Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

• Название: Атомы и электроны
• Автор: Матвей Бронштейн
• Издательство: Наука. Главная редакция физико-математической литературы
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1980

Новое издание первой части популярной книги известного советского физика и популяризатора науки М. П. Бронштейна, выходившей в 1935 г. В ней рассказывается о развитии науки, о том, как впервые измерили массы атомов и их размеры, какие работы и опыты привели к открытию электронов и выяснению строения атомов. Книга относится к числу лучших образцов научно-популярных изданий прошлого.

Рассчитана на школьников, преподавателей, студентов.

---

Водород - простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта - атомов водорода. Обозначим атом водорода значком . Кислород - тоже простое тело; значит, кислород состоит из атомов кислорода. Введем для них значок . Вода - это химическое соединение («совершенная смесь», как сказал бы Роберт Бойль); значит, она состоит из каких-то частиц, каждая из которых представляет комбинацию определенного числа водородных атомов с определенным числом кислородных атомов. Такую частицу, состоящую из нескольких сцепленных друг" с другом атомов, Джон Дальтон называл «сложным - атомом»; в химии теперь предпочитают употреблять слово «молекула», которым и мы будем все время пользоваться. Итак, вода или водяной пар состоит из молекул воды. Каждая молекула воды/ как решил Дальтон, руководствуясь при этом «принципом простоты», состоит из двух атомов - атома водорода и атома кислорода. Молекула воды, по Дальтону, имеет вот какой вид:

Отсюда легко заключить, во сколько раз атом кислорода тяжелее, чем атом водорода. Каждый фунт[ 3 ] воды - как гласили химические анализы, произведенные самим Дальтоном и другими современными ему химиками,- состоит из 1/8 фунта водорода и из 7/8 фунта кислорода. А так как все молекулы воды совершенно одинаковы, то, значит, и в каждой молекуле воды 1/8 часть ее массы - это масса атома водорода, а остальные 7/8 ее массы - это масса атома кислорода. Отсюда следует, что атом кислорода весит в 7 раз больше атома водорода. Если взять массу атома водорода за единицу, то масса атома кислорода будет равна семи.

Таким же образом Дальтон определил и во сколько раз масса атома азота, который он обозначил значком , больше массы атома водорода Для этого он воспользовался химическим анализом газа аммиака, который является химическим соединением азота и водорода. Руководствуясь тем же самым принципом простоты, Дальтон предположил, что молекула аммиака состоит из одного атома водорода и одного атома азота, т. е. имеет вид .

Анализы аммиака показали, что каждый фунт аммиака состоит из 1/6 фунта водорода и 5/6 фунта азота. Применяя такое же самое рассуждение, как раньше, легко заключить, что атом азота должен быть в пять раз тяжелее, чем атом водорода. Если по-прежнему считать массу атома водорода равной единице, то масса атома азота окажется, по Дальтону, равной пяти.

Большим испытанием для атомистической теории оказался случай углерода. Углерод образует с кислородом не одно, а целых два различных соединения: в одном из них (окись углерода) на заданное количество углерода приходится сравнительно мало кислорода, а в другом (углекислый газ) - гораздо больше.

Поэтому молекулу окиси углерода Дальтон предложил рисовать в виде , где значок обозначает атом углерода, а молекулу углекислого газа, в которой кислорода больше, он предложил рисовать так: . Иными словами, по Дальтону, молекула углекислого газа состоит из трех атомов (двух кислородных и одного углеродного), а молекула окиси углерода - из двух атомов - кислородного и углеродного. Химический анализ углекислого газа показал, что фунт углекислого газа состоит из 5/19 фунта углерода и 14/19 фунта кислорода. Так как такое же самое соотношение должно быть и для массы каждой отдельной молекулы углекислого газа, то, значит, масса атома углерода равна 5/14 частям массы двух атомов кислорода, т. е. она равна 5/7 массы одного кислородного атома. Сохраняя ту же условную единицу (масса атома водорода равна единице массы) и зная, что в этих отношениях масса атома кислорода равна 7, мы найдём, что масса атома углерода должна быть равна 5.

