Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Наука. Величайшие теории Выпуск № 22, 2015 Еженедельное издание

Пер. с франц. — М.: Де Агостини, 2015.- 152 с.

ISSN 2409-0069

© Enrique Joven Alvarez, 2012 (текст)

© RB A Collecionables S. A., 2014

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Иллюстрации предоставлены:

Age Fotostock: 35hd, 55, 79hg, 79hd, 111b, 143b; Archives RBA: 17, 27, 35hg, 45hg, 53, 77, 89, 106, 109, 11 lhd, 123, 126; Archives fédérales allemandes: 143hd; bibliothèque du Congrès des États-Unis: 42, 103; Bolckow: 11 lhg; British Museum, Londres: 58; Cockermouth Tourist Information Centre: 45hd; Simon Ledingham: 45b; The Manchester Literary and Philosophical Society: 98; musée d’Histoire de Berne: 143hg; Musée national de Stockholm: 51; National Portrait Gallery, Londres: 21; Marie-Lan Nguyen: 30; The Nobel Foundation: 134, 139; Mike Peel: 35b; Nick Smale: 79b; akg/Science Photo Library.

Сегодня, наверное, уже не осталось людей, которые никогда не слышали об атоме. Все мы в большей или меньшей степени знаем об этих частицах еще со школьной скамьи. Нам известно, что материя состоит из бесконечного множества крошечных частиц, которые, соединяясь, образуют более сложные структуры. Самые простые из них называются молекулами. Эти молекулы, в свою очередь, образуют еще более сложные структуры, и так далее, вплоть до знакомого нам макромира с его минералами, растениями и животными. Частью этого мира являемся мы сами — существа, наделенные разумом. Из атомов состоит абсолютно все. Мы даже думаем благодаря этим частицам.

Если бы мы ничего не знали об атомах и задались бы вопросом, из чего состоит материя и до какой степени ее можно разделить на составляющие, то оказались бы в затруднении. Частицы пыли, которые мы видим в воздухе невооруженным глазом,— это самые мелкие элементы материи? Или их тоже можно разделить? А как они соединяются? Какие механизмы обеспечивают это соединение? Все ли мельчайшие частицы одинаковы?

На эти и подобные вопросы искали ответы еще древнегреческие философы. Они призывали на помощь логику и в своих поисках дошли до того, что выработали атомистическое учение, согласно которому все в мире состоит из неделимых частиц, то есть деление возможно до определенной степени. Но эти неделимые частицы имеют слишком маленький размер, поэтому их нельзя увидеть невооруженным глазом. Таким образом, наглядно подтвердить атомистическое учение невозможно, и это было его главным подводным камнем.

Существовали и другие соблазнительные теории. Например, некоторые заявляли, что в основе окружающего нас мира лежат четыре основополагающие стихии — воздух, земля, вода и огонь. Это представление гораздо лучше соответствовало человеческим чувствам и ощущениям и потому продержалось около 15 веков. Философия превратилась в религию, а религия, в свою очередь, в догму, и лишь ценой огромных усилий человечеству удалось выбраться на свет. Благодаря астрономам и химикам наука наконец нашла свой путь. Мир не такой, каким мы его себе представляли. Наблюдения и лабораторные опыты все больше расшатывали существующие убеждения. Оказывается, человеку не под силу превращать свинец в золото и читать будущее по звездам.

Астрологи стали астрономами, алхимики — химиками и начали делать собственные выводы. Они выделили элементы, никак не связанные с четырьмя стихиями. Воду можно разделить на кислород и водород, воздух — это просто смесь газов, огонь — продукт горения, да и земля — тоже смесь разных элементов, которые можно отделить друг от друга. Всего было выделено 92 элемента. Каждое новое десятилетие несло удивительные открытия. Частицы материи не исчезают, а лишь меняют форму. Элементы соединяются всегда одним и тем же способом, и их соотношение в соединении измеряется целыми числами. Капризные газы оказались гораздо более предсказуемыми, чем предполагалось. Их температура, давление и объем были тесно связаны друг с другом. Казалось, все забыли об атомах...

По крайней мере, до появления в науке конца XVIII века англичанина Джона Дальтона. Поначалу этот скромный школьный учитель, не получивший университетского образования, не привлек к себе особого внимания. Известно, что он твердо придерживался религиозных убеждений, был невероятно дисциплинирован и отличался редкой способностью размышлять. Между уроками Дальтон погружался в изучение химии и вскоре оказался далеко впереди ученых своего времени. Он утверждал, что химическое поведение газов — и материи вообще — можно объяснить, если представить вещества в виде набора атомов, свойства которых, по его мнению, близки философским представлениям древних греков. Причем на этот раз атомная гипотеза нашла подтверждение в ходе опытов: химические реакции соединений и элементов, открытых Дальтоном, соответствовали ее постулатам. Окрыленный своими открытиями, Дальтон составил первую таблицу атомных весов (или масс). Он показал, что строение материи можно объяснить с помощью атомов, и это объяснение работает, причем очень хорошо. Такой подход позволял понять: несмотря на то что каждое вещество состоит из одинаковых атомов, свойства соединений меняются в зависимости от отношений атомных масс элементарных составных частей. Другими словами, благодаря теории Джона Дальтона химия была признана математически точной наукой. Английский ученый также утверждал, что атомы водорода — самые легкие из всех, которые можно обнаружить в соединении, и это помогло ему установить значение относительной атомной массы других известных элементов. Благодаря этому критерию — относительной атомной массе — Дальтону удалось, наконец, выстроить первую логичную классификацию отдельных элементов, известных в то время. Химические реакции полностью соответствовали этой новой атомной концепции: закон сохранения вещества, который Лавуазье предложил незадолго до этого, нашел теоретическое подкрепление; модель и практика соответствовали друг другу.

Атомная теория Дальтона встретила поддержку несмотря на настороженность и сопротивление некоторых ученых — как среди его современников, так и спустя столетие. Главной причиной неприятия был тот факт, что рассматриваемые элементы — то есть атомы — невидимы. (Хотя теория подкреплялась наблюдениями.) Для многих ученых эта теория, таким образом, оставалась не более чем гипотезой — безусловно, полезной, но ни в коем случае не окончательной.

До начала XX века не было возможным физически проверить существование атомов. «Физическая» проверка, с одной стороны, означала подтверждение реального существования частиц, а с другой — погружение в физику, которое позволило бы завершить путь, пройденный до этого момента учеными-химиками. Независимо от физических результатов — физика в итоге поколебала некоторые постулаты атомной теории Дальтона, в том числе его идею неделимости атомов — химические выводы не изменились. Определяющими стали открытие броуновского движения, радиоактивности и особенно — работы Эрнеста Резерфорда, который доказал существование атомного ядра и описал его природу.