Текст книги "Масса атомов. Дальтон. Атомная теория"

Автор книги: Enrique Alvarez

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)

Великий Бертолле умер в 1822 году, в тот же год, когда он лично познакомился с Дальтоном в Аркейле. Его учеником и ассистентом был Жозеф-Луи Гей-Люссак, один из величайших химиков нашей эпохи. Гей-Люссак был неутомим и бесстрашен в своих исследованиях. В 1804 году он дважды поднимался на воздушном шаре на высоту 7000 метров, чтобы провести несколько замеров и опытов в условиях разреженного воздуха и полюбоваться невероятным пейзажем. Этот человек заслуживает особого упоминания в книге, посвященной Дальтону, поскольку он был одним из немногих ученых, способных возражать Дальтону по существу.

Главное слабое место атомной теории Дальтона – вопрос об объеме. Постулаты теории основаны на количественных законах – открытых самим Дальтоном и его коллегами,– но в них не учтены отношения объемов. Ученый утверждал – и всегда отстаивал эту точку зрения, – что если два разных газа имеют одну температуру, одно давление и, кроме того, занимают один объем, они обязательно будут иметь разное количество атомов. Однако Гей-Люссак в 1808 году открыл экспериментальным образом то, что он позже назвал законом объемных отношений.

Самый известный результат его опытов с объемами газов – это опыт с водяными парами. Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, образуя два объема водяных паров:

O₂ + 2Н₂ → 2 Н₂O (пар).

Эта реакция, подтвержденная опытом, не имеет смысла, если рассматривать ее в тесной связи с атомной теорией Дальтона. Для него газы не могли быть двухатомными, поскольку отталкивающие силы мешают атомам соединяться. Дальтон всегда отстаивал одноатомные соединения (O + Н → ОН), но эта реакция не соответствует результату опытов.

ЖОЗЕФ-ЛУИ ГЕЙ-ЛЮССАК

Гей-Люссак (1778-1850) был сыном прокурора Людовика XVI. Несмотря на полученное техническое образование – он учился на инженера, – ученый очень быстро увлекся химией и сформулировал два знаменитых газовых закона, носящих его имя. Кроме того, он изучал магнетизм, путешествуя по Европе в компании своего друга Александра фон Гумбольдта, а также электрофизику и электрохимию. Ученый открыл бор и калий, а также, параллельно с сэром Гемфри Дэви, йод и хлор. Его интересовали такие разные темы, как производство пушек и громоотвода, синтез едких кислот и определение сплава для монет. Отчасти его деятельность, как и большинства французских ученых того времени, касалась политической жизни. Гей-Люссак был членом палаты депутатов, Луи Филипп сделал его пэром Франции.

Закон Гей-Люссака

В 1805 году Гей-Люссак сформулировал первый закон, который устанавливал отношение между объемом и температурой определенного количества идеального газа при постоянном давлении:

V/T = постоянная.

Этот закон носит имя Шарля (или Шарля – Люссака), потому что около 1787 года его уже сформулировал Жак Шарль. Второй закон Гей-Люссака

Р/T = постоянная устанавливает отношение между давлением и температурой определенного объема. Этот закон, а также закон Бойля (PV = С) составляют группу законов идеальных газов.

Объемы реагирующих газов показывали, что две частицы водорода, соединяясь с одной частицей кислорода, образуют две частицы водяного пара (см. рисунок). Однако один атом кислорода не может дать две частицы воды, потому что каждая частица воды должна содержать по одному атому кислорода. Разумеется, если только атомы не могут делиться. После уточнения, сделанного Гей-Люссаком, мы получили исправленную атомную массу кислорода (равную 16 единицам по отношению к водороду). Гей-Люссак утверждал, что основной характеристикой элемента является объем, а вовсе не его атомная масса, как считал Дальтон. Поэтому при реакции лучше измерять объем газа, а не массу. Ошибка, допущенная Дальтоном в рассуждениях, заключалась в том, что он не различал атомы и молекулы.

В газообразном состоянии при равных температуре и давлении отношения между объемами образующегося газа выражаются простыми целыми числами.

