Met een atoom door de eeuwen heen - deel 1

De vorige eeuw wordt vaak de "leeftijd van het atoom" genoemd. In die niet al te verre tijd werd het bestaan ​​van de "stenen" waaruit de wereld om ons heen bestaat eindelijk bewezen, en de krachten die erin sluimeren werden losgelaten. Het idee van het atoom zelf heeft echter een zeer lange geschiedenis, en het verhaal van de geschiedenis van kennis van de structuur van materie kan niet anders worden begonnen dan met woorden die verwijzen naar de oudheid.

1. Een fragment van Raphael's fresco "The School of Athens", met een afbeelding van Plato (rechts heeft de filosoof de trekken van Leonardo da Vinci) en Aristoteles

"Al oud..."

… filosofen kwamen tot de conclusie dat de hele natuur uit onmerkbaar kleine deeltjes bestaat. Natuurlijk hadden wetenschappers op dat moment (en nog lang daarna) niet de mogelijkheid om hun aannames te testen. Ze waren slechts een poging om de waarnemingen van de natuur te verklaren en de vraag te beantwoorden: "Kan materie voor onbepaalde tijd vervallen, of komt er een einde aan splijting?«

Antwoorden werden gegeven in verschillende culturele kringen (voornamelijk in het oude India), maar de ontwikkeling van de wetenschap werd beïnvloed door de studies van Griekse filosofen. In de vakantie-edities van "Young Technician" van vorig jaar leerden lezers over de eeuwenoude geschiedenis van de ontdekking van elementen ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), die ook begon in het oude Griekenland. In de XNUMXe eeuw voor Christus werd in verschillende stoffen gezocht naar het hoofdbestanddeel waaruit materie (element, element) is opgebouwd: water (Thales), lucht (Anaximenes), vuur (Heraclitus) of aarde (Xenophanes).

Empedocles verzoende ze allemaal en verklaarde dat materie niet uit één, maar uit vier elementen bestaat. Aristoteles (1e eeuw voor Christus) voegde nog een ideale substantie toe - ether, die het hele universum vult, en verklaarde de mogelijkheid van de transformatie van elementen. Aan de andere kant werd de aarde, die zich in het centrum van het universum bevindt, waargenomen door de lucht, die altijd onveranderd was. Dankzij het gezag van Aristoteles werd deze theorie van de structuur van de materie en het geheel meer dan tweeduizend jaar als correct beschouwd. Werd onder andere de basis voor de ontwikkeling van de alchemie, en dus van de chemie zelf (XNUMX).

2. Buste van Democritus van Abdera (460-370 v.Chr.)

Parallel werd echter ook een andere hypothese ontwikkeld. Leucippus (XNUMXe eeuw voor Christus) geloofde dat materie is samengesteld uit: zeer kleine deeltjes bewegen in een vacuüm. De opvattingen van de filosoof werden ontwikkeld door zijn leerling - Democritus van Abdera (ca. 460-370 v.Chr.) (2). Hij noemde de "blokken" waaruit materie bestaat atomen (Grieks atomos = ondeelbaar). Hij voerde aan dat ze ondeelbaar en onveranderlijk zijn, en dat hun aantal in het universum constant is. Atomen bewegen in een vacuüm.

Wanneer atomen ze zijn verbonden (door een systeem van haken en ogen) - allerlei soorten lichamen worden gevormd, en wanneer ze van elkaar worden gescheiden - worden de lichamen vernietigd. Democritus geloofde dat er oneindig veel soorten atomen zijn, die verschillen in vorm en grootte. De eigenschappen van atomen bepalen de eigenschappen van een stof, zoete honing bestaat bijvoorbeeld uit gladde atomen en zure azijn uit hoekige atomen; witte lichamen vormen gladde atomen en zwarte lichamen vormen atomen met een ruw oppervlak.

De manier waarop een materiaal is verbonden, heeft ook invloed op de eigenschappen van materie: in vaste stoffen grenzen atomen stevig aan elkaar en in zachte lichamen bevinden ze zich losjes. De kwintessens van de opvattingen van Democritus is de uitspraak: "In feite is er alleen leegte en atomen, al het andere is een illusie."

