与一个原子穿越千古 - 第 1 部分
上个世纪通常被称为“原子时代”。 在那不远的时候，构成我们周围世界的“砖块”的存在终于被证明了，而其中蛰伏的力量也被释放出来了。 然而，原子本身的概念有着非常悠久的历史，物质结构知识的历史故事只能从提到古代的词语开始。
1. 拉斐尔壁画《雅典学派》的片段，描绘柏拉图（右边，哲学家具有达芬奇的特征）和亚里士多德
“已经老了……”
……哲学家得出的结论是，所有自然都由难以察觉的小粒子组成。 当然，当时（以及在那之后的很长一段时间内）科学家们没有机会检验他们的假设。 它们只是试图解释对自然的观察并回答这个问题：“物质可以无限衰变，还是裂变结束？«
各种文化界（主要是古印度）给出了答案，但科学的发展受到了希腊哲学家研究的影响。 在去年的《青年技术员》假期刊中，读者了解了同样始于古希腊的元素发现的百年历史（《元素的危险》，MT 7-9/2014）。 早在公元前 XNUMX 世纪，就在各种物质中寻找构成物质（元素、元素）的主要成分：水（泰勒斯）、空气（阿那克西美尼）、火（赫拉克利特）或土（色诺芬）。
Empedocles 调和了它们，宣称物质不是由一个元素组成，而是由四个元素组成。 亚里士多德（公元前1世纪）又增加了另一种理想物质——以太，它充满了整个宇宙，并宣告了元素转化的可能性。 另一方面，地处宇宙中心的地球，被天空所观察，始终不变。 由于亚里士多德的权威，这种关于物质结构和整体的理论在两千多年来被认为是正确的。 除其他外，成为炼金术发展的基础，因此成为化学本身（XNUMX）的基础。
2. Abdera 德谟克利特的半身像（公元前 460-370 年）
然而，另一个假设也同时被提出。 Leucippus（公元前 XNUMX 世纪）认为物质是由 非常小的颗粒 在真空中移动。 这位哲学家的观点是由他的学生 - 阿布德拉的德谟克利特（约公元前 460-370 年）(2) 发展而来的。 他称构成物质原子的“块”（希腊语 atomos = 不可分割）。 他认为它们是不可分割和不变的，并且它们在宇宙中的数量是恒定的。 原子在真空中运动。
何时 原子 它们相互连接（通过钩眼系统）——形成各种物体，当它们彼此分离时——物体被破坏。 德谟克利特认为原子有无数种，形状和大小各不相同。 原子的特性决定了物质的性质，如甜蜜是由光滑的原子组成的，酸醋是由有棱角的原子组成的； 白体形成光滑的原子，黑体形成表面粗糙的原子。
材料的连接方式也会影响物质的性质：在固体中，原子彼此紧密相邻，而在软体中，它们的位置松散。 德谟克利特观点的精髓在于：“事实上，只有空虚和原子，其他一切都是幻觉。”
在后来的几个世纪里，德谟克利特的观点被历代哲学家发展，在柏拉图的著作中也有一些参考。 伊壁鸠鲁——继任者之一——甚至认为 原子 它们由更小的成分（“基本粒子”）组成。 然而，物质结构的原子论输给了亚里士多德的元素。 关键——那时已经——在经验中找到了。 直到有工具可以确认原子的存在，元素的转变才很容易被观察到。
例如：当水被加热（冷和湿元素）时，获得空气（热和湿蒸汽），并且土壤留在容器底部（溶解在水中的物质的冷和干燥沉淀）。 缺少的特性——温暖和干燥——是由火提供的，火加热了容器。
不变性和常数 原子数 他们还与观察结果相矛盾，因为直到 XNUMX 世纪，人们都认为微生物是“无中生有”的。 德谟克利特的观点没有为与金属转化有关的炼金实验提供任何依据。 也很难想象和研究无穷种类的原子。 初等理论似乎更简单，也更令人信服地解释了周围的世界。
3. J. Kerseboom 的 Robert Boyle (1627–1691) 肖像。
堕落与重生
几个世纪以来，原子理论一直远离主流科学。 然而，她并没有最终死去，她的思想得以幸存，以古代著作的阿拉伯哲学译本的形式传给了欧洲科学家。 随着人类知识的发展，亚里士多德理论的基础开始瓦解。 Nicolaus Copernicus 的日心系统，对超新星 (Tycho de Brache) 的首次观测，行星运动定律 (Johannes Kepler) 和木星卫星 (Galileo) 的发现意味着在 XNUMX 世纪和 XNUMX 世纪几个世纪以来，人们不再生活在从世界之初一成不变的天空之下。 在地球上，亚里士多德的观点也终结了。
炼金术士数百年的尝试并没有带来预期的结果——他们未能将普通金属变成黄金。 越来越多的科学家质疑元素本身的存在，并记住了德谟克利特的理论。
