با یک اتم در طول اعصار - قسمت 1

قرن گذشته اغلب به عنوان "عصر اتم" شناخته می شود. در آن زمان نه چندان دور، سرانجام وجود "آجر"هایی که دنیای اطراف ما را تشکیل می دهند ثابت شد و نیروهای خفته در آنها رها شدند. با این حال، ایده خود اتم سابقه بسیار طولانی دارد و داستان تاریخ دانش ساختار ماده را نمی توان جز با کلماتی که به دوران باستان اشاره می کند شروع کرد.

1. قطعه ای از نقاشی دیواری رافائل "مدرسه آتن" که افلاطون (در سمت راست، فیلسوف دارای ویژگی های لئوناردو داوینچی است) و ارسطو را به تصویر می کشد.

"از قبل باستانی..."

فیلسوفان به این نتیجه رسیدند که همه طبیعت از ذرات ریز و نامحسوس تشکیل شده است. البته در آن زمان (و تا مدتها پس از آن) دانشمندان فرصتی برای آزمایش فرضیات خود نداشتند. آنها فقط تلاشی برای توضیح مشاهدات طبیعت و پاسخ به این سؤال بودند:آیا ماده می تواند به طور نامحدود تجزیه شود یا شکافت پایانی دارد؟«

پاسخ ها در محافل فرهنگی مختلف (عمدتاً در هند باستان) داده شد، اما توسعه علم تحت تأثیر مطالعات فیلسوفان یونانی بود. در شماره های تعطیلات سال گذشته "تکنسین جوان"، خوانندگان در مورد تاریخچه قرن ها کشف عناصر ("خطرات با عناصر"، MT 7-9/2014) آشنا شدند که از یونان باستان نیز آغاز شد. در قرن هفتم قبل از میلاد، مؤلفه اصلی که ماده (عنصر، عنصر) از آن ساخته شده است در مواد مختلف جستجو می شد: آب (تالس)، هوا (آناکسیمنس)، آتش (هراکلیتوس) یا خاک (گزنوفان).

امپدوکلس همه آنها را آشتی داد و اعلام کرد که ماده نه از یک، بلکه از چهار عنصر تشکیل شده است. ارسطو (قرن 1 قبل از میلاد) یک ماده ایده آل دیگر - اتر را اضافه کرد که کل جهان را پر می کند و امکان تبدیل عناصر را اعلام کرد. از سوی دیگر، زمین که در مرکز کیهان قرار دارد، توسط آسمان مشاهده می شد که همیشه بدون تغییر بود. به برکت اقتدار ارسطو، بیش از دو هزار سال این نظریه درباره ساختار ماده و کل آن صحیح تلقی می شد. در میان چیزهای دیگر، پایه ای برای توسعه کیمیاگری و در نتیجه خود شیمی شد (XNUMX).

2. مجسمه نیم تنه دموکریتوس آبدره (460-370 قبل از میلاد)

با این حال، فرضیه دیگری نیز به موازات آن ایجاد شد. Leucippus (قرن XNUMX قبل از میلاد) معتقد بود که ماده از ذرات بسیار کوچک حرکت در خلاء دیدگاه های فیلسوف توسط شاگردش - دموکریتوس آبدره (حدود 460-370 قبل از میلاد) توسعه یافت (2). او «بلوک‌هایی» را که ماده را اتم می‌سازند (یونانی atomos = غیرقابل تقسیم) نامید. او استدلال کرد که آنها تقسیم ناپذیر و غیرقابل تغییر هستند و تعداد آنها در جهان ثابت است. اتم ها در خلاء حرکت می کنند.

وقتی که اتم ها آنها به هم متصل می شوند (با سیستمی از قلاب ها و چشم ها) - انواع اجسام تشکیل می شوند و وقتی از یکدیگر جدا می شوند - اجسام از بین می روند. دموکریتوس معتقد بود که بی نهایت انواع اتم وجود دارد که از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند. خصوصیات اتم ها خواص یک ماده را مشخص می کند، مثلاً عسل شیرین از اتم های صاف و سرکه ترش از اتم های زاویه دار تشکیل شده است. اجسام سفید اتم های صاف و اجسام سیاه اتم هایی با سطح ناهموار تشکیل می دهند.

نحوه اتصال یک ماده نیز بر خواص ماده تأثیر می گذارد: در جامدات، اتم ها کاملاً در مجاورت یکدیگر قرار دارند و در اجسام نرم به صورت شل قرار دارند. ماهیت نظرات دموکریتوس این جمله است: "در واقع، فقط پوچی و اتم وجود دارد، هر چیز دیگری یک توهم است."

در قرون بعد، دیدگاه های دموکریتوس توسط فیلسوفان متوالی توسعه یافت، برخی از اشارات نیز در نوشته های افلاطون یافت می شود. اپیکور - یکی از جانشینان - حتی معتقد بود اتم ها آنها حتی از اجزای کوچکتر ("ذرات بنیادی") تشکیل شده اند. با این حال، نظریه اتمی ساختار ماده به عناصر ارسطو باخت. کلید - قبلاً در آن زمان - در تجربه پیدا شده بود. تا زمانی که ابزارهایی برای تأیید وجود اتم ها وجود داشت، تبدیل عناصر به راحتی مشاهده می شد.