In latere eeuwen werden de opvattingen van Democritus ontwikkeld door opeenvolgende filosofen, sommige verwijzingen zijn ook te vinden in de geschriften van Plato. Epicurus - een van de opvolgers - geloofde zelfs dat atomen ze bestaan ​​uit nog kleinere componenten (“elementaire deeltjes”). De atomistische theorie van de structuur van de materie ging echter verloren aan de elementen van Aristoteles. De sleutel - toen al - werd gevonden in de ervaring. Totdat er hulpmiddelen waren om het bestaan ​​van atomen te bevestigen, waren de transformaties van elementen gemakkelijk waar te nemen.

Bijvoorbeeld: wanneer water werd verwarmd (koud en nat element), werd lucht verkregen (hete en natte stoom) en bleef er grond op de bodem van het vat (koude en droge neerslag van in water opgeloste stoffen). De ontbrekende eigenschappen - warmte en droogte - werden geleverd door vuur, dat het vat verwarmde.

Invariantie en constante aantal atomen ze waren ook in tegenspraak met waarnemingen, aangezien men dacht dat microben tot de XNUMXe eeuw "uit het niets" tevoorschijn kwamen. De opvattingen van Democritus boden geen enkele basis voor alchemistische experimenten met betrekking tot de transformatie van metalen. Het was ook moeilijk om de oneindige verscheidenheid aan soorten atomen voor te stellen en te bestuderen. De elementaire theorie leek veel eenvoudiger en legde de omringende wereld overtuigender uit.

3. Portret van Robert Boyle (1627-1691) door J. Kerseboom.

Val en wedergeboorte

Eeuwenlang heeft de atoomtheorie zich onderscheiden van de reguliere wetenschap. Ze stierf echter niet uiteindelijk, haar ideeën overleefden en bereikten Europese wetenschappers in de vorm van Arabische filosofische vertalingen van oude geschriften. Met de ontwikkeling van de menselijke kennis begonnen de fundamenten van de theorie van Aristoteles af te brokkelen. Het heliocentrische systeem van Nicolaus Copernicus, de eerste waarnemingen van supernovae (Tycho de Brache) die uit het niets ontstonden, de ontdekking van de bewegingswetten van de planeten (Johannes Kepler) en de manen van Jupiter (Galileo) betekenden dat in de zestiende en zeventiende Eeuwenlang hielden mensen op onder de hemel te leven, onveranderd vanaf het begin van de wereld. Ook op aarde was het einde van de opvattingen van Aristoteles.

De eeuwenoude pogingen van alchemisten brachten niet de verwachte resultaten - ze slaagden er niet in gewone metalen in goud te veranderen. Steeds meer wetenschappers trokken het bestaan ​​van de elementen zelf in twijfel en herinnerden zich de theorie van Democritus.

4. Het experiment van 1654 met de Magdeburgse hemisferen bewees het bestaan ​​van vacuüm en atmosferische druk (16 paarden kunnen aangrenzende hemisferen niet breken waaruit lucht werd weggepompt!)

Robert Boyle gaf in 1661 een praktische definitie van een chemisch element als een stof die niet door chemische analyse in zijn componenten kan worden afgebroken (3). Hij geloofde dat materie bestaat uit kleine, vaste en ondeelbare deeltjes die verschillen in vorm en grootte. Samen vormen ze moleculen van chemische verbindingen waaruit materie bestaat.

Boyle noemde deze kleine deeltjes bloedlichaampjes, of "lichaampjes" (een verkleinwoord van het Latijnse woord corpus = lichaam). Boyle's opvattingen werden ongetwijfeld beïnvloed door de uitvinding van de vacuümpomp (Otto von Guericke, 1650) en de verbetering van zuigerpompen voor het samenpersen van lucht. Het bestaan ​​van een vacuüm en de mogelijkheid om de afstand (als gevolg van compressie) tussen luchtdeeltjes te veranderen getuigde in het voordeel van de theorie van Democritus (4).

De grootste wetenschapper van die tijd, Sir Isaac Newton, was ook een atoomwetenschapper. (5). Op basis van de opvattingen van Boyle kwam hij met een hypothese over de versmelting van het lichaam tot grotere formaties. In plaats van het oeroude systeem van oogjes en haken, gebeurde het vastbinden - hoe anders - door de zwaartekracht.

5. Portret van Sir Isaac Newton (1642-1727), door G. Kneller.

Zo verenigde Newton de interacties in het hele universum - één kracht controleerde zowel de beweging van de planeten als de structuur van de kleinste componenten van materie. De wetenschapper geloofde dat licht ook uit bloedlichaampjes bestaat.

Tegenwoordig weten we dat hij "half gelijk" had - talrijke interacties tussen straling en materie worden verklaard door de stroom van fotonen.

