Με ένα άτομο μέσα στους αιώνες - μέρος 1

Ο περασμένος αιώνας αποκαλείται συχνά «η εποχή του ατόμου». Εκείνη την όχι και τόσο μακρινή εποχή, η ύπαρξη των «τούβλων» που συνθέτουν τον κόσμο γύρω μας αποδείχθηκε τελικά και οι δυνάμεις που ήταν αδρανείς σε αυτά απελευθερώθηκαν. Η ίδια η ιδέα του ατόμου, ωστόσο, έχει πολύ μεγάλη ιστορία και η ιστορία για την ιστορία της γνώσης της δομής της ύλης δεν μπορεί να ξεκινήσει παρά μόνο με λέξεις που αναφέρονται στην αρχαιότητα.

1. Θραύσμα της τοιχογραφίας του Ραφαήλ «The School of Athens», που απεικονίζει τον Πλάτωνα (δεξιά ο φιλόσοφος έχει χαρακτηριστικά του Λεονάρντο ντα Βίντσι) και τον Αριστοτέλη

«Ήδη αρχαία…»

…οι φιλόσοφοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι όλη η φύση αποτελείται από ανεπαίσθητα μικρά σωματίδια. Φυσικά, εκείνη την εποχή (και για πολύ καιρό μετά) οι επιστήμονες δεν είχαν τρόπο να δοκιμάσουν τις υποθέσεις τους. Ήταν απλώς μια προσπάθεια να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις της φύσης και να απαντήσουν στην ερώτηση: «Μπορεί η ύλη να διασπάται επ' αόριστον, ή υπάρχει τέλος στη σχάση;«

Απαντήσεις δόθηκαν σε διάφορους πολιτισμικούς κύκλους (κυρίως στην αρχαία Ινδία), αλλά η ανάπτυξη της επιστήμης επηρεάστηκε από την έρευνα των Ελλήνων φιλοσόφων. Στα περσινά εορταστικά τεύχη του Young Technician, οι αναγνώστες έμαθαν για την αιωνόβια ιστορία της ανακάλυψης στοιχείων (“Dangers with the Elements”, ΜΤ 7-9/2014), η οποία ξεκίνησε επίσης από την Αρχαία Ελλάδα. Ακόμη και τον XNUMXο αιώνα π.Χ., το κύριο συστατικό από το οποίο δομείται η ύλη (στοιχείο, στοιχείο) αναζητήθηκε σε διάφορες ουσίες: νερό (Θαλής), αέρας (Αναξιμένης), φωτιά (Ηράκλειτος) ή γη (Ξενοφάνης).

Ο Εμπεδοκλής τους συμφιλίωσε όλους δηλώνοντας ότι η ύλη δεν αποτελείται από ένα, αλλά από τέσσερα στοιχεία. Ο Αριστοτέλης (1ος αιώνας π.Χ.) πρόσθεσε μια άλλη ιδανική ουσία - τον αιθέρα, που γεμίζει ολόκληρο το σύμπαν και δήλωσε τη δυνατότητα μετασχηματισμού των στοιχείων. Από την άλλη πλευρά, η Γη, που βρίσκεται στο κέντρο του Σύμπαντος, παρακολουθούνταν από τον ουρανό, ο οποίος ήταν πάντα αμετάβλητος. Χάρη στην εξουσία του Αριστοτέλη, αυτή η θεωρία της δομής της ύλης και του συνόλου θεωρήθηκε έγκυρη για περισσότερα από δύο χιλιάδες χρόνια. Έγινε, μεταξύ άλλων, η βάση για την ανάπτυξη της αλχημείας, άρα και της ίδιας της χημείας (XNUMX).

2. Προτομή Δημόκριτου Αβδήρων (460-370 π.Χ.)

Ωστόσο, μια άλλη υπόθεση αναπτύχθηκε παράλληλα. Ο Λεύκιππος (XNUMXος αιώνας π.Χ.) πίστευε ότι η ύλη αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια κινείται στο κενό. Τις απόψεις του φιλοσόφου ανέπτυξε ο μαθητής του - Δημόκριτος ο Αβδήρων (περ. 460-370 π.Χ.) (2). Ονόμασε τα «μπλοκ» που απαρτίζουν την ύλη άτομα (ελληνικά atomos = αδιαίρετο). Υποστήριξε ότι είναι αδιαίρετα και αμετάβλητα και ότι ο αριθμός τους στο σύμπαν είναι σταθερός. Τα άτομα κινούνται στο κενό.

