Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

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.

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.

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 (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.

Знаменитая периодическая таблица 1869 года основана на постоянных химических свойствах элементов, от самого легкого (водород) до самого тяжелого (уран). При разработке таблицы стало ясно, что некоторые элементы, которые должны существовать, еще не открыты. Менделеев обозначил их приставками "эка", "дви", "три" по расстоянию от последнего известного элемента в их группе. По этой схеме германий назывался экакремнием до его открытия в 1886 году, а рений — дви-марганцем до 1926 года. Самыми известными были эка-бор (скандий), эка-алюминий (галлий), эка-марганец (технеций) и уже упомянутый германий.

Согласно современным определениям, мы можем их классифицировать следующим образом: щелочи, щелочноземельные металлы, металлы, включая лантаноиды и актиноиды, переходные металлы, полуметаллы, неметаллы, галогены и инертные газы. Так, гелий, неон и аргон — инертные газы, поэтому расположены в одной вертикальной колонке, тогда как по горизонтали они были расположены в порядке возрастания атомной массы (то, что это сумма протонов и нейтронов ядра атома, еще не было открыто).

Когда Менделеев работал над своей таблицей, было известно 63 элемента. Ученый оставил пустыми многие ячейки, чтобы когда-нибудь вписать в них еще не открытые элементы, которые "должны существовать". Такой важный элемент, как гелий, был открыт только в 1895 году, но о его существовании было известно и раньше благодаря методу спектроскопии: во время солнечного затмения 1868 года француз Пьер Жансен заметил яркую желтую линию и предположил, что она соответствует новому элементу, который был назван гелием (от Гелиоса — бога Солнца). Сегодня общее число элементов составляет 118, хотя последние из них являются синтезированными, начиная с элемента 104, названного резерфордием. Три последних элемента — ливерморий (116), унисептий (117) и унуноктий (118), предположительно инертный газ с атомной массой 294. С 2002 года было получено всего четыре атома этого элемента.