Жозеф-Луи Гей-Люссак, закон отношения объемов

Однако Гей-Люссак не отрицал гипотезу Джона Дальтона; он открыто признавал полученные результаты искусными, и хотя в своих химических исследованиях он поменял местами по важности массу и объем, атомная теория, по сути, ему подходила. Она объясняла опыты не только Дальтона, но и других ученых, таких как Томсон и Волластон. В этом Гей-Люссак разошелся со своим учителем Бертолле, который верил не в атомы, а в частицы, опираясь на декартову идею об их бесконечной делимости. Гей-Люссак попытался соединить обе гипотезы в следующем утверждении: «Химическая реакция протекает с большей силой, если элементы находятся в простых отношениях, или в кратных отношениях» (1814).

Вопрос о том, какая из гипотез вернее – система "одного объема" или "двух объемов",– был решен только в 1860 году, когда состоялся Первый Международный химический конгресс в Карлсруэ (Германия). В те годы химики не знали, каким критериям следовать, потому что массу и объем связывали с плотностью. Томас Томсон, например, предложил поделить соединения на три группы в зависимости от плотности пара: плотность, равная их атомной массе, двойной атомной массе или четверной. Другие химики, например Волластон, работали не с атомной массой, объемом или плотностью пара, а с количественными эквивалентами, установленными в результате стехиометрических экспериментов. Были и такие (например, сэр Гемфри Дэви), кто работал только с пропорциями. Если сегодня проблема кажется нам легко решаемой, то это потому, что мы уже ясно различаем атом, молекулу и моль, или грамм– молекулу.

Количество кислорода кислоты и основания в солях всегда соотносятся как простые кратные числа.

Йенс Якоб Берцелиус, правило кислоты (1812)

Именно в этот момент на сцену выходит швед Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848). Сначала он был врачом, но потом посвятил себя преподаванию и химии. Говорят, что размышляя о том, как опытами проиллюстрировать свои занятия, Берцелиус открыл новый – хотя, наверное, не такой уж и новый – закон кратных отношений, названный им правилом кислоты.

Берцелиус, как и Дальтон, интересовался работами Пруста и Рихтера. Открытый им закон принципиально отличало от других известных количественных законов то, что Берцелиус работал не с газами, а главным образом с кислотами и неорганическими солями. Он был азартным и блестящим исследователем. В 1812 году Бертолле пригласил его в Париж, но уже выехав, Берцелиус из-за войны между Швецией и Францией

ПЕРВЫЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОНГРЕСС В КАРЛСРУЭ

Конгресс в Карлсруэ считается первой в мире конференцией по химии. Он проходил с 3 по 5 ноября 1860 года в немецком городе Карлсруэ. Главную трудность для участников и организаторов, среди которых были Фридрих Август Кёкуле (1829-1896), Адольф Вюрц (1817-1884) и Карл Вельцин (1813-1870), представляло соединение номенклатуры и химических обозначений, с одной стороны, и разной атомной массы – с другой. При решении первой задачи с огромным успехом были приняты предложенные Берцелиусом обозначения и формулы. А вот по поводу атомной массы, начиная с публикации работ Дальтона в 1803 году, состоялось много споров о разных системах. Дальтон предложил водород (масса равна 1) как основу и присвоил 6 углероду и 8 – кислороду. В итоге, после того как было установлено, что некоторые элементы являются не одноатомными, а двухатомными (как кислород и водород), были приняты следующие значения:

1 для водорода, 12 для углерода, 16 для кислорода. Самый значительный вклад в эту работу внес итальянец Станислао Канниццаро (1826-1910).

Станислао Канниццаро в 1897 году.

Станислао Канниццаро

Канниццаро предложил следующее: если сравнить плотность двух газов и допустить, что в одном объеме содержится одинаковое количество частиц (гипотеза Авогадро), можно получить отношение между атомными массами этих газов. Например, зная, что плотность соляной кислоты (HCI), воды (Н₂0), аммиака (NH₃) и метана (СН₄), измеренная в объеме 1 литр при нормальной атмосфере (1) и температуре 100°С, равна 1,19 г/л, 0,589 г/л, 0,557 г/л, и 0,524 г/л, то, вычислив процент веса интересующего нас элемента (в данном случае водорода, который в этих соединениях будет равен соответственно 2,76%, 11,2%, 17,7% и 25,1%), мы сможем вычислить массу элемента в соединении: 3,28 сг, 6,60 сг, 9,86 сг и 13,15 сг. Наглядно видно, числа соотносятся как 1, 2, 3 и 4. Это позволило Канниццаро утверждать, что атомный вес водорода равен 1 и что соляная кислота содержит 1 его атом, вода – 2, аммиак – 3 и метан – 4, и это соответствует действительности.

