Với một nguyên tử qua các thời đại - phần 1

Thế kỷ trước thường được gọi là "thời đại của nguyên tử". Vào thời điểm không xa đó, sự tồn tại của những “viên gạch” tạo nên thế giới xung quanh chúng ta cuối cùng đã được chứng minh, và các lực không hoạt động trong chúng đã được giải phóng. Tuy nhiên, ý tưởng về bản thân nguyên tử đã có lịch sử rất lâu đời, và câu chuyện về lịch sử kiến ​​thức về cấu trúc của vật chất không thể bắt đầu bằng những từ đề cập đến thời cổ đại.

1. Một mảnh bích họa của Raphael "Trường học Athens", mô tả Plato (bên phải, nhà triết học có những nét giống Leonardo da Vinci) và Aristotle

"Đã cổ đại..."

… Các nhà triết học đã đi đến kết luận rằng tất cả tự nhiên bao gồm các hạt nhỏ không thể nhận thấy. Tất nhiên, vào thời điểm đó (và trong một thời gian dài sau đó) không có cách nào để các nhà khoa học kiểm tra các giả thiết của họ. Họ chỉ là một nỗ lực để giải thích những quan sát của tự nhiên và trả lời câu hỏi: "Vật chất có thể phân rã vô thời hạn hay có sự kết thúc cho sự phân hạch?«

Các câu trả lời đã được đưa ra trong các giới văn hóa khác nhau (chủ yếu ở Ấn Độ cổ đại), nhưng sự phát triển của khoa học bị ảnh hưởng bởi các nghiên cứu của các nhà triết học Hy Lạp. Trong các số báo về kỳ nghỉ năm ngoái của "Kỹ thuật viên trẻ", độc giả đã tìm hiểu về lịch sử hàng thế kỷ của việc khám phá các nguyên tố ("Nguy hiểm với các nguyên tố", MT 7-9 / 2014), cũng bắt đầu từ thời Hy Lạp cổ đại. Trở lại thế kỷ thứ XNUMX trước Công nguyên, thành phần chính mà vật chất (nguyên tố, nguyên tố) được tạo ra được tìm kiếm trong nhiều chất khác nhau: nước (Thales), không khí (Anaximenes), lửa (Heraclitus) hoặc đất (Xenophanes).

Empedocles đã hòa giải tất cả, tuyên bố rằng vật chất không bao gồm một, mà bao gồm bốn yếu tố. Aristotle (thế kỷ 1 trước Công nguyên) đã thêm một chất lý tưởng khác - ether, chất này lấp đầy toàn bộ vũ trụ, và tuyên bố khả năng biến đổi của các nguyên tố. Mặt khác, Trái đất, nằm ở trung tâm của vũ trụ, được quan sát bởi bầu trời luôn không thay đổi. Nhờ thẩm quyền của Aristotle, lý thuyết này về cấu trúc của vật chất và toàn bộ được coi là đúng trong hơn hai nghìn năm. Cùng với những thứ khác, trở thành cơ sở cho sự phát triển của thuật giả kim, và do đó của chính hóa học (XNUMX).

2. Tượng bán thân của Democritus of Abdera (460-370 trước Công nguyên)

Tuy nhiên, một giả thuyết khác cũng được phát triển song song. Leucippus (thế kỷ XNUMX trước Công nguyên) tin rằng vật chất bao gồm hạt rất nhỏ chuyển động trong chân không. Quan điểm của nhà triết học được phát triển bởi học trò của ông - Democritus of Abdera (khoảng 460-370 trước Công nguyên) (2). Ông gọi là “khối” tạo nên vật chất nguyên tử (tiếng Hy Lạp nguyên tử = không thể chia cắt). Ông lập luận rằng chúng không thể chia cắt và không thay đổi, và số lượng của chúng trong vũ trụ là không đổi. Nguyên tử chuyển động trong chân không.