Όταν άτομα συνδέονται (με ένα σύστημα αγκίστρων και ματιών) - σχηματίζονται όλα τα είδη σωμάτων, και όταν χωρίζονται το ένα από το άλλο - τα σώματα καταστρέφονται. Ο Δημόκριτος πίστευε ότι υπάρχουν άπειρα είδη ατόμων, που διαφέρουν σε σχήμα και μέγεθος. Τα χαρακτηριστικά των ατόμων καθορίζουν τις ιδιότητες μιας ουσίας, για παράδειγμα, το γλυκό μέλι αποτελείται από λεία άτομα και το ξινό ξίδι από γωνιακά άτομα. Τα λευκά σώματα σχηματίζουν λεία άτομα και τα μαύρα σώματα σχηματίζουν άτομα με τραχιά επιφάνεια.

Ο τρόπος σύνδεσης του υλικού επηρεάζει επίσης τις ιδιότητες της ύλης: στα στερεά σώματα, τα άτομα εφαρμόζουν σφιχτά μεταξύ τους, ενώ στα μαλακά σώματα βρίσκονται χαλαρά. Η πεμπτουσία των απόψεων του Δημόκριτου είναι η δήλωση: «Στην πραγματικότητα, υπάρχει μόνο κενό και άτομα, όλα τα άλλα είναι μια ψευδαίσθηση».

Στους μεταγενέστερους αιώνες, οι απόψεις του Δημόκριτου αναπτύχθηκαν από διαδοχικούς φιλοσόφους, ενώ ορισμένες αναφορές βρίσκονται και στα έργα του Πλάτωνα. Ο Επίκουρος, ένας από τους διαδόχους, το πίστευε μάλιστα άτομα αποτελούνται από ακόμη μικρότερα συστατικά («στοιχειώδη σωματίδια»). Ωστόσο, η ατομική θεωρία της δομής της ύλης έχασε στα στοιχεία του Αριστοτέλη. Το κλειδί —ακόμα και τότε— αποδείχτηκε ότι ήταν η εμπειρία. Μέχρι να υπάρξουν όργανα για να επιβεβαιώσουν την ύπαρξη ατόμων, οι μετασχηματισμοί των στοιχείων παρατηρούνταν εύκολα.

Για παράδειγμα: όταν το νερό θερμαινόταν (ένα κρύο και υγρό στοιχείο), λαμβανόταν αέρας (ζεστός και υγρός ατμός) και το χώμα παρέμεινε στον πυθμένα του δοχείου (κρύα και ξηρά ιζήματα ουσιών διαλυμένων στο νερό). Τις ιδιότητες που έλειπαν -ζέστη και ξηρότητα- τις παρείχε η φωτιά με την οποία θερμάνθηκε το σκάφος.

Αμετάβλητο και σταθερό αριθμός ατόμων αντέκρουαν επίσης τις παρατηρήσεις, αφού μέχρι τον XNUMXο αιώνα, τα μικρόβια θεωρούνταν ότι προέκυψαν "από το τίποτα". Οι απόψεις του Δημόκριτου δεν παρείχαν καμία βάση για αλχημικά πειράματα σχετικά με τον μετασχηματισμό των μετάλλων. Ήταν επίσης δύσκολο να φανταστεί κανείς και να μελετήσει τον άπειρο αριθμό τύπων ατόμων. Η στοιχειώδης θεωρία φαινόταν πολύ πιο απλή και εξηγούσε τον κόσμο γύρω μας πιο πειστικά.

3. Portrait of Robert Boyle (1627–1691) του J. Kerseboom.

Πτώση και Αναγέννηση

Για αιώνες, η ατομική θεωρία ξεχώριζε από την επιστήμη. Ωστόσο, δεν πέθανε εντελώς· οι ιδέες της επέζησαν, φτάνοντας στους Ευρωπαίους επιστήμονες με τη μορφή αραβικών φιλοσοφικών μεταφράσεων αρχαίων έργων. Με την ανάπτυξη της ανθρώπινης γνώσης, τα θεμέλια της θεωρίας του Αριστοτέλη άρχισαν να καταρρέουν. Το ηλιοκεντρικό σύστημα του Νικόλαου Κοπέρνικου, οι πρώτες παρατηρήσεις υπερκαινοφανών (Tycho de Bras) που εμφανίστηκαν από το πουθενά, η ανακάλυψη των νόμων της κίνησης των πλανητών (Johannes Kepler) και τα φεγγάρια του Δία (Γαλιλαίος) σήμαιναν ότι τον δέκατο έκτο και δέκατο έβδομο αιώνα , οι άνθρωποι έπαψαν να ζουν κάτω από τον ουρανό αναλλοίωτοι από την αρχή του κόσμου . Στη γη, επίσης, υπήρχε ένα τέλος στις απόψεις του Αριστοτέλη.

