Enrique Alvarez - Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

• Название: Масса атомов. Дальтон. Атомная теория
• Автор: Enrique Alvarez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2014

Джон Дальтон является основоположником атомной теории и одним из создателей современной химии. Преподаватель скромной начальной школы Манчестера обратился к идеям, сформулированным за тысячу лет до него Демокритом и другими греческими философами, и предположил, что весь мир состоит из неделимых атомов и в результате их взаимодействия появляются элементы, которые, в свою очередь, образуют химические соединения. Несмотря на то что существование атомов вызывало серьезные споры вплоть до начала XX века — то есть и через 100 лет после публикации труда Дальтона, — именно работа этого просветителя, не получившего университетского образования, легла в основу концептуальной революции, изменившей лицо науки.

---

Религиозная семья и крайне скромное происхождение стали слагаемыми — как атомы слагаются в молекулы — трудного детства Джона. Он родился в самой простой семье и вполне мог бы быть главным героем одного из романов своего современника Чарльза Диккенса (1812-1870). Несмотря на исповедуемые принципы и стремление к образованию, между квакерами и остальным обществом лежала пропасть. Членам этого движения, как и другим протестантам, в Великобритании был закрыт доступ в лучшие университеты, и квакеры были вынуждены создавать собственные колледжи благодаря помощи своих более благополучных в общественном и экономическом смысле последователей. Их не интересовало богатство, однако они стремились к лучшему образованию. Джон Дальтон был необыкновенно смышленым и прилежным ребенком, и когда ему исполнилось 12, наставник поручил мальчику обучать более старших детей.

В этом возрасте юный Дальтон уже собирал гербарии и коллекционировал насекомых — бабочек, улиток, червяков. Ненасытная любознательность во многом определила характер будущего ученого. Рассказывают, что он прочитал Principia mathematica Исаака Ньютона (1642-1727) — разумеется, на латыни, — а также кропотливо записывал свои наблюдения за погодой. Эти записи Дальтон будет тщательно вести в течение всей жизни, и в конце концов они приведут его к атомной теории. Из небольшого дневника ученого мы знаем также, что он точно взвешивал все, что ел, чтобы сопоставить потом вес пищи с весом выделений организма.

Возможно, было бы преувеличением считать его необыкновенным ребенком. Нельзя сказать, что он, как, например, Томас Юнг (1773-1829), научился читать в два года, или, как Блез Паскаль (1623-1662), сформулировал теоремы Евклида еще до исполнения 16 лет, или, как Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855), мог в раннем детстве исправить ошибки, допущенные в расчетах его отцом. И все же не стоит забывать, что врожденная любознательность и ум Джона Дальтона шли вразрез с семейными установлениями. Он не мог изучать медицину, хотя хотел этого, не мог поступить в университет, а всего лишь получил доступ в Литературно-философское общество Манчестера (доказав свою состоятельность и упрямство ученого), в котором и представлял свои открытия, а затем стал его председателем. Дальтон много путешествовал по всему Объединенному Королевству, посещал он и Францию, где его работы встречали единодушное признание. К сожалению, больное сердце и слабое здоровье заставили его отказаться от цикла лекций. И несмотря ни на что основы современной атомной теории были заложены. Как мы увидим, всего через полвека появятся такие гении, как Людвиг Больцман (1844-1906), Альберт Эйнштейн ( 1879-1955) и уже упоминавшийся Эрнест Резерфорд, которые экспериментально докажут реальное существование атомов. Дальтону понятие атома через незыблемые, но простые законы помогало объяснить химические взаимодействия и процесс образования молекул. Однако с точки зрения теории это понятие вызывало огромную проблему. По законам физики, особенно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона и электромагнетизма Максвелла, атомы не могли существовать. Резерфорд докажет, что атомы существуют, что они обладают чрезвычайно плотным маленьким ядром и это ядро также состоит из частиц — протонов, которые и есть атом, и нейтронов.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Это явление, открытое в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (1773-1858), стало первым экспериментальным доказательством существования молекул и, следовательно, атомов. Броун увидел в микроскоп, что плавающие на поверхности воды частицы пыльцы двигаются хаотично. Как ботаник, он сделал вывод: это явление объясняется тем, что зерна пыльцы — живые организмы. Несколькими годами ранее, в 1785 году, Ян Ингенхауз наблюдал похожее явление, растворяя частицы угля в спирте.

Роберт Броун в 1855 году.