Khi nguyên tử chúng liên kết với nhau (bằng hệ thống móc và mắt) - các loại cơ thể được hình thành, và khi chúng tách rời nhau - các cơ thể bị tiêu diệt. Democritus tin rằng có vô số loại nguyên tử khác nhau về hình dạng và kích thước. Đặc điểm của các nguyên tử quyết định tính chất của một chất, ví dụ như mật ong ngọt do các nguyên tử nhẵn nhụi tạo thành, giấm chua do các nguyên tử có góc cạnh tạo thành; các vật thể màu trắng tạo thành các nguyên tử nhẵn và các vật thể màu đen tạo thành các nguyên tử có bề mặt gồ ghề.

Cách liên kết của vật chất cũng ảnh hưởng đến các đặc tính của vật chất: trong chất rắn, các nguyên tử nằm gần nhau chặt chẽ, còn trong thể mềm thì chúng nằm lỏng lẻo. Tinh hoa trong quan điểm của Democritus là phát biểu: “Thực tế chỉ có sự trống rỗng và các nguyên tử, mọi thứ khác đều là ảo ảnh”.

Trong những thế kỷ sau, quan điểm của Democritus được phát triển bởi các triết gia kế tiếp, một số tài liệu tham khảo cũng được tìm thấy trong các tác phẩm của Plato. Epicurus - một trong những người kế thừa - thậm chí còn tin rằng nguyên tử chúng bao gồm các thành phần thậm chí còn nhỏ hơn (“các hạt cơ bản”). Tuy nhiên, lý thuyết nguyên tử về cấu trúc của vật chất thua các nguyên tố của Aristotle. Chìa khóa — lúc đó — đã được tìm thấy trong kinh nghiệm. Cho đến khi có những công cụ khẳng định sự tồn tại của nguyên tử, sự biến đổi của các nguyên tố vẫn dễ dàng được quan sát.

Ví dụ: khi đun nóng nước (yếu tố lạnh và ướt), không khí thu được (hơi nước nóng và ẩm), và đất ở đáy bình (kết tủa lạnh và khô của các chất hòa tan trong nước). Các đặc tính còn thiếu - ấm và khô - được cung cấp bởi lửa, làm nóng bình.

Bất biến và hằng số số nguyên tử chúng cũng mâu thuẫn với các quan sát, vì người ta cho rằng vi sinh vật xuất hiện "từ hư vô" cho đến thế kỷ XNUMX. Quan điểm của Democritus không cung cấp bất kỳ cơ sở nào cho các thí nghiệm giả kim liên quan đến sự biến đổi của kim loại. Cũng rất khó để hình dung và nghiên cứu vô số loại nguyên tử. Lý thuyết cơ bản dường như đơn giản hơn và giải thích một cách thuyết phục hơn nhiều về thế giới xung quanh.

3. Chân dung Robert Boyle (1627–1691) của J. Kerseboom.

Mùa thu và sự tái sinh

Trong nhiều thế kỷ, lý thuyết nguyên tử đã đứng ngoài khoa học chính thống. Tuy nhiên, cuối cùng bà vẫn không chết, những ý tưởng của bà vẫn tồn tại, đến được với các nhà khoa học châu Âu dưới dạng các bản dịch triết học Ả Rập của các tác phẩm cổ. Với sự phát triển của tri thức nhân loại, nền tảng của lý thuyết của Aristotle bắt đầu sụp đổ. Hệ nhật tâm của Nicolaus Copernicus, những quan sát đầu tiên về siêu tân tinh (Tycho de Brache) phát sinh từ hư không, khám phá ra quy luật chuyển động của các hành tinh (Johannes Kepler) và các mặt trăng của Sao Mộc (Galileo) có nghĩa là vào thế kỷ mười sáu và mười bảy. nhiều thế kỷ, con người không còn sống dưới bầu trời không thay đổi so với đầu thế giới. Trên trái đất cũng vậy, đã kết thúc các quan điểm của Aristotle.