изменил маршрут и направился в Англию, где его принял сэр Гемфри Дэви. Именно тогда, через четыре года после публикации в 1808 году, Берцелиус познакомился с сочинением Дальтона, но с автором ему встретиться не удалось. Некоторое время спустя Дальтон послал ему экземпляр своей книги.

Берцелиус не был полностью согласен с работой Дальтона, но восхищался основными положениями его атомной теории. Он также был знаком с работами Гей-Люссака и соглашался с идеей о том, что "одинаковому объему" соответствуют "одинаковые числа". Под одинаковыми числами Берцелиус, как и Гей-Люссак, понимал число частиц, которые мы сегодня называем молекулами. Помимо этого, он использовал плотность пара для расчета атомной массы известных элементов. Исчерпывающая таблица, опубликованная в 1828 году, была более обширной, нежели таблица Дальтона, однако в ней использовались идеи последнего, дополненные еще одним очевидным фактом.

Главный вклад Берцелиуса в современную химию состоит не в открытии в полном смысле слова, а в инструменте. Берцелиус ввел новый инструмент – формулу. Он разработал для опытов систему химических обозначений, присвоив элементам простые символы, представляющие собой сокращения греческих или латинских названий (например, Ag от латинского argentum для серебра, Fe от латинского ferrum для железа), добавив, кроме того, число атомов элемента – то, что потом будет названо молекулой. Химические реакции записывались как математические формулы с использованием дополнительного обозначения. Собственно, сегодня мы используем систему Берцелиуса с некоторыми изменениями. Главная разница – в том, что Берцелиус использовал степень (Н²O), а не показатель (Н₂O), как мы делаем сегодня.

Дальтон совершенно не оценил нововведения. В то время химики вообще использовали обескураживающее количество рисунков, символов и сокращений. Обозначения Берцелиуса он посчитал "отвратительными" и на протяжении всей жизни продолжал использовать собственные круглые символы, хотя все его коллеги уже давно оценили удобство формул. Берцелиус добавил в свои таблицы новые открытые им самым или его ассистентами элементы – церий, селен, кремний, торий, титан и натрий (заметим, что по поводу открытия некоторых из них имеются расхождения). Он был также страстным приверженцем техники электролиза Дэви и использования электричества в химии. Берцелиус первым для объяснения химических реакций подчеркнул важность атомной полярности – в противовес силам притяжения, защищаемым Джоном Дальтоном.

Если уж Берцелиусу потребовалось время на публикацию своих работ и на то, чтобы о нем узнали (Швеция в научном плане была не так развита, как Франция, Великобритания или Германия), то что говорить об итальянце Лоренцо Амедео Авогадро (1776-1856), графе Кваренья ди Черрето, который также сыграл значительную роль в развитии атомной теории. Авогадро был странным и достаточно нелюдимым человеком. Он поздно обратился к науке, работы публиковал редко и не участвовал в научных собраниях. Но то немногое, что нам известно о его трудах, доказывает: Авогадро был человеком незаурядного ума. Он смог объединить идеи Дальтона и Гей-Люссака и сформулировать удивительный и столь же важный закон (или принцип) Авогадро.

Он попытался применить законы объемов Гей-Люссака к атомной теории Дальтона. Чтобы объединить эти две теории, пришлось прибегнуть к понятию молекулы, которое Авогадро и ввел. Он считал, что есть три вида молекул, из которых так называемая элементарная похожа на атом Дальтона. В рамках своей теории Авогадро правильно объяснил образование воды, аммиака и окисей азота и углерода. На самом деле, поскольку он изобрел понятие молекулы, его закон помог окончательно оформить атомную теорию, и именно поэтому многие общие работы по химии называют ее атомно-молекулярной теорией материи.