До сих пор мы еще нигде не имели повода проверить правильность этих взглядов, сделав из них какой-нибудь вывод, который можно было бы уже затем сравнить с опытом. Но теперь такая возможность представляется: если верно то, что мы говорили о массах атомов углерода и кислорода, то в окиси углерода, молекула которой имеет вид , отношение массы кислорода к массе углерода должно быть 7 : 5. Так и оказалось: опыт показал, что из 7 фунтов кислорода и 5 фунтов углерода получается 12 фунтов окиси углерода. Таким образом, взгляды Дальтона получили блестящее количественное подтверждение. Следует, впрочем, сказать, что химические анализы Дальтона были довольно неточны и цифры количественного состава химических соединений, которые были здесь приведены, несколько отличаются от правильных. Тем не менее Дальтон, несмотря на грубость своих анализов, был совершенно убежден в правильности атомистической гипотезы.

Таблица химических символов и атомных масс по Дальтону; (1808 г.)

Один биограф Дальтона говорит о нем так: «Дальтон был атомист до мозга костей. Он был глубоко убежден в правильности взглядов Ньютона. Для него его атомы - «твердые, непроницаемые, подвижные» - были такой же реальностью, как если бы он видел их собственными глазами и трогал руками. В своем воображении он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге».

Приведем из книги Дальтона значки, обозначающие атомы разных химических элементов, и их атомные массы (см. таблицу; за единицу массы по-прежнему принята масса атома водорода).

Таковы те первичные частицы, те атомы, те «кирпичи мироздания», из которых, по Дальтону, состоят все тела на свете.

Комбинация из нескольких атомов образует молекулу («сложный атом», как говорил Дальтон); сложные тела состоят из одинаковых молекул - такие тела являются химическими соединениями, например вола или аммиак, и их состав в процентах может быть легко вычислен, если знать состав молекулы (например, в случае воды в , в случае углекислого газа) и относительные массы атомов, входящих в молекулу; или же сложные тела состоят из разных молекул - такие тела являются не химическими соединениями, а смесями, например, воздух представляет смесь молекул кислорода с молекулами азота и с небольшим количеством молекул воды и углекислого газа.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому, как танцоры, переходя от одного танца к другому, образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение. «Каждая частица воды,- говорит Дальтон в своей «Химической философии»,- в точности похожа па любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать,- это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие - все это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия. Когда-то, в средние века, химики - тогда они назывались алхимиками - поставили своей целью искусственное приготовление золота; но это невозможно, как следует из «химической философии» Джона Дальтона, потому что ведь золото - это химический элемент, и, значит, невозможно ни создать, ни разрушить хотя бы один-единственный атом ; можно лишь извлечь золото из какого-нибудь химического соединения, в котором оно уже находится, но невозможно создать новое золото из свинца или ртути. И в самом деле, разве из всех стараний алхимиков хоть что-нибудь вышло? Получить золото из свинца или ртути им так и не удалось. И «химическая философия» Дальтона раз и навсегда ставила крест над попытками алхимиков: эти попытки были обречены на неудачу, потому что атомы вечны и неразрушимы.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие. Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга. Впрочем, в 1816 году неожиданно нашелся один сторонник этой мысли Роберта Бойля, пытавшийся подтвердить ее фактами. Это был лондонский вольнопрактикующий врач Уильям Праут, который напечатал в журнале «Философские анналы» («Annals of Philosophy») статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон и которые приведены в его «Химической философии», выражаются целыми числами. .Это - очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», неразложимыми на частя и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода - ровно в семь раз? Праут предложил совсем другом взгляд на атомы, нисколько не противоречащий химическим опытам, но вместе с тем объясняющий и тот замечательный факт, что все атомные массы (измеренные в предположении, что масса атома водорода принята за единицу) оказались целыми числами. Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода,- это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода - это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути - это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водорода. А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но никак не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода, т. е. удается разложить воду на водород и кислород, но не удается превратить кислород в водород. Атомы всех веществ, кроме водорода, по мнению Праута,- это такие же молекулы, но только гораздо более прочные и тесно сцепившиеся, а поэтому, действуя обыкновенными химическими способами, не удается их разложить. Но что произойдет, если когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», о котором мечтал Роберт Бойль? Ведь с его помощью возможно будет превращать элементы друг в друга и даже, если угодно, осуществить идеал алхимии - получение золота: например (см. таблицу Дальтона), разбить атом на один атом и двадцать семь атомов , т. е. разложить ртуть на золото и водород.