Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельности.

Джон Дальтон, закон парциального давления газов

В этом дополнительном замечании Дальтон — возможно, неосознанно — ввел понятие атома: если элементы различаются, атомы тоже различаются.

Увлеченность Дальтона газами, происходящая из его неугасающего интереса к воздуху и метеорологии, естественным образом распространилась на все известные состояния материи: твердое, жидкое, газообразное.

Ученый утверждал, что любой элемент независимо от состояния, в котором он находится, состоит из атомов. Атомы — крошечные, неделимые и неизменные частицы — являются характеристикой каждого определенного элемента с определенной массой. Чтобы обозначить эти элементарные частицы, он прибег к предложенному еще Демокритом Абдерским термину атом ("неделимый"). Однако на этот раз существование атомов не только основывалось на логических рассуждениях, но и подтверждалось опытами.

Дальтону не удалось доказать, что атомы физически присутствуют в элементах, он говорил лишь о том, что их соединения подчиняются точным законам, связанным с их относительной массой. Так, зная, что водород является самым легким элементом, ученый присвоил ему атомную массу, равную единице, и, отталкиваясь от этой единицы, установил атомную массу более тяжелых элементов в зависимости от их вхождения в состав различных известных соединений. Дальтон опубликовал в 1803 году в Lit & Phil первую таблицу относительных атомных масс некоторых известных к тому времени элементов.

Атомная теория Дальтона, основанная на относительной атомной массе известных элементов, была окончательно оформлена в одном из его самых известных сочинений — "Новая система химической философии*. Первая часть этого трактата была опубликована в 1808 году. На 900 страницах Джон Дальтон убеждает читателя в том, что атомы различных природных элементов можно различить по их массе. Кроме того, атомы нельзя ни создать, ни разрушить. В подтверждение Дальтон приводит закон сохранения массы Лавуазье: до и после химической реакции атомы не меняются, поэтому масса материи неизменна.

Демокрит (ок. 460-370 до н.э.) является отцом атомистической теории. Он родился в Абдерах и был воспитанником Левкиппа из Милета (ок. 500-440 до н.э.), о котором практически ничего неизвестно, а сам учил Протагора из Абдер и Эпикура из Самоса. Большинство произведений Демокрита и Эпикура не сохранились, однако их идеи дошли до наших дней благодаря длинной назидательной латинской поэме De rarum natura ("О природе вещей") Тита Лукреция Кара (99-55 до н.э.). Известно, что Демокрит (от греческого "избранный народом") получил знания об астрологии и теологии от халдейских ученых мужей. Он объездил практически весь Средний Восток — особенно Египет, но также Персию, Вавилон и Месопотамию, — чтобы изучить философию, геометрию и астрономию.

Легенда о Демокрите гласит, что он вырвал себе глаза незадолго до самоубийства — а ему было уже больше 100 лет, — чтобы вид прекрасного сада не отвлекал его от философских размышлений. Философ основывал свою этику на внутреннем равновесии и контроле над эмоциями. К удовольствию надо стремиться, а неудовольствий — избегать, однако счастье возникает из правильного различения и разграничения удовольствий, поскольку удовольствие может перейти в страдание.

•Демокрит, размышляющий о месте души·, статуя Леона-Александра Деломма.

Демокрит считал, что любая материя состоит из атомов. Они вечны, неделимы, невидимы и различаются лишь размерами. Свойства материи меняются в зависимости от соединения атомов. Помимо материи и атомов ("то, что есть"), в природе существует и пустота ("то, чего нет"). По Демокриту, "в основе всех вещей — атомы и пустота, все остальное — только предположение". Он отрицал и физическое существование Бога: "Бог есть дух, помещающийся в огненной сфере, которая есть душа мира".

