กับอะตอมผ่านวัย ตอนที่ 1

ศตวรรษที่ผ่านมามักเรียกกันว่า "อายุของอะตอม" ในช่วงเวลาที่ไม่ไกลเกินไปนั้น ในที่สุดการมีอยู่ของ "อิฐ" ที่ประกอบขึ้นเป็นโลกรอบตัวเราก็ได้รับการพิสูจน์แล้ว และกองกำลังที่แฝงตัวอยู่ในนั้นก็ได้รับการปลดปล่อย อย่างไรก็ตาม แนวคิดของอะตอมเองนั้นมีประวัติศาสตร์ที่ยาวนานมาก และเรื่องราวของประวัติศาสตร์ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของสสารไม่สามารถเริ่มต้นได้ด้วยวิธีอื่นนอกจากคำที่อ้างถึงสมัยโบราณ

1. เศษปูนเปียก "The School of Athens" ของราฟาเอล วาดภาพเพลโต (ทางด้านขวา ปราชญ์มีลักษณะของเลโอนาร์โด ดา วินชี) และอริสโตเติล

“แก่แล้ว...”

… นักปรัชญาสรุปว่าธรรมชาติทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่มองไม่เห็น แน่นอน ในเวลานั้น (และเป็นเวลานานหลังจากนั้น) นักวิทยาศาสตร์ไม่มีโอกาสทดสอบสมมติฐานของตน พวกเขาเป็นเพียงความพยายามที่จะอธิบายการสังเกตธรรมชาติและตอบคำถาม: "สสารจะสลายไปอย่างไม่มีกำหนด หรือมีการแตกตัวสิ้นสุดหรือไม่?«

คำตอบได้รับในแวดวงวัฒนธรรมต่างๆ (โดยเฉพาะในอินเดียโบราณ) แต่การพัฒนาวิทยาศาสตร์ได้รับอิทธิพลจากการศึกษาของนักปรัชญาชาวกรีก ในประเด็นวันหยุดปีที่แล้วของ "Young Technician" ผู้อ่านได้เรียนรู้เกี่ยวกับประวัติศาสตร์ที่มีอายุหลายศตวรรษของการค้นพบองค์ประกอบ ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014) ซึ่งเริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณเช่นกัน ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ XNUMX ก่อนคริสตกาล องค์ประกอบหลักที่สร้างสสาร (องค์ประกอบ องค์ประกอบ) ถูกค้นหาในสารต่างๆ: น้ำ (ธาเลส) อากาศ (แอนะซิมีเนส) ไฟ (เฮราคลิตุส) หรือดิน (ซีโนเฟนส์)

Empedocles กระทบยอดพวกเขาทั้งหมดโดยประกาศว่าสสารไม่ได้ประกอบด้วยองค์ประกอบเดียว แต่ประกอบด้วยสี่องค์ประกอบ อริสโตเติล (ศตวรรษที่ 1 ก่อนคริสต์ศักราช) ได้เพิ่มสารในอุดมคติอีกตัวหนึ่ง - อีเธอร์ ซึ่งเติมทั่วทั้งจักรวาล และประกาศความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบ ในอีกทางหนึ่ง โลกซึ่งตั้งอยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล ถูกสังเกตโดยท้องฟ้า ซึ่งไม่เคยเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ ต้องขอบคุณอำนาจของอริสโตเติล ทฤษฎีโครงสร้างของสสารและส่วนรวมนี้จึงถูกพิจารณาว่าถูกต้องมานานกว่าสองพันปี กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาการเล่นแร่แปรธาตุและด้วยเหตุนี้เคมีเอง (XNUMX)

2. รูปปั้นครึ่งตัวของเดโมคริตุสแห่งอับเดรา (460-370 ปีก่อนคริสตกาล)

อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาสมมติฐานอีกข้อหนึ่งควบคู่กันไป Leucippus (ศตวรรษที่ XNUMX ก่อนคริสต์ศักราช) เชื่อว่าสสารประกอบด้วย อนุภาคขนาดเล็กมาก เคลื่อนที่ในสุญญากาศ มุมมองของนักปรัชญาได้รับการพัฒนาโดยนักเรียนของเขา - Democritus of Abdera (ประมาณ 460-370 ปีก่อนคริสตกาล) (2) เขาเรียกว่า "บล็อก" ที่ประกอบกันเป็นอะตอมของสสาร (กรีก atomos = แบ่งแยกไม่ได้) เขาโต้แย้งว่าพวกมันไม่สามารถแบ่งแยกได้และไม่เปลี่ยนแปลง และจำนวนของพวกมันในจักรวาลนั้นคงที่ อะตอมเคลื่อนที่ในสุญญากาศ

