S atómom v priebehu vekov - časť 1

Minulé storočie sa často označuje ako „vek atómu“. V tom nie príliš vzdialenom čase sa konečne dokázala existencia „tehál“, ktoré tvoria svet okolo nás, a uvoľnili sa sily, ktoré v nich drieme. Samotná myšlienka atómu má však veľmi dlhú históriu a príbeh histórie poznania štruktúry hmoty nemožno začať inak ako slovami odkazujúcimi na starovek.

1. Fragment Rafaelovej fresky „Aténska škola“, zobrazujúci Platóna (vpravo má filozof rysy Leonarda da Vinciho) a Aristotela

"Už starý..."

… filozofi prišli k záveru, že celá príroda pozostáva z nepatrne malých častíc. Samozrejme, v tom čase (a ešte dlho potom) vedci nemali možnosť svoje predpoklady otestovať. Boli len pokusom vysvetliť pozorovania prírody a odpovedať na otázku: „Môže sa hmota rozkladať donekonečna, alebo je koniec štiepeniu?«

Odpovede boli dané v rôznych kultúrnych kruhoch (predovšetkým v starovekej Indii), ale rozvoj vedy bol ovplyvnený štúdiami gréckych filozofov. V minuloročných prázdninových číslach „Mladého technika“ sa čitatelia dozvedeli o stáročnej histórii objavovania prvkov („Dangers with the Elements“, MT 7-9/2014), ktorá sa začala aj v starovekom Grécku. Ešte v XNUMX. storočí pred Kristom sa hlavná zložka, z ktorej sa stavia hmota (prvok, živel), hľadala v rôznych látkach: vo vode (Thales), vo vzduchu (Anaximenes), v ohni (Herakleitos) alebo v zemi (Xenofanes).

Empedokles ich všetkých zmieril a vyhlásil, že hmota sa neskladá z jedného, ​​ale zo štyroch prvkov. Aristoteles (1. storočie pred n. l.) pridal ďalšiu ideálnu látku – éter, ktorý napĺňa celý vesmír a deklaroval možnosť premeny prvkov. Na druhej strane Zem, ktorá sa nachádza v strede vesmíru, pozorovala obloha, ktorá bola vždy nezmenená. Vďaka autorite Aristotela bola táto teória štruktúry hmoty a celku považovaná za správnu viac ako dvetisíc rokov. Stal sa okrem iného základom pre rozvoj alchýmie, a teda aj chémie samotnej (XNUMX).

2. Busta Demokrita z Abdery (460-370 pred Kr.)

Paralelne sa však rozvíjala aj iná hypotéza. Leucippus (XNUMX. storočie pred Kristom) veril, že hmota sa skladá z veľmi malé častice pohybujúce sa vo vákuu. Názory filozofa rozvinul jeho žiak – Demokritos z Abdery (asi 460 – 370 pred Kr.) (2). Nazval „bloky“, z ktorých sa skladá hmota, atómy (grécky atomos = nedeliteľné). Tvrdil, že sú nedeliteľné a nemenné a ich počet vo vesmíre je konštantný. Atómy sa pohybujú vo vákuu.

Kedy atómov sú spojené (systémom háčikov a očiek) – vznikajú všelijaké telá a keď sa od seba oddelia – telá sa ničia. Democritus veril, že existuje nekonečne veľa typov atómov, ktoré sa líšia tvarom a veľkosťou. Charakteristiky atómov určujú vlastnosti látky, napríklad sladký med sa skladá z hladkých atómov a kyslý ocot sa skladá z hranatých; biele telesá tvoria hladké atómy a čierne telesá tvoria atómy s drsným povrchom.

Spôsob spojenia materiálu ovplyvňuje aj vlastnosti hmoty: v pevných látkach sú atómy tesne pri sebe a v mäkkých telesách sú umiestnené voľne. Kvintesenciou názorov Demokrita je výrok: "V skutočnosti existuje len prázdnota a atómy, všetko ostatné je ilúzia."

