隨著原子的流逝——第 1 部分
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上個世紀通常被稱為“原子時代”。 在那不遠的時候，構成我們周圍世界的“磚塊”的存在終於被證明了，而其中蟄伏的力量也被釋放出來了。 然而，原子本身的概念有著非常悠久的歷史，物質結構知識的歷史故事只能從提到古代的詞語開始。
1. 拉斐爾壁畫《雅典學派》的片段，描繪柏拉圖（右邊，哲學家具有達芬奇的特徵）和亞里士多德
“已經很古老了……”
……哲學家得出的結論是，所有自然都由難以察覺的小粒子組成。 當然，當時（以及在那之後的很長一段時間內）科學家們沒有機會檢驗他們的假設。 它們只是試圖解釋對自然的觀察並回答這個問題：“物質可以無限衰變，還是裂變結束？«
各種文化界（主要是古印度）給出了答案，但科學的發展受到了希臘哲學家研究的影響。 在去年的《青年技術員》假期刊中，讀者了解了同樣始於古希臘的元素發現的百年曆史（《元素的危險》，MT 7-9/2014）。 早在公元前 XNUMX 世紀，就在各種物質中尋找構成物質（元素、元素）的主要成分：水（泰勒斯）、空氣（阿那克西美尼）、火（赫拉克利特）或土（色諾芬）。
Empedocles 調和了它們，宣稱物質不是由一個元素組成，而是由四個元素組成。 亞里士多德（公元前1世紀）又增加了另一種理想物質——以太，它充滿了整個宇宙，並宣告了元素轉化的可能性。 另一方面，地處宇宙中心的地球，被天空所觀察，始終不變。 由於亞里士多德的權威，這種關於物質結構和整體的理論在兩千多年來被認為是正確的。 除其他外，成為煉金術發展的基礎，因此成為化學本身（XNUMX）的基礎。
2. Abdera 德謨克利特的半身像（公元前 460-370 年）
然而，另一個假設也同時被提出。 Leucippus（公元前 XNUMX 世紀）認為物質是由 非常小的顆粒 在真空中移動。 這位哲學家的觀點是由他的學生 - 阿布德拉的德謨克利特（約公元前 460-370 年）(2) 發展而來的。 他稱構成物質原子的“塊”（希臘語 atomos = 不可分割）。 他認為它們是不可分割和不變的，並且它們在宇宙中的數量是恆定的。 原子在真空中運動。
何時 原子 它們相互連接（通過鉤眼系統）——形成各種物體，當它們彼此分離時——物體被破壞。 德謨克利特認為原子有無數種，形狀和大小各不相同。 原子的特性決定了物質的性質，如甜蜜是由光滑的原子組成的，酸醋是由有棱角的原子組成的； 白體形成光滑的原子，黑體形成表面粗糙的原子。
材料的連接方式也會影響物質的性質：在固體中，原子彼此緊密相鄰，而在軟體中，它們的位置鬆散。 德謨克利特觀點的精髓在於：“事實上，只有空虛和原子，其他一切都是幻覺。”
在後來的幾個世紀裡，德謨克利特的觀點被歷代哲學家發展，在柏拉圖的著作中也有一些參考。 伊壁鳩魯——繼任者之一——甚至認為 原子 它們由更小的成分（“基本粒子”）組成。 然而，物質結構的原子論輸給了亞里士多德的元素。 關鍵——那時已經——在經驗中找到了。 直到有工具可以確認原子的存在，元素的轉變才很容易被觀察到。
例如：當水被加熱（冷和濕元素）時，獲得空氣（熱和濕蒸汽），並且土壤留在容器底部（溶解在水中的物質的冷和乾燥沉澱）。 缺少的特性——溫暖和乾燥——是由火提供的，火加熱了容器。
不變性和常數 原子數 他們還與觀察結果相矛盾，因為直到 XNUMX 世紀，人們都認為微生物是“無中生有”的。 德謨克利特的觀點沒有為與金屬轉化有關的煉金實驗提供任何依據。 也很難想像和研究無窮種類的原子。 初等理論似乎更簡單，也更令人信服地解釋了周圍的世界。
3. J. Kerseboom 的 Robert Boyle (1627–1691) 肖像。
墮落與重生
幾個世紀以來，原子理論一直遠離主流科學。 然而，她並沒有最終死去，她的思想得以倖存，以古代著作的阿拉伯哲學譯本的形式傳給了歐洲科學家。 隨著人類知識的發展，亞里士多德理論的基礎開始瓦解。 Nicolaus Copernicus 的日心系統，對超新星 (Tycho de Brache) 的首次觀測，行星運動定律 (Johannes Kepler) 和木星衛星 (Galileo) 的發現意味著在 XNUMX 世紀和 XNUMX 世紀幾個世紀以來，人們不再生活在從世界之初一成不變的天空之下。 在地球上，亞里士多德的觀點也終結了。