เมื่อ อะตอม พวกมันเชื่อมต่อกัน (โดยระบบของตะขอและตา) - ร่างกายทุกชนิดถูกสร้างขึ้นและเมื่อแยกออกจากกัน - ร่างกายจะถูกทำลาย เดโมคริตุสเชื่อว่ามีอะตอมมากมายหลายประเภท รูปร่างและขนาดต่างกันไป ลักษณะของอะตอมเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของสาร ตัวอย่างเช่น น้ำผึ้งหวานประกอบด้วยอะตอมที่เรียบ และน้ำส้มสายชูเปรี้ยวประกอบด้วยวัตถุเชิงมุม วัตถุสีขาวก่อตัวเป็นอะตอมที่เรียบ และวัตถุสีดำก่อตัวเป็นอะตอมที่มีพื้นผิวขรุขระ

วิธีที่วัสดุถูกเชื่อมเข้าด้วยกันก็ส่งผลต่อคุณสมบัติของสสารเช่นกัน ในของแข็ง อะตอมจะติดกันอย่างแน่นหนา และในวัตถุที่อ่อนนุ่มพวกมันจะตั้งอยู่อย่างหลวมๆ แก่นสารของทัศนะของเดโมคริตุสคือคำกล่าวที่ว่า "อันที่จริง มีเพียงความว่างเปล่าและอะตอม ทุกสิ่งทุกอย่างเป็นเพียงภาพลวงตา"

ในศตวรรษต่อมา มุมมองของเดโมคริตุสได้รับการพัฒนาโดยนักปรัชญาต่อเนื่องกัน มีการอ้างอิงบางส่วนในงานเขียนของเพลโตด้วย Epicurus - หนึ่งในผู้สืบทอด - ถึงกับเชื่อว่า อะตอม ประกอบด้วยส่วนประกอบที่เล็กกว่า ("อนุภาคมูลฐาน") อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีอะตอมมิกของโครงสร้างของสสารสูญเสียองค์ประกอบของอริสโตเติลไป กุญแจ—แล้ว—พบในประสบการณ์ จนกว่าจะมีเครื่องมือยืนยันการมีอยู่ของอะตอม การเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบก็สังเกตได้ง่าย

ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำร้อน (ธาตุเย็นและเปียก) จะได้รับอากาศ (ไอน้ำร้อนและเปียก) และดินยังคงอยู่ที่ด้านล่างของภาชนะ (การตกตะกอนของสารที่ละลายในน้ำทั้งเย็นและแห้ง) คุณสมบัติที่ขาดหายไป - ความอบอุ่นและความแห้ง - ถูกจัดเตรียมโดยไฟซึ่งทำให้เรือร้อน

ค่าคงที่และค่าคงที่ จำนวนอะตอม พวกเขายังขัดแย้งกับการสังเกต เนื่องจากจุลินทรีย์คิดว่าจะโผล่ออกมา "จากความว่างเปล่า" จนถึงศตวรรษที่ XNUMX มุมมองของเดโมคริตุสไม่ได้ให้พื้นฐานใดๆ สำหรับการทดลองเล่นแร่แปรธาตุที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของโลหะ เป็นการยากที่จะจินตนาการและศึกษาอะตอมหลากหลายชนิดที่ไม่สิ้นสุด ทฤษฏีเบื้องต้นดูเหมือนจะอธิบายโลกรอบข้างได้ง่ายกว่าและน่าเชื่อถือกว่ามาก

3. ภาพเหมือนของ Robert Boyle (1627–1691) โดย J. Kerseboom

ฤดูใบไม้ร่วงและการเกิดใหม่

เป็นเวลาหลายศตวรรษ ที่ทฤษฎีอะตอมได้แยกตัวออกจากวิทยาศาสตร์กระแสหลัก อย่างไรก็ตามในที่สุดเธอก็ไม่ตายความคิดของเธอก็รอดพ้นไปถึงนักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปในรูปแบบของการแปลปรัชญาภาษาอาหรับของงานเขียนโบราณ ด้วยการพัฒนาความรู้ของมนุษย์ รากฐานของทฤษฎีของอริสโตเติลก็เริ่มพังทลาย ระบบเฮลิโอเซนทรัลของ Nicolaus Copernicus การสังเกตซุปเปอร์โนวาครั้งแรก (Tycho de Brache) ที่เกิดขึ้นจากที่ไหนเลย การค้นพบกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ (โยฮันเนส เคปเลอร์) และดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดี (กาลิเลโอ) หมายความว่าในปีที่สิบหกและสิบเจ็ด หลายศตวรรษผู้คนหยุดอาศัยอยู่ใต้ท้องฟ้าไม่เปลี่ยนแปลงจากจุดเริ่มต้นของโลก บนโลกนี้ก็เป็นจุดสิ้นสุดของมุมมองของอริสโตเติลเช่นกัน