Изучение самых известных химических реакций дало необходимое обоснование этой новой атомной теории и доказало ее достоверность: элементы (атомы) соединяются с другими элементами (атомами) по правилу наибольшей простоты, и это отрицает любую возможность атомного деления. Атомы разных элементов в соединении соотносятся между собой как простые целые числа. Дальше мы рассмотрим связанные с этим примеры, однако уже сейчас можем объяснить это явление словами самого Джона Дальтона, произнесенными в 1802 году:

"Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества".

Этот способ соединения атомов вскоре утвердился под общим названием закона кратных отношений, актуального и по сей день.

В своем главном труде Джон Дальтон установил очень простую классификацию соединений: кратные двум, трем, четырем и так далее, в зависимости от необходимого соотношения. Если атом элемента А соединяется с атомом элемента Б, возникает бинарное соединение. Если же для образования соединения атому элемента А нужно два атома элемента Б, то получится тройное соединение, и так далее. Самые простые предложения и самые короткие уравнения всегда являются наиболее верными. Джон Дальтон во всем следовал этому неписаному научному закону. Он добавил к своему предыдущему тексту правило наибольшей простоты, согласно которому...

"...когда атомы соединяются только в одном соотношении, это говорит об образовании ими двойного соединения, и вряд ли можно доказать, что произойдет обратное".

Этот принцип не нашел обоснования с точки зрения современной химии, которая рассматривает молекулу как "электрически нейтральную частицу, образованную из двух или более связанных ковалентными связями атомов". Понятие ковалентности и ковалентной связи предполагает знание о субатомных частицах и особенно о поведении электронов и значении минимальной энергии, которым в 1808 году Дальтон не располагал. Поэтому неудивительно, что, основываясь на правиле наибольшей простоты, Дальтон допустил несколько ошибок, которые сегодня показались бы нам странными. Например, он записал формулу воды упрощенно НО (вместо Н2О), а аммиака — NH (вместо NH3).

Открытие электрона было еще впереди. Только в 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856-1940), лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, осуществил свой знаменитый опыт с катодными лучами. Его последователем в изучении субатомных частиц был уже неоднократно упоминавшийся Эрнест Резерфорд, директор лаборатории Кавендиша в Кембридже и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Резерфорд и его ученик Нильс Бор (1885-1962), лауреат Нобелевской премии по физике 1922 года, в XX веке осуществили нужные опыты и сформулировали положения, необходимые для понимания структуры атома. И хотя потом выяснилось, что атомы, образующие молекулы, способны делиться на другие частицы (протоны и нейтроны, сосредоточенные внутри маленького плотного атомного ядра, и электроны, находящиеся на его периферии), атомная теория Дальтона заложила солидную основу для этих исследований. Как замечают многие авторы, в области химии атом по-прежнему неделим. И только современная физика, изучающая ядерный распад, а также существование изотопов — разновидности атомов, ядерный состав которых и масса меняются в зависимости от количества нейтронов, — частично опровергли огромное наследие Джона Дальтона.

В 1909 году Ханс Гейгер (1882- 1945) и Эрнест Марсден (1889- 1970), ассистенты Резерфорда в Манчестере, осуществили опыт с золотой фольгой. Они разместили естественный источник радиоактивного излучения — полоний Марии Кюри, элемент, все 33 изотопа которого радиоактивны, особенно изотоп 210Ро, — в свинцовую полость ^РЬ. Источник испускал альфа-частицы (ядра гелия), направленный пучок которых попадал через прорезь на золотую фольгу перпендикулярно ее поверхности. В качестве детектора для обнаружения вспышек альфа-частиц исследователи использовали сферический экран из сульфата цинка. Если модель Томсона была правильной и атом являлся однородной структурой, то альфа-частицы не должны были сильно отклоняться. Однако некоторые частицы отклонялись, а одна из восьми тысяч даже отскакивала назад. "Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар", — заметил по этому поводу Резерфорд. Из поведения альфа-частиц он заключил, что атом состоит из пустоты и невероятно плотной, крошечной, положительно заряженной центральной зоны.