаемых явлений
не обязательно допускать существование бесконечного числа различных атомов,
ибо и на основе их «ограниченного числа можно было доказать всё то же
самое».
Здесь Аристотель оказался прав. В настоящее время известно, что число
различных атомов действительно ограниченно, - их лишь немногим более 100.
Большинство же веществ построено из молекул - разнообразных сочетаний этих
атомов. Например, молекула углекислого газа состоит из одного атома
углерода и двух атомов кислорода (СО2), молекула воды - из двух атомов
водорода и одного атома кислорода (Н2О) и т. д. Но это мы знаем сейчас. В
конце XVIII в., когда английский физик, химик и метеоролог Джон Дальтон
приступал к исследованию свойств мельчайших частиц вещества, об атомах и
молекулах знали почти столько же, сколько за 2 тыс. лет до этого. Тем не
менее, учёный не побоялся бросить вызов природе, взявшись «взвесить» то,
что увидеть было невозможно.
Немногим ранее французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794)
открыл закон сохранения массы в химических реакциях и впервые разделил все
вещества на химические элементы и химические соединения. Дальтон пошёл
дальше. Он возродил атомистику и в основу своей теории положил следующие
постулаты:
. Все химические элементы состоят из мельчайших частиц, называемых
атомами.
. Атомы данного химического элемента имеют одинаковые массу и химические
свойства.
. Атомы разных элементов имеют различные массу и химические свойства.
. Атомы могут соединяться в простых целочисленных отношениях, образуя
соединения.
Возможно ли определить массу того или иного конкретного атома? Никому
раньше в голову не приходило, что такое реально. Да и сами атомы –
существуют ли они? У Дальтона на этот счёт сомнений не возникало. Он был
настолько убеждён в существовании атомов, что иногда ему казалось: он их
видит воочию.
«Взвесить» атомы Дальтон не мог. Тогда он решил определить их
относительную массу, т. е. принять, например, массу атома водорода за
единицу и посмотреть, чему будут равны массы всех остальных атомов в
сравнении с массой атома водорода.
К тому времени уже был известен состав многих химических соединений.
Например, удалось установить, что вода состоит из водорода и кислорода.
Химический анализ показывал, что при образовании воды 1 г водорода
соединяется с 8 г кислорода. Первым, кто попытался объяснить этот факт, был
Дальтон. Не имея возможности руководствоваться какими-либо иными
соображениями, он решил исходить из «принципа простоты».
Если известно только одно соединение двух данных элементов А и В, то
оно должно состоять из двухатомных молекул (которые сам Дальтон называл
«сложными атомами») типа AB. Следующими по простоте являются комбинации АВ2
и А2В; поэтому, если известны два или три соединения данных элементов, их
молекулы должны описываться тремя формулами.
Основываясь на этом принципе, Дальтон предположил, что молекула воды
двухатомна и имеет (в современных обозначениях) формулу НО. Отсюда
следовало, что в 1 г водорода и 8 г кислорода содержится одинаковое число
частиц. Но если это, верно, значит, каждый атом кислорода в восемь раз
тяжелее атома водорода. Так Дальтон впервые получил значение относительной
атомной массы кислорода.
Изучение иных химических соединений позволило Дальтону составить целую
таблицу относительных атомных масс всевозможных химических элементов. В
1803 г. он обнародовал результаты этих исследований. Учёный сознавал, что
является первопроходцем в новой, неизведанной пока области, и потому в
своём сообщении подчеркнул: «Рассмотрение роли относительной тяжести
мельчайших частичек тел, насколько я знаю, является совершенно новым
предметом исследования. Я начал недавно эти работы и достиг некоторых
успехов». Значение его исследований трудно переоценить. Ничего подобного в
науке ещё не было. Впервые человек своим разумом проник в микромир и на
языке чисел описал то, что невозможно было увидеть.
Однако «принцип простоты», которым руководствовался Дальтон, сильно
подвёл его. Позволив в одних случаях получить правильные результаты, во
многих других он привёл к неверным выводам. Ошибочной оказалась и формула
молекулы воды, предложенная Дальтоном, а вместе с ней и относительная
атомная масса кислорода.
Эти ошибки были обнаружены и исправлены итальянским учёным Амедео
Авогадро. В 1811 г. вышла его статья под названием «Очерк метода
определения относительных масс элементарных молеку
| |  скачать работу |
Мир в котором мы живем (путешествие в глубь материи) |