ความพยายามของนักเล่นแร่แปรธาตุที่มีอายุหลายศตวรรษไม่ได้นำมาซึ่งผลลัพธ์ที่คาดหวัง พวกเขาล้มเหลวในการเปลี่ยนโลหะธรรมดาให้เป็นทองคำ นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของธาตุเอง และจำทฤษฎีของเดโมคริตุสได้

4. การทดลองในปี ค.ศ. 1654 กับซีกโลกมักเดบูร์กพิสูจน์การมีอยู่ของสุญญากาศและความกดอากาศ (ม้า 16 ตัวไม่สามารถทำลายซีกโลกที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งอากาศถูกสูบออกไป!)

Robert Boyle ในปี 1661 ให้คำจำกัดความเชิงปฏิบัติขององค์ประกอบทางเคมีว่าเป็นสารที่ไม่สามารถแยกออกเป็นส่วนประกอบโดยการวิเคราะห์ทางเคมี (3) เขาเชื่อว่าสสารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก ของแข็ง และแบ่งแยกไม่ได้ ซึ่งมีรูปร่างและขนาดต่างกัน เมื่อรวมกันแล้วจะสร้างโมเลกุลของสารประกอบทางเคมีที่ประกอบเป็นสสาร

Boyle เรียกอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้ว่า corpuscles หรือ "corpuscles" (ตัวย่อของคำภาษาละติน corpus = body) มุมมองของ Boyle ได้รับอิทธิพลอย่างไม่ต้องสงสัยจากการประดิษฐ์ปั๊มสุญญากาศ (Otto von Guericke, 1650) และการปรับปรุงปั๊มลูกสูบสำหรับการอัดอากาศ การมีอยู่ของสุญญากาศและความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนระยะห่าง (เป็นผลมาจากการอัด) ระหว่างอนุภาคในอากาศเป็นพยานสนับสนุนทฤษฎีของเดโมคริตุส (4)

นักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคนั้น เซอร์ ไอแซก นิวตัน ก็เป็นนักวิทยาศาสตร์ปรมาณูเช่นกัน (5). จากมุมมองของบอยล์ เขาได้เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับการหลอมรวมของร่างกายเป็นรูปแบบที่ใหญ่ขึ้น แทนที่จะใช้ระบบตาไก่และตะขอแบบโบราณ การผูกเป็นอย่างอื่นด้วยแรงโน้มถ่วง

5. ภาพเหมือนของเซอร์ไอแซก นิวตัน (1642-1727) โดย G. Kneller

ดังนั้น นิวตันจึงรวมปฏิสัมพันธ์ในจักรวาลทั้งหมดเข้าด้วยกัน แรงหนึ่งควบคุมทั้งการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และโครงสร้างของส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสาร นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าแสงยังประกอบด้วยเม็ดโลหิต

วันนี้เรารู้ว่าเขาเป็น "ครึ่งทาง" - การไหลของโฟตอนอธิบายปฏิสัมพันธ์มากมายระหว่างรังสีและสสาร

เคมีเข้ามามีบทบาท

จนถึงเกือบสิ้นศตวรรษที่ XNUMX อะตอมเป็นอภิสิทธิ์ของนักฟิสิกส์ อย่างไรก็ตาม เป็นการปฏิวัติทางเคมีที่ริเริ่มโดย Antoine Lavoisier ซึ่งทำให้แนวคิดเรื่องโครงสร้างเม็ดละเอียดของสสารเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป

การค้นพบโครงสร้างที่ซับซ้อนขององค์ประกอบโบราณ - น้ำและอากาศ - ในที่สุดก็หักล้างทฤษฎีของอริสโตเติล ในตอนท้ายของศตวรรษที่ XNUMX กฎการอนุรักษ์มวลและความเชื่อในความเป็นไปไม่ได้ของการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบก็ไม่ได้ทำให้เกิดการคัดค้านเช่นกัน เครื่องชั่งได้กลายเป็นอุปกรณ์มาตรฐานในห้องปฏิบัติการเคมี

6. จอห์น ดาลตัน (พ.ศ. 1766-1844)

จากการใช้งานพบว่าองค์ประกอบต่างๆ รวมเข้าด้วยกันก่อตัวเป็นสารประกอบทางเคมีบางอย่างในสัดส่วนมวลคงที่ (โดยไม่คำนึงถึงแหล่งกำเนิด - จากธรรมชาติหรือประดิษฐ์ขึ้น - และวิธีการสังเคราะห์)

