S atomem v průběhu věků - část 1

Minulé století je často označováno jako „věk atomu“. V té nepříliš vzdálené době byla konečně prokázána existence „cihel“, které tvoří svět kolem nás, a síly v nich dřímající byly uvolněny. Samotná myšlenka atomu má však velmi dlouhou historii a příběh dějin poznání struktury hmoty nelze začít jinak než slovy odkazujícími na starověk.

1. Fragment Rafaelovy fresky „Athénská škola“, zobrazující Platóna (vpravo má filozof rysy Leonarda da Vinciho) a Aristotela

"Už starý..."

… filozofové došli k závěru, že veškerá příroda se skládá z nepostřehnutelně malých částic. Vědci samozřejmě v té době (a ještě dlouho poté) neměli možnost své předpoklady otestovat. Byly pouze pokusem vysvětlit pozorování přírody a odpovědět na otázku: „Může se hmota rozkládat donekonečna, nebo je konec štěpení?«

Odpovědi byly dány v různých kulturních kruzích (především ve starověké Indii), ale vývoj vědy byl ovlivněn studiemi řeckých filozofů. V loňských prázdninových číslech „Mladého technika“ se čtenáři dozvěděli o staleté historii objevování prvků („Nebezpečí s živly“, MT 7-9/2014), která začala také ve starověkém Řecku. Ještě v XNUMX. století př. n. l. se hlavní složka, ze které se staví hmota (prvek, živel), hledala v různých látkách: vodě (Thales), vzduchu (Anaximenes), ohni (Hérakleitos) nebo zemi (Xenofanés).

Empedokles je všechny smířil a prohlásil, že hmota se neskládá z jednoho, ale ze čtyř prvků. Aristoteles (1. stol. př. n. l.) přidal další ideální látku – éter, který vyplňuje celý vesmír, a deklaroval možnost přeměny prvků. Na druhé straně Země, která se nachází ve středu vesmíru, byla pozorována oblohou, která byla vždy nezměněna. Díky autoritě Aristotela byla tato teorie struktury hmoty a celku považována za správnou více než dva tisíce let. Stal se mimo jiné základem pro rozvoj alchymie, potažmo i samotné chemie (XNUMX).

2. Busta Demokrita z Abdery (460-370 př.n.l.)

Paralelně se však rozvíjela i další hypotéza. Leucippus (XNUMX. století před naším letopočtem) věřil, že hmota se skládá z velmi malé částice pohybující se ve vakuu. Názory filozofa rozvinul jeho žák - Demokritos z Abdery (asi 460-370 př. n. l.) (2). Nazval „bloky“, které tvoří atomy hmoty (řecky atomos = nedělitelný). Tvrdil, že jsou nedělitelné a neměnné a že jejich počet ve vesmíru je konstantní. Atomy se pohybují ve vakuu.

Kdy atomy jsou spojeny (systémem háčků a oček) - vznikají všemožná těla, a když jsou od sebe oddělena - těla se ničí. Democritus věřil, že existuje nekonečně mnoho typů atomů, lišících se tvarem a velikostí. Vlastnosti atomů určují vlastnosti látky, například sladký med je tvořen hladkými atomy a kyselý ocet je tvořen hranatými; bílá tělesa tvoří hladké atomy a černá tělesa tvoří atomy s drsným povrchem.

Způsob spojení materiálu ovlivňuje i vlastnosti hmoty: v pevných látkách k sobě atomy těsně přiléhají a v měkkých tělesech jsou umístěny volně. Podstatou názorů Démokrita je výrok: "Ve skutečnosti existuje pouze prázdnota a atomy, vše ostatní je iluze."

