Начало формирования атомарных представлений о строении материи

С самого начала зарождения натурфилософии учёные искали первооснову всего материального. Первый вклад в развитие атомарных представлений был сделан греками. Сведения о первой теории строения вещества содержатся в работах Фалеса (625-547 гг. до н.э.), считавшего, что в основе всего сущего лежит вода. Он утверждал, что если воду уплотнить, то получаются твёрдые тела, если воду испарить, то получается воздух, при этом даже Земля плавает в воде, как кусок дерева.

Эмпедокл из Агригента в своих трудах обосновывал су-ществование четырёх стихий: огня, воздуха, воды и земли; ут-верждая, что всё остальное состоит из них, а сами стихии объе-динены силами взаимодействия («возбудители движения»): лю-бовь, объединяющая, и вражда, разделяющая их.

В V в. до н.э. Левкипп, Демокрит, Эпикур высказывали точку зрения, что всё состоит из мельчайших частичек - атомов, которые различаются своей формой, порядком расположения и ориентацией в теле, а между атомами находится пустота. Атомы связывают своеобразные «крючки», расположенные на боковых стенках атомов, с помощью которых они «цепляются» друг за друга.

Демокрит пришел к выводу, что предел деления сущест-вует, и назвал последнюю неделимую частицу атомом. Работы Демокрита объединяли в себе учение о Вселенной (космосе), рас-суждения о гносеологических вопросах, логику, этику, начала математики, биологию, психологию. Философ был настолько убеждён в своей правоте, что распространял рассуждения о строении тел даже на человеческую душу и Бога, рассматривая их как комбинацию специфических атомов.

Последователем идей Левкиппа и Демокрита был Эпикур и Т. Л. Кар. Анаксагор проповедовал идею бесконечности мате-рии как следствие бесконечной делимости материи.

Идеи Демокрита не нашли поддержки в работах Аристо-теля. Он абсолютизировал математический подход к объяснению наблюдающихся явлений и, экстраполируя этот подход на описа-ние свойств материи, отвергал возможность конечности деления материального объекта. Аристотель утверждал, что такое деление возможно до бесконечности. Если атомы неделимы, то можно ли говорить о форме, относительном расположении и ориентации того, у чего нет частей. Эмпирическая проверка была невозмож-на, а репутация Аристотеля была столь велика, что идеи Демок-рита были забыты на много веков, документы утрачены, а мысли Демокрита сохранились только в поэме Т. Л. Кара «О природе вещей».

Католическая церковь возвела рассуждения Аристотеля в ранг догматов, запретив им противоречить под страхом смерт-ной казни. В XI в. Кардинал П. Дамиани объявил науку «служан-кой теологии». Французский учёный Никола из Отрекура, напи-савший о том, что в Природе нет ничего, кроме движения, соеди-нения и разъединения атомов, был вынужден публично покаяться и отречься от своих слов, чтобы сохранить себе жизнь. Его сочи-нения были публично сожжены в 1347 г. В это время появляются такие разделы псевдонауки, как алхимия, кабалистика, астроло-гия.

Только в средние века учёные вновь вернулись к рассмот-рению гипотезы существования атома. В XVII в. в учебнике И. Шперлинга «Наставления физики» была впервые допущена фра-за: «учение об атомах не столь ужасно, как это кажется многим. Позорной язвой нашего века являются осмеяние, освистание, осуждение всего, о чём не сразу можно высказать своё мнение... Ничего не стоит сказать, что Эпикур бредил, что Демокрит бе-зумствовал, что древние были дураки».

И только когда физика, сменив натурфилософию, стала опираться на экспериментальную проверку наблюдений, ставить направленные опыты, целью которых являлась проверка гипотез; использовать математику как язык, не вступая в противоречие с высокой абстрагированностью математики как самостоятельной науки, учёные вернулись к идеям атомизма.

Впервые наиболее полно гипотеза об атомном строении материи была высказана П. Гассенди, который издал в 1647 г. книгу о философских проблемах. Будучи по своим убеждениям просветителем, он не мог ни обсуждать достижений современных учёных, работавших в области естественных наук. Для средних веков характерно строгое следование общепризнанным, а точнее, установленным церковью догматам. Поэтому поддержка учения об атомах в официальном издании была в некотором смысле гра-жданским подвигом. Именно П. Гассенди впервые ввёл термин «молекула» для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов. Работы П. Гассенди были столь убедительны, что в 1624 г. французские учёные решили организовать диспут, на котором собирались критиковать учение Аристотеля и поддерживать ато-мистическую гипотезу. Но диспут был запрещен. Некоторых предполагаемых участников арестовали, другим пришлось бе-жать. Французский парламент принял официальное постановле-ние о запрещении распространения учения об атомах, объявив в качестве наказания, как и много веков назад, смертную казнь. За постановлением государственного органа Франции стояла като-лическая церковь.

