Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Это явление, открытое в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (1773-1858), стало первым экспериментальным доказательством существования молекул и, следовательно, атомов. Броун увидел в микроскоп, что плавающие на поверхности воды частицы пыльцы двигаются хаотично. Как ботаник, он сделал вывод: это явление объясняется тем, что зерна пыльцы — живые организмы. Несколькими годами ранее, в 1785 году, Ян Ингенхауз наблюдал похожее явление, растворяя частицы угля в спирте.

Роберт Броун в 1855 году.

В мае 1905 года Альберт Эйнштейн опубликовал статью под названием "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты*, в которой основывал свои расчеты на статистических методах, используемых в кинетической теории газов. Маленькие частицы пыльцы — Эйнштейн полагал, что их описание может объяснить броуновское движение, — подталкиваются тепловым движением молекул воды (которые в тысячу раз меньше частиц пыльцы). Математические расчеты Эйнштейна были подтверждены и дополнены в ходе опытов шведского ученого Теодора Сведберга (1884-1971) и особенно французского ученого Жана- Батиста Перрена (1870-1942), который за свои исследования в 1926 году был удостоен Нобелевской премии. Перрен не просто подтвердил расчеты Эйнштейна, но поставил точку в спорах о существовании атома, о котором говорил Дальтон. Именно Перрену принадлежит знаменитое высказывание об атомах: "Отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение к молекулярным гипотезам".

Точнее всего Джона Дальтона можно охарактеризовать как безгранично любознательного человека. Наставники препятствовали его склонности к изучению медицины, взывая к ложно истолкованному религиозному смирению, поэтому он с юности посвятил себя бесконечному множеству других наук. То, что атомная теория была выведена из его метеорологических наблюдений, выглядит странным в наших глазах, но не в глазах самого Дальтона (который, кстати, не мог различать некоторые цвета). Под наблюдением одного из своих первых наставников во время учебы в скромной квакерской школе в Кендале, где позже, едва достигнув 20 лет, Дальтон сам будет преподавать, мальчик начал каждый день методично записывать различные метеорологические показатели: температуру, давление, относительную влажность, скорость, силу и направление ветра, облачность и так далее. Из этих наблюдений он заключил, например, что дождь является следствием не изменения атмосферного давления, а понижения температуры. В течение 57 лет, то есть до самой своей смерти, он сделал больше 200 тысяч наблюдений. По целеустремленности и упрямству Дальтона можно сравнить с датским астрономом Тихо Браге (1546-1601), который, наряду с Николаем Коперником, Галилеем и Кеплером, считается основателем астрономии. После учебы в главных европейских университетах 16-летний Браге заявил, что необходимо пересмотреть таблицы расположения звезд, и этой задаче он посвятил 40 лет своей жизни.

Мне понадобилось много лет, чтобы принять почти маниакальную идею о том, что если хочешь достигнуть любопытных результатов, необходимо подчинить себя ежедневной дисциплине.

Джон Дальтон

Метеорология привела ученого к атомной теории. Это был длинный путь, о котором мы постараемся рассказать. Любое, даже самое незначительное явление привлекало внимание ученого. В 1788 году, например, его до такой степени поразило северное сияние, что он увлекся его изучением. Дальтон справедливо считал, что между северным сиянием и магнитным полем Земли есть связь. Он предположил, что в самых верхних слоях атмосферы должен находиться подвижный газ, обладающий теми же свойствами, что и железо. Сегодня мы знаем, что сияние возникает из-за идущих от Солнца заряженных частиц, которые попадают в атмосферу около магнитных полюсов Земли.

Большая часть этих частиц на самом деле является протонами и электронами — элементами, из которых состоит атом. Джон Дальтон был на верном пути.

Погружению в изучение газов, а потом — благодаря газам — и в атомную теорию предшествовало множество работ. Сохранились тексты Джона Дальтона о связи дождя и родников, цвете неба, отражении и преломлении света, о ботанике и других, более отдаленных от науки предметах, например подробное исследование о вспомогательных глаголах английского языка и грамматике. Дальтон был больше преподавателем, чем ученым, для него все было важным. Нет нужды говорить, что он был блестящим математиком и прекрасно разбирался в астрономии, географии и химии газов, а также в гуманитарных науках, в древнегреческом языке и латыни. Он был самоучкой, который, казалось, никогда не отдыхал.

Ничто не теряется, ничто не создается, все трансформируется.

Антуан Лоран де Лавуазье, закон сохранения массы

Хотя всю жизнь Дальтон сожалел о том, что не смог посвятить себя изучению медицины и медицинской практике, с его именем все же связана одна семейная история, имевшая непосредственное отношение к медицине. В 1792 году 26-летний Дальтон решил вместе со своим братом подарить матери на день рождения чулки неяркого синего цвета, подобающие скромной квакерше. К удивлению сыновей, мать оскорбилась и отвергла подарок. На самом деле выбранные Джоном и Джонатаном чулки были ярко-красного цвета — просто братья не отличали красный цвет от синего. Джон Дальтон посвятил исследованию этого явления два года и в 1794 году, будучи членом Литературно-философского общества Манчестера, представил работу "Чрезвычайные факты, связанные с видением цветов". Несмотря на то что ученый предположил неверное объяснение этого явления (по его мнению, неспособность различать красный цвет была связана с аномалией стекловидного тела), метод и причинная связь были разработаны точно. Так что, помимо признания, которое получили последующие исследования Дальтона об атоме, именем ученого было решено назвать и это отклонение — дальтонизм, — от которого он сам страдал и которое тщательно исследовал.

Джон Дальтон имеет полное право на титул отца современной химии, хотя так называют его предшественника, Антуана Лорана де Лавуазье (1743-1794). Дальтон прекрасно знал работы французского ученого, особенно его исследования состава воздуха и знаменитый закон сохранения массы.

Мы еще вернемся к этому вопросу, но сейчас напомним, что когда был открыт закон сохранения массы, об атоме еще не знали. Джон Дальтон дополнил незыблемый закон Лавуазье: "Масса вещества в ходе химической реакции не изменяется, масса использованного вещества равна массе полученного продукта". Эта формулировка была усовершенствована век спустя после Дальтона, когда было открыто, наконец, строение атома и стало возможным производить ядерные реакции, для которых необходимо учитывать соотношение массы и энергии. Однако знаменитое уравнение Эйнштейна (Е-тс 2) выходит за рамки нашей книги.