4. 1654 年对马格德堡半球的实验证明了真空和大气压的存在（16 匹马无法打破相邻的抽出空气的半球！）
罗伯特·博伊尔在 1661 年给出了化学元素的实用定义，即不能通过化学分析分解成其成分的物质 (3)。 他认为物质由形状和大小不同的小、固体和不可分割的粒子组成。 结合起来，它们形成构成物质的化合物分子。
博伊尔将这些微小的粒子称为 corpuscles，或“corpuscles”（拉丁语 corpus = body 的缩写）。 博伊尔的观点无疑受到了真空泵（Otto von Guericke，1650）的发明和用于压缩空气的活塞泵的改进的影响。 真空的存在和改变空气粒子之间距离（由于压缩）的可能性证明了德谟克利特的理论（4）。
当时最伟大的科学家艾萨克·牛顿爵士也是一位原子科学家。 (5). 根据波义耳的观点，他提出了身体融合成更大阵型的假说。 与古老的孔眼和挂钩系统不同，它们的系结方式是 - 否则 - 通过重力。
5. G. Kneller 的艾萨克·牛顿爵士 (1642-1727) 的肖像。
因此，牛顿联合了整个宇宙中的相互作用——一种力控制着行星的运动和物质最小成分的结构。 这位科学家认为光也由微粒组成。
今天我们知道他“对了一半”——辐射和物质之间的许多相互作用都可以用光子流来解释。
化学开始发挥作用
直到几乎 XNUMX 世纪末，原子都是物理学家的特权。 然而，正是安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）发起的化学革命，使物质颗粒结构的思想被普遍接受。
古代元素——水和空气——的复杂结构的发现，最终驳斥了亚里士多德的理论。 XNUMX世纪末，质量守恒定律和元素不可能转化的信念也没有引起反对。 天平已成为化学实验室的标准设备。
6. 约翰道尔顿 (1766-1844)
由于它的使用，人们注意到元素相互结合，以恒定质量比例形成某些化合物（无论其来源 - 天然或人工获得 - 以及合成方法）。
如果我们假设物质由组成一个整体的不可分割的部分组成，那么这个观察就变得很容易解释了。 原子. 现代原子理论的创始人约翰·道尔顿 (John Dalton) (1766-1844) (6) 遵循了这条道路。 一位科学家在 1808 年说：
- 原子是坚不可摧和不可变的（当然，这排除了炼金术转化的可能性）。
- 所有物质都是由不可分割的原子组成的。
- 给定元素的所有原子都是相同的，即它们具有相同的形状、质量和性质。 但是，不同的元素由不同的原子组成。
- 在化学反应中，只有连接原子的方式发生变化，化合物的分子才能以一定的比例构成 (7)。
另一个发现，也是基于对化学变化过程的观察，是意大利物理学家阿马德奥·阿伏伽德罗的假设。 这位科学家得出的结论是，在相同条件（压力和温度）下，相同体积的气体包含相同数量的分子。 这一发现使得建立许多化合物的分子式和确定质量成为可能 原子.
7. 道尔顿使用的原子符号（化学哲学新体系，1808 年）
8.柏拉图立体——古代“元素”原子的符号（维基百科，作者：Maxim Pe）
剪几次？
原子概念的出现与以下问题有关：“物质的分裂是否已经结束？”。 例如，让我们拿一个直径为 10 厘米的苹果和一把刀，开始切片水果。 首先，对半，然后将半个苹果分成两部分（与之前的切割平行），等等。几次之后，我们当然会完成，但没有什么能阻止我们继续在一个原子的想象中进行实验？ 一千，一百万，也许更多？
吃完一个苹果片（好吃！），我们开始计算（懂几何级数概念的人会少麻烦）。 第一次分割会给我们一半厚度为 5 厘米的水果，下一次切割会给我们一个厚度为 2,5 厘米的切片，依此类推...... 10 个打好的！ 因此，通往原子世界的“路”并不长。
*) 使用刀片无限薄的刀。 事实上，这样的物体并不存在，但由于阿尔伯特爱因斯坦在他的研究中考虑了以光速运动的火车，我们也被允许——出于思想实验的目的——做出上述假设。
柏拉图原子
柏拉图是古代最伟大的思想家之一，他在蒂马科斯的对话中描述了构成元素的原子。 这些地层具有规则多面体（柏拉图立体）的形式。 因此，四面体是火原子（最小和最易挥发），八面体是空气原子，二十面体是水原子（所有固体都有等边三角形的壁）。 正方形的立方体是地球的原子，而五边形的十二面体是理想元素的原子 - 天体以太 (8)。