V neskorších storočiach boli názory Demokrita vyvinuté postupnými filozofmi, niektoré odkazy sa nachádzajú aj v spisoch Platóna. Epikuros – jeden z nástupcov – tomu dokonca veril atómov pozostávajú z ešte menších zložiek („elementárne častice“). Atomistická teória štruktúry hmoty však prehrala s prvkami Aristotela. Kľúč — aj vtedy — sa našiel v skúsenostiach. Kým neexistovali nástroje na potvrdenie existencie atómov, premeny prvkov boli ľahko pozorovateľné.

Napríklad: keď sa voda zahriala (studený a vlhký prvok), získal sa vzduch (horúca a mokrá para) a pôda zostala na dne nádoby (studené a suché vyzrážanie látok rozpustených vo vode). Chýbajúce vlastnosti – teplo a sucho – dodával oheň, ktorý nádobu zohrieval.

Invariantnosť a konštanta počet atómov odporovali aj pozorovaniam, keďže sa až do XNUMX. storočia predpokladalo, že mikróby vznikajú „z ničoho“. Názory Demokrita neposkytli žiadny základ pre alchymistické experimenty súvisiace s premenou kovov. Bolo tiež ťažké predstaviť si a študovať nekonečné množstvo druhov atómov. Elementárna teória sa zdala oveľa jednoduchšia a presvedčivejšie vysvetlila okolitý svet.

3. Portrét Roberta Boyla (1627–1691) od J. Kersebooma.

Pád a znovuzrodenie

Atómová teória sa po stáročia líšila od hlavného prúdu vedy. Napokon však nezomrela, jej myšlienky prežili, až k európskym vedcom sa dostali v podobe arabských filozofických prekladov starovekých spisov. S rozvojom ľudského poznania sa základy Aristotelovej teórie začali rúcať. Heliocentrický systém Mikuláša Koperníka, prvé pozorovania supernov (Tycho de Brache) vznikajúcich odnikiaľ, objavenie zákonov pohybu planét (Johannes Kepler) a mesiacov Jupitera (Galileo) znamenali, že v XNUMX. a XNUMX. storočia ľudia prestali žiť pod nebom bez zmeny od počiatku sveta. Aj na zemi bol koniec názorov Aristotela.

Stáročné pokusy alchymistov nepriniesli očakávané výsledky – nepodarilo sa im premeniť bežné kovy na zlato. Stále viac vedcov spochybňovalo existenciu prvkov samotných a pamätalo si na teóriu Demokrita.

4. Experiment z roku 1654 s magdeburskými hemisférami dokázal existenciu vákua a atmosférického tlaku (16 koní nedokáže rozbiť susedné hemisféry, z ktorých sa odčerpával vzduch!)

Robert Boyle v roku 1661 dal praktickú definíciu chemického prvku ako látky, ktorú nemožno rozložiť na jej zložky chemickou analýzou (3). Veril, že hmota pozostáva z malých, pevných a nedeliteľných častíc, ktoré sa líšia tvarom a veľkosťou. Spojením tvoria molekuly chemických zlúčenín, ktoré tvoria hmotu.

Boyle nazval tieto drobné častice corpuscles, alebo "corpuscles" (zdrobnenina z latinského slova corpus = telo). Boylove názory nepochybne ovplyvnil vynález vákuovej pumpy (Otto von Guericke, 1650) a zdokonalenie piestových čerpadiel na stláčanie vzduchu. Existencia vákua a možnosť zmeny vzdialenosti (v dôsledku stlačenia) medzi časticami vzduchu svedčili v prospech teórie Demokrita (4).

Najväčší vedec tej doby, Sir Isaac Newton, bol tiež atómovým vedcom. (5). Na základe názorov Boyla predložil hypotézu o splynutí tela do väčších útvarov. Namiesto prastarého systému očiek a háčikov bolo ich viazanie – ako inak – gravitáciou.

5. Portrét Sira Isaaca Newtona (1642-1727), od G. Knellera.

Newton tak zjednotil interakcie v celom Vesmíre – jedna sila ovládala tak pohyb planét, ako aj štruktúru najmenších zložiek hmoty. Vedec veril, že svetlo pozostáva aj z teliesok.

Dnes vieme, že mal „napoly pravdu“ – početné interakcie medzi žiarením a hmotou sa vysvetľujú tokom fotónov.