Οι αιωνόβιες προσπάθειες των αλχημιστών δεν έφεραν τα αναμενόμενα αποτελέσματα - δεν κατάφεραν να μετατρέψουν τα συνηθισμένα μέταλλα σε χρυσό. Όλο και περισσότεροι επιστήμονες αμφισβήτησαν την ύπαρξη των ίδιων των στοιχείων και θυμήθηκαν τη θεωρία του Δημόκριτου.

4. Το πείραμα του 1654 με τα ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου απέδειξε την ύπαρξη κενού και ατμοσφαιρικής πίεσης (16 άλογα δεν μπορούν να σχίσουν τα γειτονικά ημισφαίρια από τα οποία αντλήθηκε αέρας!)

Ο Robert Boyle το 1661 έδωσε έναν πρακτικό ορισμό του χημικού στοιχείου ως ουσίας που δεν μπορεί να διαχωριστεί στα συστατικά του με χημική ανάλυση (3). Πίστευε ότι η ύλη αποτελείται από μικρά, σκληρά και αδιαίρετα σωματίδια που ποικίλλουν σε σχήμα και μέγεθος. Συνδυάζοντας, σχηματίζουν τα μόρια των χημικών ενώσεων που συνθέτουν την ύλη.

Ο Μπόιλ ονόμασε αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια σωμάτια, ή «σωμάτια» (υποκοριστικό της λατινικής λέξης corpus = σώμα). Οι απόψεις του Boyle αναμφίβολα επηρεάστηκαν από την εφεύρεση της αντλίας κενού (Otto von Guericke, 1650) και τη βελτίωση των εμβολοφόρων αντλιών για συμπίεση αέρα. Η ύπαρξη κενού και η δυνατότητα αλλαγής της απόστασης (ως αποτέλεσμα συμπίεσης) μεταξύ των σωματιδίων του αέρα μαρτυρούν υπέρ της θεωρίας του Δημόκριτου (4).

Ο μεγαλύτερος επιστήμονας της εποχής, ο Sir Isaac Newton, ήταν επίσης ατομικός επιστήμονας. (5). Με βάση τις απόψεις του Boyle, πρότεινε μια υπόθεση για τη σύντηξη του σώματος σε μεγαλύτερους σχηματισμούς. Αντί για το αρχαίο σύστημα των οπών και των αγκίστρων, το δέσιμο τους γινόταν - πώς αλλιώς - με τη βαρύτητα.

5. Portrait of Sir Isaac Newton (1642-1727), έργο του G. Kneller.

Έτσι, ο Νεύτωνας ενοποίησε τις αλληλεπιδράσεις σε ολόκληρο το Σύμπαν - μια δύναμη έλεγχε τόσο την κίνηση των πλανητών όσο και τη δομή των μικρότερων συστατικών της ύλης. Ο επιστήμονας πίστευε ότι το φως αποτελείται επίσης από σωματίδια.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι είχε «μισό δίκιο» - πολλές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ακτινοβολίας και ύλης εξηγούνται από τη ροή των φωτονίων.

Η χημεία μπαίνει στο παιχνίδι

Σχεδόν μέχρι το τέλος του XNUMXου αιώνα, τα άτομα ήταν το προνόμιο των φυσικών. Ωστόσο, ήταν η χημική επανάσταση, που ξεκίνησε από τον Antoine Lavoisier, που έκανε την έννοια της κοκκώδους δομής της ύλης γενικά αποδεκτή.

Η ανακάλυψη της πολύπλοκης δομής των αρχαίων στοιχείων - του νερού και του αέρα - διέψευσε τελικά τη θεωρία του Αριστοτέλη. Στα τέλη του XNUMXου αιώνα, ο νόμος της διατήρησης της μάζας και η πίστη στην αδυναμία μετατροπής των στοιχείων δεν προκάλεσαν επίσης αντιρρήσεις. Οι ζυγοί έχουν γίνει τυπικός εξοπλισμός στο εργαστήριο χημείας.

6. Τζον Ντάλτον (1766–1844)

Χάρη στη χρήση του, παρατηρήθηκε ότι τα στοιχεία συνδυάζονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ορισμένες χημικές ενώσεις σε σταθερές αναλογίες μάζας (ανεξάρτητα από την προέλευσή τους - φυσική ή τεχνητή - και τη μέθοδο σύνθεσης).