Но гипотеза о структурности материи «витала в воздухе» и находила отражение в представлениях учёных обо всех наблю-дающихся явлениях природы. Так, И. Ньютон использовал гипо-тезу об атомном строении материи при описании свойств света. Ученый представлял свет как поток частиц – корпускул, изложив её в фундаментальной работе по теории света. Согласно И. Нью-тону, весь мир состоит "из твердых, невесомых, непроницаемых, подвижных частиц". Эти "первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разби-ваются вдребезги". Отличаются они друг от друга главным обра-зом количественно, своими массами. Все богатство, все качест-венное многообразие мира - это результат различий в движении частиц. Внутренняя сущность (строение самих частиц) остается на втором плане. Ньютоновские представления были основаны и на работах более ранних авторов. Сам И. Ньютон говорил: «Я видел дальше других, потому что стоял на плечах гигантов».

Запрету на разработку теории строения вещества не сле-довал и М.В. Ломоносов. Он положил в основу строения материи некие «нечувствительные частицы», дав им названия «элементы» и «корпускулы»: «… элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличных между собою тел.», «… корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу».

Однако любая гипотеза остаётся только гипотезой до тех пор, пока не будет экспериментально подтверждена.

12.2. Первые попытки классификации атомов вещества и определения их размеров

Исследования в области физики и химии проводились параллельно. Невозможно строго разделить эксперименты на чисто физические или химические. Проверка гипотезы атомарного строения вещества была принципиально важной задачей для обе-их наук.

А. Л. Лавуазье сформулировал закон сохранения массы в химических реакциях и разделил все вещества на химические элементы и соединения. Этот же вывод был независимо сделан в работах М.В. Ломоносова. Сегодня закон сохранения вещества называется «Закон сохранения вещества Ломоносова-Лавуазье»: «… если где-то чего-то убудет, то в другом место того же столько же и прибудет».

В атомном строении материи был убеждён и Дж. Дальтон - по образованию – натурфилософ, по профессии – учитель мате-матики, по научным интересам – химик. К 1804 г. было известно менее 30 химических элементов. Дж. Дальтон ввёл этот термин понимая под ним вещество, состоящее из атомов одного типа. Д. Дальтон составил и первую таблицу химических элементов.

В основе теории Дж. Дальтона лежали следующие поло-жения:

1. Все химические элементы состоят из мельчайших час-тиц, называемых атомами.

2. Атомы данного химического элемента имеют одинако-вую массу и химические свойства.

3. Атомы разных элементов имеют различные массы и химические свойства.

4. Атомы могут соединяться в простых целочисленных соотношениях, образуя соединения.

Современная наука определяет атом как мельчайшую час-тицу вещества, сохраняющую его физические свойства, а моле-кулу как мельчайшую частицу вещества, сохраняющую его хи-мические свойства. Молекулы состоят из атомов, атомы состоят из элементарных частиц, а строение элементарных частиц описы-вается введением понятия кварков. Различают также субкварко-вую структуру.

Теория Дж. Дальтона не давала ответов на вопросы, сколько атомов существует, что собой представляют разные ве-щества, каковы свойства самих атомов, есть ли у них неизвест-ные ранее свойства и качества. Вопрос о классификации химиче-ских веществ сводился к вопросу о классификации атомов. Физи-ка и химия объединили свои усилия. Возможно, именно в это время впервые проявилась тенденция интеграции естественных наук, ставшая основой развития науки в целом в XX в.

Современные представления о строении элементов изло-жены в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

12.3. Броуновское движение.
Его роль в развитии представлений молекулярно-кинетической теории строения вещества

В правоте Демокрита и его последователей впервые на-глядно мог убедиться шотландский ботаник Р. Броун. Традици-онно натуралисты начинали свои научные исследования со сбора материала, поэтому ученый многие годы провёл в экспедициях. Будучи по образованию ботаником, Р. Броун собрал коллекцию в несколько тысяч видов растений в Австралии. Описание коллек-ции заняло почти 20 лет. Летом 1827 г. Р. Броун, работая с образ-цами, обратил внимание на то, что мельчайшая пыльца растений произвольно двигается в воде под действием силы неизвестной природы. Он написал статью «Краткий отчёт о микроскопиче-ских наблюдениях, проделанных в июне, июле и августе 1827 г. над частицами, содержащимися в пыльце растений и о существо-вании активных молекул в органических и неорганических те-лах». Предположение о наличии неизвестной силы, приводящей в движение частички, было воспринято критически – механика на-столько полно описывала все известные к тому времени явления, что её называли «царицей наук». Предположить, что в «универ-сальной» механике не описана совсем новая сила было очень трудно.