Do hry vstupuje chémia

Takmer do konca XNUMX storočia boli atómy výsadou fyzikov. Bola to však chemická revolúcia, ktorú inicioval Antoine Lavoisier, vďaka ktorej sa myšlienka zrnitej štruktúry hmoty stala všeobecne akceptovanou.

Objav komplexnej štruktúry starovekých prvkov – vody a vzduchu – napokon vyvrátil Aristotelovu teóriu. Koncom XNUMX. storočia nevzbudzoval námietky ani zákon zachovania hmoty a viera v nemožnosť premeny prvkov. Váhy sa stali štandardným vybavením chemického laboratória.

6. John Dalton (1766-1844)

Vďaka jeho použitiu sa zistilo, že prvky sa navzájom spájajú a vytvárajú určité chemické zlúčeniny v konštantných hmotnostných pomeroch (bez ohľadu na ich pôvod - prírodný alebo umelo získaný - a spôsob syntézy).

Toto pozorovanie sa stalo ľahko vysvetliteľným, ak predpokladáme, že hmota pozostáva z nedeliteľných častí, ktoré tvoria jeden celok. atómov. Tvorca modernej teórie atómu John Dalton (1766-1844) (6) išiel touto cestou. Vedec v roku 1808 uviedol, že:

1. Atómy sú nezničiteľné a nemenné (to samozrejme vylučovalo možnosť alchymistických premien).
2. Všetka hmota sa skladá z nedeliteľných atómov.
3. Všetky atómy daného prvku sú rovnaké, to znamená, že majú rovnaký tvar, hmotnosť a vlastnosti. Rôzne prvky sa však skladajú z rôznych atómov.
4. Pri chemických reakciách sa mení len spôsob spájania atómov, z ktorých sa budujú molekuly chemických zlúčenín - v určitých pomeroch (7).

Ďalším objavom, založeným aj na pozorovaní priebehu chemických zmien, bola hypotéza talianskeho fyzika Amadea Avogadra. Vedec dospel k záveru, že rovnaké objemy plynov za rovnakých podmienok (tlak a teplota) obsahujú rovnaký počet molekúl. Tento objav umožnil stanoviť vzorce mnohých chemických zlúčenín a určiť hmotnosti atómov.

7. Atómové symboly používané Daltonom (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platónske telesá – symboly atómov dávnych „prvkov“ (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Koľkokrát rezať?

Vznik myšlienky atómu bol spojený s otázkou: "Existuje koniec delenia hmoty?". Vezmime si napríklad jablko s priemerom 10 cm a nôž a začneme krájať ovocie. Najprv na polovicu, potom polovicu jablka na ďalšie dve časti (rovnobežne s predchádzajúcim rezom) atď. Po pár krát samozrejme skončíme, ale nič nám nebráni pokračovať v experimente vo fantázii jedného atómu? Tisíc, milión, možno viac?

Po zjedení nakrájaného jablka (chutné!) Začnime s výpočtami (tí, ktorí poznajú koncept geometrickej progresie, budú mať menšie problémy). Prvým delením získame polovicu ovocia s hrúbkou 5 cm, ďalším rezom získame plátok s hrúbkou 2,5 cm atď. ... 10 vyšľahaných! Preto „cesta“ do sveta atómov nie je dlhá.

*) Používajte nôž s nekonečne tenkou čepeľou. V skutočnosti takýto objekt neexistuje, ale keďže Albert Einstein vo svojom výskume uvažoval o vlakoch pohybujúcich sa rýchlosťou svetla, je nám tiež dovolené – pre účely myšlienkového experimentu – vysloviť vyššie uvedený predpoklad.

Platónske atómy

Platón, jeden z najväčších mysliteľov staroveku, opísal v dialógu Timachos atómy, z ktorých mali byť prvky zložené. Tieto útvary mali podobu pravidelných mnohostenov (platónske telesá). Takže štvorsten bol atóm ohňa (ako najmenší a najprchavejší), osemsten bol atóm vzduchu a dvadsaťsten bol atóm vody (všetky pevné látky majú steny z rovnostranných trojuholníkov). Kocka štvorcov je atóm zeme a dvanásťsten päťuholníkov je atóm ideálneho prvku – nebeského éteru (8).