به عنوان مثال: هنگامی که آب گرم می شد (عنصر سرد و مرطوب)، هوا به دست می آمد (بخار گرم و مرطوب) و خاک در ته ظرف باقی می ماند (رسوب سرد و خشک مواد محلول در آب). خواص از دست رفته - گرما و خشکی - توسط آتش فراهم شد که ظرف را گرم کرد.

تغییر ناپذیر و ثابت تعداد اتم ها آنها همچنین با مشاهدات مخالف بودند، زیرا تا قرن نوزدهم تصور می شد میکروب ها "از هیچ" ظاهر می شوند. دیدگاه‌های دموکریتوس هیچ مبنایی برای آزمایش‌های کیمیاگری مرتبط با تبدیل فلزات ارائه نکرد. همچنین تصور و مطالعه تنوع بی‌نهایت انواع اتم‌ها دشوار بود. نظریه ابتدایی بسیار ساده تر به نظر می رسید و جهان اطراف را به طور قانع کننده تری توضیح می داد.

3. پرتره رابرت بویل (1627–1691) توسط جی. کرسبوم.

سقوط و تولد دوباره

برای قرن ها، نظریه اتمی جدا از علم جریان اصلی ایستاده است. با این حال، او سرانجام نمرد، ایده های او زنده ماند و در قالب ترجمه های فلسفی عربی از نوشته های باستانی به دست دانشمندان اروپایی رسید. با توسعه دانش بشری، پایه های نظریه ارسطو شروع به فروپاشی کرد. منظومه هلیومرکزی نیکلاس کوپرنیک، اولین مشاهدات ابرنواخترها (Tycho de Brache) برخاسته از ناکجاآباد، کشف قوانین حرکت سیارات (یوهانس کپلر) و قمرهای مشتری (گالیله) به این معنی بود که در شانزدهم و هفدهم قرن ها، مردم از آغاز جهان بدون تغییر در زیر آسمان زندگی نمی کردند. بر روی زمین نیز پایان آرای ارسطو بود.

تلاش های چند صد ساله کیمیاگران نتایج مورد انتظار را به همراه نداشت - آنها نتوانستند فلزات معمولی را به طلا تبدیل کنند. دانشمندان بیش از پیش وجود خود عناصر را زیر سوال بردند و نظریه دموکریتوس را به یاد آوردند.

4. آزمایش سال 1654 با نیمکره های ماگدبورگ وجود خلاء و فشار اتمسفر را ثابت کرد (16 اسب نمی توانند نیمکره های همسایه را که هوا از آن پمپاژ می شود بشکند!)

رابرت بویل در سال 1661 یک تعریف عملی از عنصر شیمیایی به عنوان ماده ای ارائه کرد که با تجزیه و تحلیل شیمیایی به اجزای آن تجزیه نمی شود (3). او معتقد بود که ماده از ذرات کوچک، جامد و غیرقابل تقسیم تشکیل شده است که از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند. آنها با ترکیب، مولکول هایی از ترکیبات شیمیایی تشکیل می دهند که ماده را تشکیل می دهند.

بویل این ذرات ریز را کورپوسکل یا «جسم» (تقلیل کلمه لاتین corpus = جسم) نامید. نظرات بویل بدون شک تحت تأثیر اختراع پمپ خلاء (اتو فون گوریکه، 1650) و بهبود پمپ های پیستونی برای فشرده سازی هوا بود. وجود خلاء و امکان تغییر فاصله (در اثر فشردگی) بین ذرات هوا به نفع نظریه دموکریتوس گواهی می دهد (4).

بزرگترین دانشمند آن زمان، سر اسحاق نیوتن، نیز دانشمند اتمی بود. (5). بر اساس دیدگاه بویل، او فرضیه ای را در مورد ادغام بدن در تشکیلات بزرگتر مطرح کرد. به جای سیستم باستانی چشمک ها و قلاب ها، گره زدن آنها - وگرنه - با نیروی جاذبه بود.

5. پرتره سر آیزاک نیوتن (1642-1727)، اثر جی.

بنابراین، نیوتن فعل و انفعالات را در کل جهان متحد کرد - یک نیرو هم حرکت سیارات و هم ساختار کوچکترین اجزای ماده را کنترل می کرد. این دانشمند معتقد بود که نور نیز از اجسام تشکیل شده است.

امروز می دانیم که او "نصف راست" می گفت - فعل و انفعالات متعدد بین تشعشع و ماده توسط جریان فوتون ها توضیح داده شده است.