การสังเกตนี้อธิบายได้ง่าย ๆ หากเราคิดว่าสสารประกอบด้วยส่วนที่แยกไม่ออกซึ่งประกอบขึ้นเป็นจำนวนเต็มเดียว อะตอม. ผู้สร้างทฤษฎีสมัยใหม่ของอะตอม John Dalton (1766-1844) (6) ปฏิบัติตามเส้นทางนี้ นักวิทยาศาสตร์ในปี 1808 กล่าวว่า:

1. อะตอมนั้นทำลายไม่ได้และไม่เปลี่ยนแปลง
2. สสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมที่แบ่งแยกไม่ได้
3. อะตอมทั้งหมดของธาตุที่กำหนดจะเหมือนกัน กล่าวคือ มีรูปร่าง มวล และคุณสมบัติเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบที่แตกต่างกันประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกัน
4. ในปฏิกิริยาเคมี มีเพียงวิธีการเข้าร่วมอะตอมเท่านั้นที่เปลี่ยนไป ซึ่งโมเลกุลของสารประกอบเคมีถูกสร้างขึ้นในสัดส่วนที่แน่นอน (7)

การค้นพบอีกประการหนึ่งซึ่งอาศัยการสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางเคมีก็คือสมมติฐานของนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Amadeo Avogadro นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าปริมาณก๊าซเท่ากันภายใต้สภาวะเดียวกัน (ความดันและอุณหภูมิ) มีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน การค้นพบนี้ทำให้สามารถกำหนดสูตรของสารประกอบเคมีหลายชนิดและกำหนดมวลได้ อะตอม.

7. สัญลักษณ์อะตอมที่ใช้โดยดาลตัน (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. ของแข็งสงบ - ​​สัญลักษณ์ของอะตอมของ "องค์ประกอบ" โบราณ (Wikipedia ผู้เขียน: Maxim Pe)

ตัดกี่ครั้ง?

การเกิดขึ้นของความคิดของอะตอมนั้นเกี่ยวข้องกับคำถาม: "การแบ่งสสารมีจุดสิ้นสุดหรือไม่" ตัวอย่างเช่น ลองเอาแอปเปิ้ลที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 ซม. และมีดแล้วเริ่มหั่นผลไม้ ก่อนอื่นครึ่งแล้วครึ่งแอปเปิ้ลเป็นสองส่วน (ขนานกับการตัดก่อนหน้า) ฯลฯ หลังจากสองสามครั้งแน่นอนเราจะเสร็จสิ้น แต่ไม่มีอะไรขัดขวางเราจากการทดลองต่อไปในจินตนาการของอะตอมหนึ่ง? หนึ่งพัน ล้าน หรืออาจจะมากกว่านั้น?

หลังจากกินแอปเปิ้ลหั่นเป็นชิ้น (อร่อย!) เรามาเริ่มการคำนวณกัน (ผู้ที่รู้แนวคิดของความก้าวหน้าทางเรขาคณิตจะมีปัญหาน้อยลง) การแบ่งครั้งแรกจะให้ครึ่งผลไม้ที่มีความหนา 5 ซม. ส่วนต่อไปจะให้ชิ้นที่มีความหนา 2,5 ซม. ฯลฯ ... 10 อันที่ถูกทุบ! ดังนั้น "เส้นทาง" สู่โลกแห่งอะตอมจึงอยู่ได้ไม่นาน

*) ใช้มีดที่มีใบมีดบางเป็นอนันต์ อันที่จริง วัตถุดังกล่าวไม่มีอยู่จริง แต่เนื่องจากอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในงานวิจัยของเขาได้พิจารณาว่ารถไฟกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง เราจึงได้รับอนุญาตให้สร้างสมมติฐานข้างต้นสำหรับวัตถุประสงค์ของการทดลองทางความคิด

อะตอมสงบ

เพลโต หนึ่งในจิตใจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคโบราณ บรรยายถึงอะตอมของธาตุต่างๆ ที่จะต้องประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบในบทสนทนาของทิมาโช การก่อตัวเหล่านี้มีรูปทรงหลายเหลี่ยมปกติ (ของแข็ง Platonic) ดังนั้น จัตุรมุขจึงเป็นอะตอมของไฟ (เนื่องจากมีขนาดเล็กที่สุดและระเหยง่ายที่สุด) ทรงแปดหน้าเป็นอะตอมของอากาศ และ icosahedron เป็นอะตอมของน้ำ (ของแข็งทั้งหมดมีผนังของรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า) สี่เหลี่ยมจตุรัสเป็นอะตอมของโลก และสิบสองเหลี่ยมของห้าเหลี่ยมเป็นอะตอมของธาตุในอุดมคติ - อีเทอร์สวรรค์ (8)