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Закон Авогадро (1811)

ЙЕНС ЯКОБ БЕРЦЕЛИУС

Оставшись сиротой в раннем возрасте, Берцелиус (1779-1848) изучал медицину в университете Упсалы, в Швеции. Он занимался медициной, но довольно быстро увлекся химическими исследованиями. Юноша самостоятельно открыл закон кратных отношений массы составных элементов веществ, в полном соответствии с теорией Дальтона. В1828 году он представил таблицу атомных масс элементов, более точную, чем таблица Дальтона. Вместе с другими учеными открыл селен, церий и торий. Кроме того, он первым использовал слово протеин, обозначив им материнское вещество, которое, по мнению Берцелиуса, образовывало большую молекулу.

Система обозначений

Система химических обозначений, которую использовал Берцелиус, действует и в наши дни. Она была единогласно принята на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ в 1860 году. Химические элементы обозначались одной или двумя буквами, главным образом от их латинского названия (как Fe, Au или Ag), или их начальными буквами (как О, N, С, Н и так далее). Химическая реакция записывалась как математическое уравнение, с добавлением дополнительного знака и стрелок: вещество, вступающее в реакцию,– слева, а продукт реакции – справа.

Принцип Авогадро позволил определить величину и массу атомов, хотя это произошло только 50 лет спустя. Количество молекул, или элементарных тел, содержащихся в одном моле (грамм-молекуле), всегда одно и то же: 6022 х 10²³ моль^-1, вне зависимости от того, рассматриваем мы 32 грамма кислорода (О₂, двухатомный) или любой другой эквивалент другого вещества. Согласно сегодняшнему определению, это количество атомов углерода в 12 граммах углерода-12. Это число было разными способами получено французом Жаном Батистом Перреном в 1909 году, подтвердившим, как мы увидим позже, атомную природу материи во время исследований броуновского движения. Перрен получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году.

Химия продолжала развиваться, но, к сожалению большинства ученых, изменения были хаотичными несмотря на благоприятствующую промышленную революцию. Открытие Амедео Авогадро было распространено только на уже упомянутом Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (1860). Этот конгресс был очень важен, причем не столько по причине представленных на нем научных результатов (хотя они тоже были), сколько потому, что он означал утверждение химии как независимой современной науки. Мероприятие предложил провести немец Фридрих Август Кёкуле, известный благодаря работам о строении бензолового кольца. В то время система Берцелиуса уже была принята, но среди некоторых ученых все равно царили споры. Продолжалась дискуссия между атомистами – последователями Дальтона – и теми, кто придерживался теории эквивалентных весов и ее производных. Великий русский химик Дмитрий Менделеев ( 1834-1907) еще не проделал свой длинный путь и не навел порядок – мы намеренно используем это сильное выражение – в природных элементах, изобретя знаменитую периодическую таблицу, основанную на атомной теории.

Ученые сошлись на том, что атом поможет объяснить состав материи и выстроить логичную классификацию атомных элементов по их свойствам, среди которых главное – атомная масса, открытая и определенная Джоном Дальтоном. Оставалось только обнаружить эти атомы. И здесь в игру вступила физика.

Голубая доска, посвященная Дальтону, в Манчестере.

Клод-Луи Бертолле, самый выдающийся научный соперник Дальтона и в то же время его искренний друг.

Литография 1833 года. Карикатура изображает Дальтона (справа), благодарящего голландского физика Герхарда Молля (1785-1838) за публикацию памфлета в защиту английской науки.

ГЛАВА 5
Наследие Дальтона. Атомный взрыв XX века

Работая в своей маленькой лаборатории в Манчестере, Джон Дальтон и представить не мог, какие последствия вызовет его атомная теория. Прошел целый век, прежде чем существование атомов было доказано экспериментально. Ученые решили не вводить новые данные по крупицам, а изменить вообще весь мир. Для того чтобы объяснить поведение атомов, были созданы новые невероятные теории, такие как квантовая физика.

Четвертая глава закончилась фразой, которая некоторым могла показаться слишком дерзкой – особенно из-за того, что она написана физиком. Но это не так. Мы уже рассказывали, как родилась современная химия и как она превратилась из магического искусства алхимии в науку в привычном нам смысле слова. Мы также говорили о том, какую важную роль сыграл Дальтон в изучении конечных частиц материи. Сегодня достаточно отрыть любой словарь, чтобы найти в нем определение химии, согласно которому она является наукой, изучающей атомный и молекулярный состав материи и особое взаимодействие ее составляющих.

ПЕРВЫЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОНГРЕСС В КАРЛСРУЭ

Странным образом работы Бойля, Лавуазье, самого Дальтона и многих других ученых, которых мы уже перечислили, легли в основу нового взгляда на мир. В конце предыдущей главы мы упомянули важный конгресс в Карлсруэ, организованный в 1860 году. Это не только был первый международный конгресс по химии – мероприятие имело серьезные последствия для будущего химии, такие как практически немедленное принятие системы обозначений Берцелиуса и международное признание закона Авогадро.

Если бы нужно было свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучало бы так: все вещи созданы из атомов.

Ричард Фейнман (1918-1988), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года

Именно благодаря работам Авогадро, Гей-Люссака и особенно Джона Дальтона итальянский химик Станислао Канниццаро распространил среди участников конгресса короткую брошюру под названием "Краткий очерк развития философии химииР (1856). В этой работе Канниццаро утверждал, что поскольку атомы неделимы, молекула должна содержать целое число – и почти всегда простое – атомов каждого вида. Если мы можем рассчитать молекулярный вес составляющих элемента и процент, в котором он присутствует в соединении, полученное количество является кратным простым числом атомного веса элементов. Чтобы определить относительную атомную массу некоторых элементов среди наиболее известных, Канниццаро применил закон Авогадро и рассчитал, что один моль газа – в нормальных условиях, то есть при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре О °С – занимает объем 22, 4 литра. Из веса этих объемов в разных соединениях можно вычислить процент, относительную атомную массу и количество атомов элемента в молекулах реакций.

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой – за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов – при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

СОПРОТИВЛЕНИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния – Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию – в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были «полезным понятием», для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах – особенно в области статистической механики – опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов – самого простого состояния вещества, – нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10^е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п – число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат:

P = Nmx2/3V

Эта формула определяет отношение давления (измеряемого) и средней кинетической энергии на одну молекулу. Кроме того, она соответствует закону идеального газа (PV=nRT), согласно которому средняя молекулярная энергия пропорциональна температуре, а постоянная Больцмана связана с универсальной газовой постоянной и числом Авогадро.

Распределение скоростей 104 частиц кислорода при разных температурах газа (-100ºС, 20ºС, 100ºС).

Можно выразить его другим способом, через число частиц и постоянную Больцмана k. Эта постоянная, как и число Авогадро, была рассчитана Жаном Перреном во время его опытов с броуновским движением, и она равна kB = 1, 3806504 x 10^-23 Дж/К.

Атомов не существует.

Фридрих Вильгельм Оствальд

Трагический уход Больцмана, покончившего с собой в 1906 году, можно объяснить его неудачным выбором авторитетов. Уважаемый латышский химик и философ Фридрих Вильгельм Оствальд последовал примеру немца Маха. Лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года за работы в области катализа так никогда и не признал существования атомов.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ: ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВОВАНИЯ АТОМОВ

Удивительно, но одно из самых важных наблюдений XIX века, дающее первое неопровержимое доказательство существования молекул, было сделано не химиком и не физиком, а ботаником. В 1827 году шотландец Роберт Броун заметил, что маленькие частицы пыльцы на поверхности воды двигаются в случайном порядке. Вначале Броун подумал, что пыльца живет собственной жизнью. Потом он повторил опыты с другими неорганическими веществами, например с пылью, и получил те же удивительные результаты. Это движение, названное в его честь броуновским, было описано похожим образом в связи с турбулентностью воздуха в 60 году до н.э. философом Лукрецием в поэме "О природе вещей*. В этом произведении автор раскрывает сущность знаний об атомах его предшественников Демокрита и Эпикура:

"Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит"*.

* Перевод с латыни Ф. Петровского.

В 1863 году появилось предположение, что это движение возникает из-за неравномерного действия бесконечного числа частиц воды (или молекул), которые толкают с одной или с другой стороны пылинки либо частицы пыльцы. Беспорядочное действие этих частиц вызывает наблюдаемое движение. Вывод: молекулы существуют.

Математическое описание броуновского движения было разработано Альбертом Эйнштейном в его первых статьях, опубликованных в 1905 году. По мнению многих специалистов, описание Эйнштейна представляет собой первое физическое доказательство атомной теории: молекулы, состоящие из атомов, действуют на более крупные частицы, поскольку одна молекула воды равна примерно одному нанометру, а частица пыльцы – одному микрометру, то есть она в тысячу раз больше.