شیمی وارد بازی می شود

تقریباً تا پایان قرن XNUMX، اتم ها در اختیار فیزیکدانان بودند. با این حال، انقلاب شیمیایی آغاز شده توسط آنتوان لاووازیه بود که باعث شد ایده ساختار دانه ای ماده به طور کلی پذیرفته شود.

کشف ساختار پیچیده عناصر باستانی - آب و هوا - سرانجام نظریه ارسطو را رد کرد. در پایان قرن هجدهم، قانون بقای جرم و اعتقاد به غیرممکن بودن تغییر شکل عناصر نیز اعتراضی به همراه نداشت. ترازو به تجهیزات استاندارد در آزمایشگاه شیمی تبدیل شده است.

6. جان دالتون (1766-1844)

به لطف استفاده از آن، مشاهده شد که عناصر با یکدیگر ترکیب می شوند و ترکیبات شیمیایی خاصی را با نسبت جرم ثابت تشکیل می دهند (صرف نظر از منشاء آنها - طبیعی یا مصنوعی به دست آمده - و روش سنتز).

اگر فرض کنیم که ماده از اجزای تقسیم ناپذیری تشکیل شده است که یک کل واحد را تشکیل می دهند، این مشاهده به راحتی قابل توضیح است. اتم ها. خالق نظریه مدرن اتم، جان دالتون (1766-1844) (6) این راه را دنبال کرد. دانشمندی در سال 1808 بیان کرد که:

1. اتم ها تخریب ناپذیر و تغییر ناپذیر هستند (البته این امر امکان دگرگونی های کیمیاگری را رد می کند).
2. همه مواد از اتم های غیرقابل تقسیم ساخته شده اند.
3. همه اتم های یک عنصر معین یکسان هستند، یعنی شکل، جرم و خواص یکسانی دارند. با این حال، عناصر مختلف از اتم های مختلف ساخته شده اند.
4. در واکنش‌های شیمیایی، فقط نحوه اتصال اتم‌ها تغییر می‌کند که از آن مولکول‌های ترکیبات شیمیایی - به نسبت‌های معین - ساخته می‌شود (7).

کشف دیگری که بر اساس مشاهده سیر تغییرات شیمیایی نیز انجام شد، فرضیه آمادئو آووگادرو فیزیکدان ایتالیایی بود. دانشمند به این نتیجه رسید که حجم گازهای مساوی در شرایط یکسان (فشار و دما) دارای تعداد یکسانی مولکول است. این کشف امکان ایجاد فرمول بسیاری از ترکیبات شیمیایی و تعیین جرم ها را فراهم کرد اتم ها.

7. نمادهای اتمی مورد استفاده دالتون (سیستم جدید فلسفه شیمی، 1808)

8. جامدات افلاطونی - نمادهای اتم های "عناصر" باستانی (ویکی پدیا، نویسنده: ماکسیم پی)

چند بار برش بزنیم؟

پیدایش ایده اتم با این سوال همراه بود: "آیا تقسیم ماده پایانی دارد؟". به عنوان مثال، یک سیب به قطر 10 سانتی متر و یک چاقو برداریم و شروع به برش دادن میوه کنیم. اول نصف بعد نصف سیب را دو قسمت دیگر (موازی با برش قبلی) و غیره بعد از چند بار البته تمام می کنیم اما هیچ چیز مانع از ادامه آزمایش در تصور یک اتم نمی شود؟ هزار، یک میلیون، شاید بیشتر؟

پس از خوردن یک سیب ورقه شده (خوشمزه!)، بیایید محاسبات را شروع کنیم (کسانی که مفهوم پیشرفت هندسی را می دانند، مشکل کمتری خواهند داشت). تقسیم اول نصف میوه به ضخامت 5 سانتی متر به ما می دهد، برش بعدی یک برش به ضخامت 2,5 سانتی متر و غیره ... 10 عدد زده شده! بنابراین، «مسیر» به دنیای اتم ها طولانی نیست.

*) از چاقویی با تیغه بی نهایت نازک استفاده کنید. در واقع، چنین جسمی وجود ندارد، اما از آنجایی که آلبرت انیشتین در تحقیقات خود قطارهایی را در نظر گرفته است که با سرعت نور حرکت می کنند، ما نیز اجازه داریم - برای اهداف یک آزمایش فکری - فرض فوق را انجام دهیم.

اتم های افلاطونی

افلاطون، یکی از بزرگ‌ترین ذهن‌های دوران باستان، در گفت‌وگوی تیماخوس، اتم‌هایی را که قرار بود عناصر آن تشکیل شوند، توصیف کرد. این سازندها شکل چندوجهی منظم (جامدات افلاطونی) داشتند. بنابراین، چهار وجهی یک اتم آتش (به عنوان کوچکترین و فرارترین)، هشت وجهی یک اتم هوا، و ایکو وجهی یک اتم آب بود (همه جامدات دارای دیواره هایی از مثلث متساوی الاضلاع هستند). یک مکعب مربع یک اتم از زمین است و یک دوازده وجهی از پنج ضلعی اتم یک عنصر ایده آل - اتر آسمانی است (8).