Изучение открытого вида движения продолжили голлан-дец П. Карбонэль и француз Л.Ж. Гуи. В ходе опытов они выяс-нили, что броуновское движение не зависит от внешних воздей-ствий: времени года и суток, добавлений солей, вида пыльцы и «… наблюдается одинаково хорошо ночью в деревне и днём вблизи многолюдной улицы, где проезжают тяжёлые экипажи». Оно не зависит даже от вида частичек, а только от их размеров и массы и, что самое главное, никогда не прекращается.

Лишь через сорок лет было высказано предположение, что видимые в микроскоп беспорядочные движения пыльцы рас-тений вызваны случайными толчками маленьких невидимых час-тиц жидкости (молекул). Благодаря работам Л.Ж. Гуи в это пове-рили почти все, и гипотеза об атомах приобрела множество по-следователей.

Полная теория броуновского движения была дана А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905 – 1906 гг. Причины бро-уновского движения – в тепловом движении молекул среды и от-сутствии точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул. Броуновское движение обу-словлено флуктуациями давления. Удары молекул среды приво-дят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меня-ется по величине и направлению. Если фиксировать положение частиц через небольшие равные промежутки времени, то постро-енная таким методом траектория оказывается чрезвычайно слож-ной и запутанной.

Броуновское движение - наиболее наглядное эксперимен-тальное подтверждение представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул. Теория броуновского движения проясняет статистиче-скую природу второго начала термодинамики и показывает гра-ницы его применимости. Она позволила уточнить критерии обра-тимости и необратимости молекулярных процессов и показать, что различие между ними не носит абсолютного характера. По теории М. Смолуховского, процесс является необратимым, если переход из рассматриваемого состояния в исходное требует большого времени, и обратимым, если время возврата невелико.

Экспериментально предложенная теория броуновского движения была подтверждена в работах француза Ж. Б. Перрена.

Теория броуновского движения находит применение во многих областях науки и техники, например, в физической химии дисперсных систем. На ней основаны кинетическая теория коагу-ляции растворов; теория седиментации равновесия (равновесия дисперсных систем в поле сил тяготения или в поле центробеж-ной силы). В метрологии броуновское движение рассматривается как основной фактор, ограничивающий чувствительность изме-рительных приборов. Предел точности измерений оказывается достигнутым, когда броуновское смещение подвижных частей измерительного прибора по порядку величины совпадает со сме-щением, вызванным измеряемым эффектом.

А. Авогадро, итальянский учёный, нашел простое реше-ние задачи о нахождении относительной молекулярной массы. При одинаковых условиях (температуре и давлении) в одинако-вых объёмах газов содержится равное количество молекул. Это утверждение носит название «закон Авогадро»: отношение масс молекул равно отношению плотностей газов. Из опыта А. Аво-гадро определил, что масса молекулы кислорода примерно в 15 раз больше массы молекулы водорода (точнее, в 16 раз).

К этому времени математика давно стала основным язы-ком науки. Естественные науки основываются на количествен-ных измерениях, но технические возможности существенно от-стают от теоретических разработок. Поэтому размеры атома бы-ли не измерены, а оценены достаточно точно. Первые количест-венные оценки размеров атомов были опубликованы в работах Й. Лошмидта в 1895 г. Й. Лошмидт привёл следующие оценки: раз-меры всех атомов примерно одинаковы и равны м, а масса атома по порядку величины составляет кг.

Это - столь малые числа, что их нельзя представить, даже использовав всё воображение. Их просто не с чем сравнить.

Итогом экспериментов Й. Лошмидта стала постоянная, которая сегодня носит его имя – постоянная Лошмидта. Это - ко-личество молекул газа в одном кубическом метре (1м) при нор-мальных температуре и давлении ()

L=2,68676 м.

Классическим считается опыт по определению размера молекулы, проведённый английским физиком Дж. У. Стреттом, лордом Рэлеем. Учёный поместил на поверхность воды каплю масла и наблюдал, как, растекаясь, масло образует на поверхно-сти воды плёнку. Когда растекание прекратилось (молекула мас-ла образовала мономолекулярную плёнку толщиной в одну моле-кулу), была измерена площадь масляного пятна. Разделив объём капли на площадь пятна, считается опыт по определению размера молекулы, проведённый английским физиком Дж. У. Стретт по-лучил диаметр одной молекулы. Он оказался равным примерно м.