V pozdějších stoletích byly názory Demokrita rozvíjeny postupnými filozofy, některé odkazy lze nalézt také ve spisech Platóna. Epikúros – jeden z nástupců – tomu dokonce věřil atomy skládají se z ještě menších složek („elementárních částic“). Atomistická teorie struktury hmoty však prohrála s prvky Aristotela. Klíč — již tehdy — byl nalezen ve zkušenosti. Dokud neexistovaly nástroje pro potvrzení existence atomů, byly přeměny prvků snadno pozorovatelné.

Například: při zahřívání vody (studený a mokrý prvek) se získával vzduch (horká a mokrá pára) a na dně nádoby zůstala půda (studené a suché vysrážení látek rozpuštěných ve vodě). Chybějící vlastnosti – teplo a sucho – zajišťoval oheň, který nádobu zahříval.

Invariance a konstantní počet atomů byly také v rozporu s pozorováními, protože se až do XNUMX. století předpokládalo, že se mikrobi objevují „z ničeho“. Názory Demokrita neposkytly žádný základ pro alchymistické experimenty související s přeměnou kovů. Bylo také obtížné představit si a studovat nekonečnou rozmanitost druhů atomů. Elementární teorie se zdála mnohem jednodušší a přesvědčivěji vysvětlila okolní svět.

3. Portrét Roberta Boylea (1627–1691) od J. Kersebooma.

Pád a znovuzrození

Po staletí stála atomová teorie stranou od hlavního proudu vědy. Ta však nakonec nezemřela, její myšlenky přežily a k evropským vědcům se dostaly v podobě arabských filozofických překladů starověkých spisů. S rozvojem lidského poznání se základy Aristotelovy teorie začaly hroutit. Heliocentrický systém Mikuláše Koperníka, první pozorování supernov (Tycho de Brache) vznikajících odnikud, objev zákonů pohybu planet (Johannes Kepler) a měsíců Jupitera (Galileo) znamenaly, že v XNUMX. a XNUMX. století lidé přestali žít pod nebem beze změny od počátku světa. Také na zemi byl konec Aristotelových názorů.

Staleté pokusy alchymistů nepřinesly očekávané výsledky – nepodařilo se jim proměnit běžné kovy ve zlato. Stále více vědců zpochybňovalo existenci samotných prvků a vzpomínalo na Demokritovu teorii.

4. Experiment z roku 1654 s magdeburskými polokoulemi prokázal existenci vakua a atmosférického tlaku (16 koní nedokáže rozbít sousední polokoule, ze kterých byl odčerpáván vzduch!)

Robert Boyle v roce 1661 podal praktickou definici chemického prvku jako látky, kterou nelze chemickou analýzou rozložit na její složky (3). Věřil, že hmota se skládá z malých, pevných a nedělitelných částic, které se liší tvarem a velikostí. Spojením tvoří molekuly chemických sloučenin, které tvoří hmotu.

Boyle nazval tyto drobné částice corpuscles, neboli „tělíska“ (zdrobnělina latinského slova corpus = tělo). Boylovy názory byly nepochybně ovlivněny vynálezem vakuové pumpy (Otto von Guericke, 1650) a zdokonalením pístových pump pro stlačování vzduchu. Existence vakua a možnost změny vzdálenosti (v důsledku stlačení) mezi částicemi vzduchu svědčily ve prospěch teorie Demokrita (4).

Největší vědec té doby, Sir Isaac Newton, byl také atomový vědec. (5). Na základě názorů Boylea předložil hypotézu o splynutí těla do větších útvarů. Místo prastarého systému oček a háčků bylo jejich vázání – jak jinak – gravitační.

5. Portrét sira Isaaca Newtona (1642-1727), od G. Knellera.

Newton tak sjednotil interakce v celém Vesmíru – jedna síla řídila jak pohyb planet, tak i strukturu nejmenších složek hmoty. Vědec věřil, že světlo se také skládá z krvinek.

Dnes víme, že měl „napůl pravdu“ – četné interakce mezi zářením a hmotou jsou vysvětlovány tokem fotonů.

