Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Этот закон 1803 года невозможно было бы сформулировать проще: "Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь".

Этот закон обычно служит для расчета давления газа при взаимодействии с водой. Общее давление будет равно сумме давления газа и давления водяного пара при определенной температуре. Так, если давление равно 766, 7 мм ртутного столба, а температура — 27°С (что означает давление водяного пара, равное 26, 7 мм ртутного столба согласно известным таблицам), давление газа будет равно (766, 7-26, 7) = 740 мм ртутного столба.

В очередной раз Дальтон опирался на работы Ньютона.

С 1802 по 1805 год одно за другим следовали выступления, публикации, различные опыты и проверка уже полученных результатов. Прежде чем перейти к понятию атома в следующей главе, отметим, что в трудах 1802 года Дальтон использовал понятие "конечная частица", а не "атом". Он широко применял диаграммы, чтобы наглядно показать состав атмосферы, изображая разными символами известные ее элементы: кислород, азот, углекислый газ и водяной пар. В работах 1803 года Дальтон немного изменил свою теорию и объяснил отталкивание конечных частиц через атмосферное тепло. Лавуазье уже высказывал подобную мысль. Помня об этом, Дальтон стал изучать отталкивающую силу одних и тех же частиц. К понятию этой "особой" отталкивающей силы он добавил впоследствии понятие "особого веса". В день рождения ученого, 6 сентября 1803 года, в его лабораторной тетради появились заметки, имеющие историческую важность: он смог впервые составить таблицу атомной массы молекул и известных веществ — эти понятия в то время накладывались друг на друга. Атомная теория начала вырисовываться. Оставалось только окончательно сформулировать ее.

ГЛАВА 3

Атомная теория. От Древней Греции до Манчестера

Джон Дальтон смог опытным путем показать, что идеи античных философов объясняют привычные для нас явления. Нечасто бывает, что философская идея находит подтверждение в реальной жизни и разрастается до такого масштаба, что становится одной из основ современной науки.

Для историков науки формирование атомной теории Джона Дальтона представляет довольно сложную загадку. Мы не знаем точно, когда и почему Дальтон пришел к выводу об атомной структуре вещества. Для него конечные частицы были просто инструментом объяснения поведения смесей газов и жидкостей, растворимости и давления. Понятно, что у него были предшественники — даже во времена Древней Греции,— которые настаивали на идее существования атомов. И то, что лишь век спустя Эрнест Резерфорд экспериментально доказал существование атомов, ни в коей мере не отменяет заслуг Дальтона, который пошел гораздо дальше простого объяснения. Атомная теория в том виде, в котором сформулировал ее Дальтон, была способна объяснить практически все, что до ее появления оставалось непонятным. Поэтому велика вероятность, что она была сформулирована тогда же, когда и почти все ее постулаты.

Это был трудный путь, но Дальтон прошел его довольно быстро. Свои работы о газовых смесях он начал в сентябре 1801 года, понятие относительного веса появилось в сентябре 1803 года, а важнейший труд в двух томах, в котором английский ученый сформулировал свои идеи, — A new system of chemical philosophy ( "Новая система химической философии" ) — был опубликован в июне 1808 года. Книга содержит подробное описание опытов и результатов, представленных на нескольких рисунках на последних страницах. Как и дорогой Дальтону Исаак Ньютон в своей книге Principia mathematica (1687), ученый в одной работе подвел итог всех своих исканий и сделал завещание последователям.

Мое новое видение конечных частиц, или частиц тел, и их соединений перевернет химическую систему, и все сведется к очень простой науке.

Джон Дальтон (1807)

Ученые полагают, что в период между 1801 и 1808 годами Дальтон был больше озабочен распространением своих идей, а не систематизацией их в виде книги. Он постоянно выступал перед коллегами, вновь и вновь проводил эксперименты, уточнял значения и неустанно считал атомную массу вновь открытых элементов. Его атомная теория не рухнула: напротив, она приняла конкретные очертания, а некоторые ее недостатки вскоре были исправлены.