В этом исследовании Эйнштейн не только осуществлял теоретический анализ движения, но также объяснял, как проверить истинный размер молекул воды, используя частицы на поверхности. В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен, о котором мы уже говорили, изучил то, как частицы оседали под действием притяжения. Эта сила оседания, связанная с весом, противоречила броуновскому движению. Расчеты Перрена упростили работу Эйнштейна, и французский ученый рассчитал размер молекулы воды. За исследование знаменитых коллоидов он получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году. Формулировка звучала следующим образом: "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия". Мы могли бы сказать, что благодаря усилиям Перрена неуступчивый Вильгельм Оствальд признал, наконец, к концу жизни существование молекул и, следовательно, атомов.

Так в начале XX века ученые получили убедительное доказательство существования атомов, и они превратились из гипотетических объектов в реальные частицы, которые почти можно потрогать. Но последняя цель – разделить атомы, понять их структуру, если таковая есть, – еще не была достигнута. Итак, все состоит из атомов, начиная с нас самих. Предвосхищая исторические и теоретические объяснения природы и структуры атомов, нелишним будет сказать несколько слов о современных представлениях.

Все состоит из атомов. Абсолютно все. Атомы объединяются в молекулы (от латинского "маленькая масса"). В кубическом сантиметре воздуха – то есть примерно в наперстке – содержится около 50 тысяч миллиардов молекул. Любое соотнесение этого объема – с человеческим телом, с городом, с планетой и в особенности с размерами космоса – ошарашивает.

Еще одной основополагающей характеристикой атомов является их неизменность. Мы знаем сегодня, что атомы крайне долговечны, за исключением радиоактивных атомов – самых тяжелых и самых нестабильных. Но обычные частицы, из которых состоит наш организм, могут оставаться неизменными в течение 10³⁵ лет и переходить от одного носителя к другому. Это в определенном смысле форма реинкарнации в микроскопическом масштабе.

Размеры и масса атомов действительно крошечные. О массе мы уже говорили. В качестве примера вспомним, что один атом углерода весит примерно 1, 66 х 10^-27 кг. Размеры атомов могут отличаться, но это всегда маленькое число. Мы увидим, что атом пуст, его ядро относится к его размеру как яблоко к планете Земля. Если использовать цифры, мы скажем, что диаметр ядра атома составляет от 0, 3 до 3 ангстрем (1 ангстрем – 10^-10 метров). Нужно будет разделить один миллиметр на тысячу и каждую полученную часть – еще на тысячу, а потом каждую новую полученную часть – еще на десять. Это и будет размер ядра.

МЕНДЕЛЕЕВ: КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

За несколько десятилетий до наступления XX века Дмитрий Иванович Менделеев проделал изнурительную работу по классификации известных элементов. В 1869 году он объединил два основных свойства атома: атомную массу и химические свойства соединения. На основании этого он разработал знаменитую периодическую таблицу элементов, в которой по горизонтали расположил элементы по периодам, а по вертикали – по группам.

ДМИТРИЙ МЕНДЕЛЕЕВ

Дмитрий Менделеев (1834-1907) родился в маленьком сибирском городке и был младшим ребенком в семье. Его мать управляла стекольным заводом, а после того как на заводе произошел пожар, решила на оставшиеся сбережения отправить сына в университет.

Менделеев учился в Санкт-Петербурге, где в возрасте 23 лет получил кафедру химии. Как и другие химики его эпохи, он присутствовал на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ, и работы Канниццаро об атомном весе элементов произвели на ученого сильное впечатление. В 1869 году он опубликовал «Основы химии», которые подводили итог знаменитой периодической таблице элементов. Позднее Менделеев побывал в США, где изучал способы добычи нефти. Со временем он получил признание в научном мире и стал почетным доктором университетов Оксфорда и Кембриджа. Этот химик был неутомимым путешественником. Кроме США, он нанес визит чете Кюри в Париже в 1902 году, хотя и не допускал существования радиоактивности. Для Менделеева речь шла всего лишь об энергии как свойстве некоторых атомов, которые остаются неделимыми.