Αυτή η παρατήρηση μπορεί εύκολα να εξηγηθεί αν υποθέσουμε ότι η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα μέρη που αποτελούν ένα ενιαίο σύνολο. άτομα. Αυτό το μονοπάτι ακολούθησε ο δημιουργός της σύγχρονης ατομικής θεωρίας, John Dalton (1766-1844) (6). Ο επιστήμονας δήλωσε το 1808 ότι:

1. Τα άτομα είναι άφθαρτα και αμετάβλητα (αυτό, φυσικά, απέκλεισε την πιθανότητα αλχημικών μετασχηματισμών).
2. Όλη η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα άτομα.
3. Όλα τα άτομα ενός δεδομένου στοιχείου είναι ίδια, δηλαδή έχουν το ίδιο σχήμα, μάζα και ιδιότητες. Ωστόσο, διαφορετικά στοιχεία αποτελούνται από διαφορετικά άτομα.
4. Στις χημικές αντιδράσεις αλλάζει μόνο ο τρόπος ένωσης των ατόμων, από τον οποίο δομούνται μόρια χημικών ενώσεων - σε ορισμένες αναλογίες (7).

Μια άλλη ανακάλυψη, βασισμένη επίσης στην παρατήρηση της προόδου των χημικών αλλαγών, ήταν η υπόθεση του Ιταλού φυσικού Amadeo Avogadro. Ο επιστήμονας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ίσοι όγκοι αερίων υπό τις ίδιες συνθήκες (πίεση και θερμοκρασία) περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Αυτή η ανακάλυψη κατέστησε δυνατή τη δημιουργία των τύπων πολλών χημικών ενώσεων και τον προσδιορισμό των μαζών άτομα.

7. Ατομικά σύμβολα που χρησιμοποιούνται από τον Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Πλατωνικά στερεά - σύμβολα ατόμων αρχαίων «στοιχείων» (Wikipedia, συγγραφέας: Maxim Pe)

Πόσες φορές να κόψω;

Η εμφάνιση της ιδέας του ατόμου συνδέθηκε με το ερώτημα: "Υπάρχει τέλος στη διαίρεση της ύλης;" Για παράδειγμα, πάρτε ένα μήλο με διάμετρο 10 εκ. και ένα μαχαίρι και αρχίστε να κόβετε τα φρούτα. Πρώτα στο μισό, μετά μισό μήλο σε δύο ακόμη μέρη (παράλληλα με την προηγούμενη κοπή), κλπ. Μετά από μερικές φορές, φυσικά, θα τελειώσουμε, αλλά τίποτα δεν μας εμποδίζει να συνεχίσουμε το πείραμα στη φαντασία ενός ατόμου; Χίλια, ένα εκατομμύριο ή μήπως περισσότερα;

Αφού φάμε ένα μήλο σε φέτες (νόστιμο!), ας αρχίσουμε να κάνουμε τους υπολογισμούς (όσοι γνωρίζουν την έννοια της γεωμετρικής προόδου θα έχουν λιγότερο πρόβλημα). Η πρώτη διαίρεση θα μας δώσει το μισό φρούτο πάχους 5 εκ., το επόμενο κόψιμο θα μας δώσει μια φέτα πάχους 2,5 εκ. κλπ... 10 σπασμένα! Επομένως, το «μονοπάτι» προς τον κόσμο των ατόμων δεν είναι μακρύ.

*) Χρησιμοποιούμε ένα μαχαίρι με απείρως λεπτή λάμα. Στην πραγματικότητα, τέτοιο αντικείμενο δεν υπάρχει, αλλά επειδή η έρευνα του Άλμπερτ Αϊνστάιν αφορούσε τρένα που κινούνταν με την ταχύτητα του φωτός, μας επιτρέπεται επίσης, για το σκοπό ενός πειράματος σκέψης, να κάνουμε την παραπάνω υπόθεση.

Πλατωνικά άτομα

Ο Πλάτωνας, ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά της αρχαιότητας, περιέγραψε τα άτομα από τα οποία υποτίθεται ότι συνέθεταν τα στοιχεία στον διάλογό του Τίμαχος. Αυτοί οι σχηματισμοί είχαν το σχήμα κανονικών πολύεδρων (πλατωνικά στερεά). Έτσι, το τετράεδρο ήταν άτομο φωτιάς (ως το μικρότερο και πιο πτητικό), το οκτάεδρο ήταν άτομο αέρα και το εικοσάεδρο ήταν άτομο νερού (όλα τα στερεά έχουν τοιχώματα ισόπλευρων τριγώνων). Ένας κύβος τετραγώνων είναι ένα άτομο της γης και ένα δωδεκάεδρο πενταγώνων είναι ένα άτομο ενός ιδανικού στοιχείου - του ουράνιου αιθέρα (8).