Những nỗ lực hàng thế kỷ của các nhà giả kim thuật đã không mang lại kết quả như mong đợi - họ đã thất bại trong việc biến kim loại thông thường thành vàng. Ngày càng có nhiều nhà khoa học đặt câu hỏi về sự tồn tại của bản thân các nguyên tố và ghi nhớ lý thuyết của Democritus.

4. Thí nghiệm năm 1654 với bán cầu Magdeburg đã chứng minh sự tồn tại của chân không và áp suất khí quyển (16 con ngựa không thể phá vỡ các bán cầu lân cận mà từ đó không khí được bơm ra!)

Robert Boyle vào năm 1661 đã đưa ra một định nghĩa thực tế về nguyên tố hóa học là một chất không thể chia nhỏ thành các thành phần của nó bằng phân tích hóa học (3). Ông tin rằng vật chất bao gồm các hạt nhỏ, rắn và không thể phân chia, khác nhau về hình dạng và kích thước. Kết hợp với nhau, chúng tạo thành các phân tử hợp chất hóa học tạo nên vật chất.

Boyle gọi những hạt nhỏ này là tiểu thể, hay "tiểu thể" (một phần nhỏ của từ tiếng Latinh corpus = body). Không nghi ngờ gì nữa, quan điểm của Boyle đã bị ảnh hưởng bởi việc phát minh ra máy bơm chân không (Otto von Guericke, 1650) và việc cải tiến máy bơm piston để nén khí. Sự tồn tại của chân không và khả năng thay đổi khoảng cách (do kết quả của quá trình nén) giữa các hạt không khí đã được chứng minh ủng hộ lý thuyết của Democritus (4).

Nhà khoa học vĩ đại nhất thời bấy giờ, Ngài Isaac Newton, cũng là một nhà khoa học nguyên tử. (5). Dựa trên quan điểm của Boyle, ông đưa ra một giả thuyết về sự hợp nhất của cơ thể thành các dạng lớn hơn. Thay vì hệ thống khoen và móc cổ xưa, cách buộc của chúng - bằng cách nào khác - bằng trọng lực.

5. Chân dung của Ngài Isaac Newton (1642-1727), của G. Kneller.

Do đó, Newton đã thống nhất các tương tác trong toàn bộ Vũ trụ - một lực điều khiển cả chuyển động của các hành tinh và cấu trúc của các thành phần nhỏ nhất của vật chất. Nhà khoa học tin rằng ánh sáng cũng bao gồm các tiểu thể.

Ngày nay chúng ta biết rằng ông ấy đã "đúng một nửa" - nhiều tương tác giữa bức xạ và vật chất được giải thích bằng dòng các photon.

Hóa học phát huy tác dụng

Cho đến gần cuối thế kỷ XNUMX, nguyên tử là đặc quyền của các nhà vật lý. Tuy nhiên, chính cuộc cách mạng hóa học do Antoine Lavoisier khởi xướng đã khiến ý tưởng về cấu trúc dạng hạt của vật chất được chấp nhận chung.

Việc khám phá ra cấu trúc phức tạp của các nguyên tố cổ đại - nước và không khí - cuối cùng đã bác bỏ lý thuyết của Aristotle. Vào cuối thế kỷ XNUMX, định luật bảo toàn khối lượng và niềm tin vào sự bất khả thi của sự biến đổi của các nguyên tố cũng không gây ra sự phản đối. Cân đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm hóa học.

6. John Dalton (1766-1844)

Nhờ sử dụng nó, người ta nhận thấy rằng các nguyên tố kết hợp với nhau, tạo thành một số hợp chất hóa học với tỷ lệ khối lượng không đổi (bất kể nguồn gốc của chúng - tự nhiên hay nhân tạo - và phương pháp tổng hợp).