煉金術士數百年的嘗試並沒有帶來預期的結果——他們未能將普通金屬變成黃金。 越來越多的科學家質疑元素本身的存在，並記住了德謨克利特的理論。
4. 1654 年對馬格德堡半球的實驗證明了真空和大氣壓的存在（16 匹馬無法打破相鄰的抽出空氣的半球！）
羅伯特·博伊爾在 1661 年給出了化學元素的實用定義，即不能通過化學分析分解成其成分的物質 (3)。 他認為物質由形狀和大小不同的小、固體和不可分割的粒子組成。 結合起來，它們形成構成物質的化合物分子。
博伊爾將這些微小的粒子稱為 corpuscles，或“corpuscles”（拉丁語 corpus = body 的縮寫）。 博伊爾的觀點無疑受到了真空泵（Otto von Guericke，1650）的發明和用於壓縮空氣的活塞泵的改進的影響。 真空的存在和改變空氣粒子之間距離（由於壓縮）的可能性證明了德謨克利特的理論（4）。
當時最偉大的科學家艾薩克·牛頓爵士也是一位原子科學家。 (5). 根據波義耳的觀點，他提出了身體融合成更大陣型的假說。 與古老的孔眼和掛鉤系統不同，它們的系結方式是 - 否則 - 通過重力。
5. G. Kneller 的艾薩克·牛頓爵士 (1642-1727) 的肖像。
因此，牛頓聯合了整個宇宙中的相互作用——一種力控制著行星的運動和物質最小成分的結構。 這位科學家認為光也由微粒組成。
今天我們知道他“對了一半”——輻射和物質之間的許多相互作用都可以用光子流來解釋。
化學開始發揮作用
直到幾乎 XNUMX 世紀末，原子都是物理學家的特權。 然而，正是安托萬·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）發起的化學革命，使物質顆粒結構的思想被普遍接受。
古代元素——水和空氣——的複雜結構的發現，最終駁斥了亞里士多德的理論。 XNUMX世紀末，質量守恆定律和元素不可能轉化的信念也沒有引起反對。 天平已成為化學實驗室的標准設備。
6. 約翰道爾頓 (1766-1844)
由於它的使用，人們注意到元素相互結合，以恆定的質量比例形成某些化合物（無論它們的來源 - 天然或人工獲得 - 以及合成方法）。
如果我們假設物質由組成一個整體的不可分割的部分組成，那麼這個觀察就變得很容易解釋了。 原子. 現代原子理論的創始人約翰·道爾頓 (John Dalton) (1766-1844) (6) 遵循了這條道路。 一位科學家在 1808 年說：
- 原子是堅不可摧和不可變的（當然，這排除了煉金術轉化的可能性）。
- 所有物質都是由不可分割的原子組成的。
- 給定元素的所有原子都是相同的，即它們具有相同的形狀、質量和性質。 但是，不同的元素由不同的原子組成。
- 在化學反應中，只有連接原子的方式發生變化，化合物的分子才能以一定的比例構成 (7)。
另一個發現，也是基於對化學變化過程的觀察，是意大利物理學家阿馬德奧·阿伏伽德羅的假設。 這位科學家得出的結論是，在相同條件（壓力和溫度）下，相同體積的氣體包含相同數量的分子。 這一發現使得建立許多化合物的分子式和確定質量成為可能 原子.
7. 道爾頓使用的原子符號（化學哲學新體系，1808 年）
8.柏拉圖立體——古代“元素”原子的符號（維基百科，作者：Maxim Pe）
剪幾次？
原子概念的出現與以下問題有關：“物質的分裂是否已經結束？”。 例如，讓我們拿一個直徑為 10 厘米的蘋果和一把刀，開始切片水果。 首先，對半，然後將半個蘋果分成兩部分（與之前的切割平行），等等。幾次之後，我們當然會完成，但沒有什麼能阻止我們繼續在一個原子的想像中進行實驗？ 一千，一百萬，甚至更多？
吃完一個蘋果片（好吃！），我們開始計算（懂幾何級數概念的人會少麻煩）。 第一次分割會給我們一半厚度為 5 厘米的水果，下一次切割會給我們一個厚度為 2,5 厘米的切片，依此類推...... 10 個打好的！ 因此，通往原子世界的“路”並不長。
*) 使用刀片無限薄的刀。 事實上，這樣的物體並不存在，但由於阿爾伯特愛因斯坦在他的研究中考慮了以光速運動的火車，我們也被允許——出於思想實驗的目的——做出上述假設。
柏拉圖原子
柏拉圖是古代最偉大的思想家之一，他在蒂馬科斯的對話中描述了構成元素的原子。 這些地層具有規則多面體（柏拉圖立體）的形式。 因此，四面體是火原子（最小和最易揮發），八面體是空氣原子，二十面體是水原子（所有固體都有等邊三角形的壁）。 正方形的立方體是地球的原子，而五邊形的十二面體是理想元素的原子 - 天體以太 (8)。