Но вернемся в прошлое. На протяжении веков человек задавался вопросом об устройстве материи, структура которой может объяснить окружающий мир. Первым задал себе этот вопрос греческий философ Демокрит Абдерский. Мы обычно представляем его себе как мудреца, сидящего на морском берегу и пропускающего песок сквозь пальцы. На самом деле Демокрит — один из крупнейших мыслителей досократовского времени (хотя он был современником великого Сократа). Небольшое количество весьма показательных работ Демокрита дошло до нас силами его учеников, самым знаменитым из которых был Эпикур из Самоса (341-270 до н.э.). Именно благодаря Демокриту, а также его учителю Левкиппу, о котором нам практически ничего неизвестно, мы располагаем первой атомной теорией мира. Им же мы обязаны созданием знаменитой атомистической школы. Как и любая философская теория, атомизм опирался на логические заключения, но не был никак подкреплен практически. И все же благодаря новой концепции природы и человека многие авторы считают Демокрита отцом современной науки. Это определение хоть и преувеличено, однако нельзя отрицать, что идеи Демокрита очень сильно повлияли на философов эпохи Просвещения (этот период в истории интеллектуальной и культурной мысли Европы назван так за провозглашенный "естественный свет разума" и выход из сумерек человечества). Кроме того, Демокрит отрицал существование Бога и считал материю вечной, именно поэтому его называют первым атеистом и материалистом (атомистом). По мнению Демокрита, изменения, происходящие с материей, имеют физическое, а не божественное или сверхъестественное объяснение. Он также утверждал, что восприятие основано на разуме, что это чисто физический и механический процесс, а мысль также является материей сложной структуры. По Демокриту, в материи нет места для божественного. Атомистическая теория представлена следующими постулатами:

— атомы неизменны и вечны;

— атомы неделимы (atome — "неделимый");

— атомы не подлежат уменьшению;

— атомы невидимы;

— атомы различаются только формой и размерами;

— атомы подобны друг другу, обладают одними и теми же свойствами;

— свойства вещества зависят от соединения атомов (порядок и положение).

Сходство взглядов Демокрита и Эпикура с теми, что предложил позднее Дальтон, поражает. По всей видимости, Эпикур включил в свое учение постулат о том, что атомы различаются не только по форме и размеру, но и по весу. Также атомы отделены друг от друга пустотой, что позволяет различать эти частицы и составлять тела, которые соединяются или разъединяются от столкновений между атомами. Хотя Демокрит толковал причинно-следственные связи с позиций детерминизма, его ученик Эпикур ввел в атомистическое учение понятие случая и таким образом смог определить понятие свободы. По Демокриту, вся природа объясняется через атомы как основополагающие частицы:

"Разум человека состоит из шарообразных, легких и гладких атомов, тела — из тяжелых атомов. Зрение и слух есть не что иное, как взаимодействие атомов вещи, которую мы воспринимаем, и наших собственных атомов".

Однако мы не можем считать атомистическое учение предтечей атомной теории, поскольку Демокрит опирался на логику и отвергал чувственный и эмпирический опыт, лежащий в основе научного рационализма. Для Демокрита существуют только два состояния: "бытие", воплощенное неделимыми атомами, и "небытие", то есть пустота, которая позволяет атомам иметь вес, форму и взаимодействовать. Это сочетание образовывает physis, саму природу.

Через много десятилетий после Демокрита греческая философская мысль ушла в сторону аристотелизма. Почти на протяжении двух тысяч лет учение Аристотеля доминировало в физике и изучении природы. Для него реальность есть то, что мы можем видеть, чувствовать, осязать, пробовать на вкус или слышать, то есть включает все явления, воспринимаемые органами чувств. Природа состоит из взаимодействия четырех стихий: воздуха, земли, воды и огня. Одно приводится в движение другим, а в основе всего этого лежит неподвижный вечный перводвигатель всего в мире, или Бог. Неудивительно, что великие христианские философы — главным образом святой Фома Аквинский — применили аристотелеву мысль с экклезиастической точки зрения, чтобы объяснить природные явления, и что науки вращались вокруг этого философского течения до эпохи Возрождения. Появление великих астрономов Николая Коперника, Галилея и Иоганна Кеплера определило переход от геоцентрической модели к гелиоцентрической, основываясь на анализе и наблюдении за небом, и это стало началом конца аристотелизма как философского течения, сдерживавшего развитие науки.