Quan sát này trở nên dễ dàng giải thích nếu chúng ta giả định rằng vật chất bao gồm các phần không thể phân chia được tạo nên một tổng thể duy nhất. nguyên tử. Người tạo ra lý thuyết hiện đại về nguyên tử, John Dalton (1766-1844) (6), đã đi theo con đường này. Một nhà khoa học vào năm 1808 đã nói rằng:

1. Nguyên tử là không thể phá hủy và bất biến (điều này, tất nhiên, loại trừ khả năng biến đổi giả kim).
2. Mọi vật chất đều được tạo thành từ các nguyên tử không thể phân chia.
3. Tất cả các nguyên tử của một nguyên tố đều giống nhau, tức là chúng có hình dạng, khối lượng và tính chất giống nhau. Tuy nhiên, các nguyên tố khác nhau được tạo thành từ các nguyên tử khác nhau.
4. Trong các phản ứng hoá học, chỉ có sự thay đổi cách tham gia liên kết của các nguyên tử, từ đó xây dựng nên các phân tử hợp chất hoá học - theo những tỉ lệ nhất định (7).

Một khám phá khác, cũng dựa trên việc quan sát quá trình thay đổi hóa học, là giả thuyết của nhà vật lý người Ý Amadeo Avogadro. Nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng các thể tích khí bằng nhau ở cùng điều kiện (áp suất và nhiệt độ) chứa cùng một số phân tử. Khám phá này giúp thiết lập công thức của nhiều hợp chất hóa học và xác định khối lượng nguyên tử.

7. Các ký hiệu nguyên tử được sử dụng bởi Dalton (Hệ thống Triết học Hóa học Mới, 1808)

8. Chất rắn Platonic - biểu tượng của nguyên tử của các "nguyên tố" cổ đại (Wikipedia, tác giả: Maxim Pe)

Cắt bao nhiêu lần?

Sự xuất hiện của ý tưởng về nguyên tử gắn liền với câu hỏi: "Liệu có kết thúc sự phân chia vật chất?". Ví dụ, chúng ta hãy lấy một quả táo có đường kính 10 cm và một con dao và bắt đầu cắt trái cây. Đầu tiên, cắt đôi, sau đó nửa quả táo thành hai phần nữa (song song với lần cắt trước), v.v ... Tất nhiên sau vài lần, chúng ta sẽ hoàn thành, nhưng không có gì ngăn cản chúng ta tiếp tục thí nghiệm trong trí tưởng tượng của một nguyên tử? Một nghìn, một triệu, có thể nhiều hơn?

Sau khi ăn một quả táo cắt lát (ngon tuyệt!), Chúng ta hãy bắt đầu tính toán (những người biết khái niệm về một cấp độ hình học sẽ ít gặp rắc rối hơn). Lần chia đầu tiên sẽ cho chúng ta một nửa quả có độ dày 5 cm, lần cắt tiếp theo sẽ cho chúng ta một lát có độ dày 2,5 cm, v.v ... 10 quả đập dập! Vì vậy, “con đường” dẫn đến thế giới của nguyên tử không dài.

*) Dùng dao có lưỡi mỏng vô hạn. Trên thực tế, một vật thể như vậy không tồn tại, nhưng vì Albert Einstein trong nghiên cứu của mình đã coi các đoàn tàu chuyển động với vận tốc ánh sáng, nên chúng tôi cũng được phép - với mục đích của một thí nghiệm tư duy - đưa ra giả thiết trên.

Nguyên tử platonic

Plato, một trong những bộ óc vĩ đại nhất của thời cổ đại, đã mô tả các nguyên tử mà các nguyên tố được cấu thành trong cuộc đối thoại Timachos. Các thành tạo này có dạng các khối đa diện đều (chất rắn Platonic). Vì vậy, tứ diện là nguyên tử lửa (vì nhỏ nhất và dễ bay hơi nhất), bát diện là nguyên tử không khí và tứ diện là nguyên tử nước (tất cả các chất rắn đều có thành là tam giác đều). Một khối vuông là một nguyên tử của trái đất, và một khối đa diện của ngũ giác là một nguyên tử của một nguyên tố lý tưởng - thiên thể ete (8).