Альберт Эйнштейн

В мае 1905 года Альберт Эйнштейн опубликовал статью под названием "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты*, в которой основывал свои расчеты на статистических методах, используемых в кинетической теории газов. Маленькие частицы пыльцы — Эйнштейн полагал, что их описание может объяснить броуновское движение, — подталкиваются тепловым движением молекул воды (которые в тысячу раз меньше частиц пыльцы). Математические расчеты Эйнштейна были подтверждены и дополнены в ходе опытов шведского ученого Теодора Сведберга (1884-1971) и особенно французского ученого Жана- Батиста Перрена (1870-1942), который за свои исследования в 1926 году был удостоен Нобелевской премии. Перрен не просто подтвердил расчеты Эйнштейна, но поставил точку в спорах о существовании атома, о котором говорил Дальтон. Именно Перрену принадлежит знаменитое высказывание об атомах: "Отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение к молекулярным гипотезам".

НЕНАСЫТНОЕ ЛЮБОПЫТСТВО

Точнее всего Джона Дальтона можно охарактеризовать как безгранично любознательного человека. Наставники препятствовали его склонности к изучению медицины, взывая к ложно истолкованному религиозному смирению, поэтому он с юности посвятил себя бесконечному множеству других наук. То, что атомная теория была выведена из его метеорологических наблюдений, выглядит странным в наших глазах, но не в глазах самого Дальтона (который, кстати, не мог различать некоторые цвета). Под наблюдением одного из своих первых наставников во время учебы в скромной квакерской школе в Кендале, где позже, едва достигнув 20 лет, Дальтон сам будет преподавать, мальчик начал каждый день методично записывать различные метеорологические показатели: температуру, давление, относительную влажность, скорость, силу и направление ветра, облачность и так далее. Из этих наблюдений он заключил, например, что дождь является следствием не изменения атмосферного давления, а понижения температуры. В течение 57 лет, то есть до самой своей смерти, он сделал больше 200 тысяч наблюдений. По целеустремленности и упрямству Дальтона можно сравнить с датским астрономом Тихо Браге (1546-1601), который, наряду с Николаем Коперником, Галилеем и Кеплером, считается основателем астрономии. После учебы в главных европейских университетах 16-летний Браге заявил, что необходимо пересмотреть таблицы расположения звезд, и этой задаче он посвятил 40 лет своей жизни.

Мне понадобилось много лет, чтобы принять почти маниакальную идею о том, что если хочешь достигнуть любопытных результатов, необходимо подчинить себя ежедневной дисциплине.

Джон Дальтон

Метеорология привела ученого к атомной теории. Это был длинный путь, о котором мы постараемся рассказать. Любое, даже самое незначительное явление привлекало внимание ученого. В 1788 году, например, его до такой степени поразило северное сияние, что он увлекся его изучением. Дальтон справедливо считал, что между северным сиянием и магнитным полем Земли есть связь. Он предположил, что в самых верхних слоях атмосферы должен находиться подвижный газ, обладающий теми же свойствами, что и железо. Сегодня мы знаем, что сияние возникает из-за идущих от Солнца заряженных частиц, которые попадают в атмосферу около магнитных полюсов Земли.

Большая часть этих частиц на самом деле является протонами и электронами — элементами, из которых состоит атом. Джон Дальтон был на верном пути.

Погружению в изучение газов, а потом — благодаря газам — и в атомную теорию предшествовало множество работ. Сохранились тексты Джона Дальтона о связи дождя и родников, цвете неба, отражении и преломлении света, о ботанике и других, более отдаленных от науки предметах, например подробное исследование о вспомогательных глаголах английского языка и грамматике. Дальтон был больше преподавателем, чем ученым, для него все было важным. Нет нужды говорить, что он был блестящим математиком и прекрасно разбирался в астрономии, географии и химии газов, а также в гуманитарных науках, в древнегреческом языке и латыни. Он был самоучкой, который, казалось, никогда не отдыхал.

Ничто не теряется, ничто не создается, все трансформируется.

Антуан Лоран де Лавуазье, закон сохранения массы

Хотя всю жизнь Дальтон сожалел о том, что не смог посвятить себя изучению медицины и медицинской практике, с его именем все же связана одна семейная история, имевшая непосредственное отношение к медицине. В 1792 году 26-летний Дальтон решил вместе со своим братом подарить матери на день рождения чулки неяркого синего цвета, подобающие скромной квакерше. К удивлению сыновей, мать оскорбилась и отвергла подарок. На самом деле выбранные Джоном и Джонатаном чулки были ярко-красного цвета — просто братья не отличали красный цвет от синего. Джон Дальтон посвятил исследованию этого явления два года и в 1794 году, будучи членом Литературно-философского общества Манчестера, представил работу "Чрезвычайные факты, связанные с видением цветов". Несмотря на то что ученый предположил неверное объяснение этого явления (по его мнению, неспособность различать красный цвет была связана с аномалией стекловидного тела), метод и причинная связь были разработаны точно. Так что, помимо признания, которое получили последующие исследования Дальтона об атоме, именем ученого было решено назвать и это отклонение — дальтонизм, — от которого он сам страдал и которое тщательно исследовал.