Chemie komt in het spel

Tot bijna het einde van de XNUMXe eeuw waren atomen het voorrecht van natuurkundigen. Het was echter de chemische revolutie die werd geïnitieerd door Antoine Lavoisier die het idee van de korrelige structuur van materie algemeen aanvaardde.

De ontdekking van de complexe structuur van de oude elementen - water en lucht - weerlegde uiteindelijk de theorie van Aristoteles. Aan het einde van de XNUMXe eeuw riepen ook de wet van behoud van massa en het geloof in de onmogelijkheid van de transformatie van elementen geen bezwaren op. Weegschalen zijn standaarduitrusting geworden in het chemisch laboratorium.

6. John Dalton (1766-1844)

Dankzij het gebruik ervan werd opgemerkt dat de elementen met elkaar combineren en bepaalde chemische verbindingen vormen in constante massaverhoudingen (ongeacht hun oorsprong - natuurlijk of kunstmatig verkregen - en de synthesemethode).

Deze observatie is gemakkelijk verklaarbaar geworden als we aannemen dat materie bestaat uit ondeelbare delen die samen één geheel vormen. atomen. De maker van de moderne theorie van het atoom, John Dalton (1766-1844) (6), volgde deze weg. Een wetenschapper verklaarde in 1808 dat:

1. Atomen zijn onverwoestbaar en onveranderlijk (dit sluit natuurlijk de mogelijkheid van alchemistische transformaties uit).
2. Alle materie is opgebouwd uit ondeelbare atomen.
3. Alle atomen van een bepaald element zijn hetzelfde, dat wil zeggen dat ze dezelfde vorm, massa en eigenschappen hebben. Verschillende elementen zijn echter opgebouwd uit verschillende atomen.
4. Bij chemische reacties verandert alleen de manier waarop atomen worden samengevoegd, waaruit moleculen van chemische verbindingen worden opgebouwd - in bepaalde verhoudingen (7).

Een andere ontdekking, ook gebaseerd op het observeren van het verloop van chemische veranderingen, was de hypothese van de Italiaanse natuurkundige Amadeo Avogadro. De wetenschapper kwam tot de conclusie dat gelijke volumes gassen onder dezelfde omstandigheden (druk en temperatuur) hetzelfde aantal moleculen bevatten. Deze ontdekking maakte het mogelijk om de formules van veel chemische verbindingen vast te stellen en de massa's te bepalen atomen.

7. Atomaire symbolen gebruikt door Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platonische lichamen - symbolen van atomen van oude "elementen" (Wikipedia, auteur: Maxim Pe)

Hoe vaak te snijden?

De opkomst van het idee van het atoom werd geassocieerd met de vraag: "Is er een einde aan de verdeling van materie?". Laten we bijvoorbeeld een appel nemen met een diameter van 10 cm en een mes en beginnen met het snijden van het fruit. Eerst in tweeën, dan een halve appel in nog twee delen (parallel aan de vorige snede), enz. Na een paar keer zullen we natuurlijk eindigen, maar niets belet ons om het experiment voort te zetten in de verbeelding van één atoom? Duizend, een miljoen, misschien meer?

Na het eten van een gesneden appel (heerlijk!), Laten we beginnen met de berekeningen (degenen die het concept van een geometrische progressie kennen, zullen minder problemen hebben). De eerste snede geeft ons de helft van de vrucht met een dikte van 5 cm, de volgende snede geeft ons een schijf met een dikte van 2,5 cm, enz. ... 10 geklopte! Daarom is het "pad" naar de wereld van atomen niet lang.

*) Gebruik een mes met een oneindig dun lemmet. In feite bestaat zo'n object niet, maar aangezien Albert Einstein in zijn onderzoek treinen beschouwde die met de snelheid van het licht reden, mogen we - ten behoeve van een gedachte-experiment - ook bovenstaande aanname doen.

Platonische atomen

Plato, een van de grootste geesten uit de oudheid, beschreef de atomen waaruit de elementen moesten worden samengesteld in de Timachos-dialoog. Deze formaties hadden de vorm van regelmatige veelvlakken (platonische lichamen). Dus de tetraëder was een atoom van vuur (als de kleinste en meest vluchtige), de octaëder was een atoom van lucht en de icosaëder was een atoom van water (alle vaste stoffen hebben wanden van gelijkzijdige driehoeken). Een kubus van vierkanten is een atoom van de aarde, en een dodecaëder van vijfhoeken is een atoom van een ideaal element - de hemelether (8).