Do hry vstupuje chemie

Téměř do konce XNUMX století byly atomy výsadou fyziků. Byla to však chemická revoluce iniciovaná Antoinem Lavoisierem, která učinila myšlenku zrnité struktury hmoty obecně přijatou.

Objev složité struktury starověkých prvků – vody a vzduchu – konečně vyvrátil Aristotelovu teorii. Na konci XNUMX. století nevzbuzoval námitky ani zákon zachování hmoty a víra v nemožnost přeměny prvků. Váhy se staly standardním vybavením chemické laboratoře.

6. John Dalton (1766-1844)

Díky jeho použití bylo zjištěno, že se prvky vzájemně kombinují a vytvářejí určité chemické sloučeniny v konstantních hmotnostních poměrech (bez ohledu na jejich původ - přírodní nebo uměle získaný - a způsob syntézy).

Toto pozorování se stalo snadno vysvětlitelným, pokud předpokládáme, že hmota se skládá z nedělitelných částí, které tvoří jediný celek. atomy. Tvůrce moderní teorie atomu John Dalton (1766-1844) (6) šel touto cestou. Vědec v roce 1808 uvedl, že:

1. Atomy jsou nezničitelné a neměnné (to samozřejmě vylučovalo možnost alchymistických přeměn).
2. Veškerá hmota se skládá z nedělitelných atomů.
3. Všechny atomy daného prvku jsou stejné, to znamená, že mají stejný tvar, hmotnost a vlastnosti. Různé prvky se však skládají z různých atomů.
4. Při chemických reakcích se mění pouze způsob spojování atomů, ze kterých se staví molekuly chemických sloučenin - v určitých poměrech (7).

Dalším objevem, založeným rovněž na pozorování průběhu chemických změn, byla hypotéza italského fyzika Amadea Avogadra. Vědec dospěl k závěru, že stejné objemy plynů za stejných podmínek (tlak a teplota) obsahují stejný počet molekul. Tento objev umožnil stanovit vzorce mnoha chemických sloučenin a určit hmotnosti atomy.

7. Atomové symboly používané Daltonem (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platónská tělesa - symboly atomů starověkých "prvků" (Wikipedie, autor: Maxim Pe)

Kolikrát řezat?

Vznik myšlenky atomu byl spojen s otázkou: "Existuje konec dělení hmoty?". Vezmeme například jablko o průměru 10 cm a nůž a začneme krájet ovoce. Nejprve napůl, pak půl jablka na další dvě části (rovnoběžně s předchozím řezem) atd. Po párkrát samozřejmě skončíme, ale nic nám nebrání pokračovat v pokusu v představě jednoho atomu? Tisíc, milion, možná víc?

Po snězení nakrájeného jablka (výborné!) začněme s výpočty (ti, kdo znají pojem geometrické progrese, budou mít menší potíže). Prvním dělením získáme polovinu ovoce o tloušťce 5 cm, dalším řezem plátek o tloušťce 2,5 cm atd. ... 10 ušlehaných! Proto „cesta“ do světa atomů není dlouhá.

*) Používejte nůž s nekonečně tenkou čepelí. Ve skutečnosti takový objekt neexistuje, ale protože Albert Einstein ve svém výzkumu uvažoval o vlakech pohybujících se rychlostí světla, je nám také dovoleno - pro účely myšlenkového experimentu - učinit výše uvedený předpoklad.

Platónské atomy

Platón, jeden z největších mozků starověku, popsal atomy, z nichž měly být prvky složeny v dialogu Timachos. Tyto útvary měly podobu pravidelných mnohostěnů (platónských těles). Čtyřstěn byl tedy atom ohně (jako nejmenší a nejprchavější), osmistěn byl atom vzduchu a dvacetistěn byl atom vody (všechny pevné látky mají stěny z rovnostranných trojúhelníků). Krychle čtverců je atom země a dvanáctistěn pětiúhelníků je atom ideálního prvku - nebeského éteru (8).