Gydag atom trwy'r oesoedd - rhan 1

Cyfeirir yn aml at y ganrif ddiwethaf fel "oedran yr atom". Bryd hynny heb fod yn rhy bell, cafodd bodolaeth y “brics” sy'n rhan o'r byd o'n cwmpas ei brofi o'r diwedd, a rhyddhawyd y grymoedd a oedd yn segur ynddynt. Mae i'r syniad o'r atom ei hun, fodd bynnag, hanes hir iawn, ac ni ellir cychwyn stori hanes gwybodaeth strwythur mater yn wahanol i eiriau sy'n cyfeirio at hynafiaeth.

1. Darn o ffresgo Raphael "The School of Athens", yn darlunio Plato (ar y dde, mae gan yr athronydd nodweddion Leonardo da Vinci) ac Aristotle

"Eisoes yn hen..."

… daeth athronwyr i'r casgliad bod holl natur yn cynnwys gronynnau bach iawn. Wrth gwrs, ar y pryd (ac am amser hir ar ôl hynny) ni chafodd gwyddonwyr gyfle i brofi eu rhagdybiaethau. Nid oeddent ond ymgais i egluro sylwadau natur ac ateb y cwestiwn: "A all mater bydru am gyfnod amhenodol, neu a oes diwedd ar ymholltiad?«

Rhoddwyd atebion mewn cylchoedd diwylliannol amrywiol (yn bennaf yn India hynafol), ond dylanwadwyd ar ddatblygiad gwyddoniaeth gan astudiaethau athronwyr Groegaidd. Yn rhifynnau gwyliau'r llynedd o "Technegydd Ifanc", dysgodd darllenwyr am hanes canrifoedd oed darganfod elfennau ("Peryglon gyda'r Elfennau", MT 7-9/2014), a ddechreuodd hefyd yng Ngwlad Groeg Hynafol. Yn ôl yn y XNUMXfed ganrif CC, chwiliwyd am y brif gydran y mae mater (elfen, elfen) wedi'i adeiladu ohoni mewn gwahanol sylweddau: dŵr (Thales), aer (Anaximenes), tân (Heraclitus) neu ddaear (Xenophanes).

Roedd Empedocles yn eu cysoni i gyd, gan ddatgan nad yw mater yn cynnwys un, ond pedair elfen. Ychwanegodd Aristotle (ganrif 1af CC) sylwedd delfrydol arall - ether, sy'n llenwi'r bydysawd cyfan, a datganodd y posibilrwydd o drawsnewid elfennau. Ar y llaw arall, arsylwyd y Ddaear, a leolir yng nghanol y bydysawd, gan yr awyr, a oedd bob amser yn ddigyfnewid. Diolch i awdurdod Aristotle, ystyriwyd bod y ddamcaniaeth hon o strwythur mater a'r cyfan yn gywir am fwy na dwy fil o flynyddoedd. Daeth, ymhlith pethau eraill, yn sail i ddatblygiad alcemi, ac felly cemeg ei hun (XNUMX).

2. Penddelw o Democritus o Abdera (460-370 CC)

Fodd bynnag, datblygwyd rhagdybiaeth arall ochr yn ochr. Credai Leucippus (XNUMXfed ganrif CC) fod mater yn cynnwys gronynnau bach iawn symud mewn gwactod. Datblygwyd barn yr athronydd gan ei fyfyriwr - Democritus o Abdera (c. 460-370 CC) (2). Galwodd y “blociau” sy'n ffurfio atomau mater (atomos Groeg = anwahanadwy). Dadleuodd eu bod yn anrhanadwy ac yn ddigyfnewid, a bod eu nifer yn y bydysawd yn gyson. Mae atomau'n symud mewn gwactod.

Pan fydd atomau maent yn cael eu cysylltu (gan system o fachau a llygaid) - mae pob math o gyrff yn cael eu ffurfio, a phan fyddant yn cael eu gwahanu oddi wrth ei gilydd - mae'r cyrff yn cael eu dinistrio. Credai Democritus fod yna lawer iawn o fathau o atomau, yn amrywio o ran siâp a maint. Mae nodweddion atomau yn pennu priodweddau sylwedd, er enghraifft, mae mêl melys yn cynnwys atomau llyfn, ac mae finegr sur yn cynnwys rhai onglog; mae cyrff gwyn yn ffurfio atomau llyfn, ac mae cyrff du yn ffurfio atomau ag arwyneb garw.

Mae'r ffordd y mae'r deunydd yn cael ei uno hefyd yn effeithio ar briodweddau mater: mewn solidau, mae atomau'n agos at ei gilydd, ac mewn cyrff meddal maent wedi'u lleoli'n rhydd. Hanfod barn Democritus yw'r gosodiad: "Mewn gwirionedd, dim ond gwacter ac atomau sydd, mae popeth arall yn rhith."

Yn y canrifoedd diweddarach, datblygwyd safbwyntiau Democritus gan athronwyr olynol, a cheir rhai cyfeiriadau hefyd yn ysgrifau Plato. Roedd Epicurus - un o'r olynwyr - hyd yn oed yn credu hynny atomau maent yn cynnwys cydrannau llai fyth (“gronynnau elfennol”). Fodd bynnag, mae'r ddamcaniaeth atomistaidd o strwythur mater a gollwyd i elfennau Aristotlys. Darganfuwyd yr allwedd - eisoes bryd hynny - mewn profiad. Hyd nes bod offer i gadarnhau bodolaeth atomau, roedd yn hawdd arsylwi trawsnewidiadau elfennau.

Er enghraifft: pan gynheswyd dŵr (elfen oer a gwlyb), cafwyd aer (ager poeth a gwlyb), ac arhosodd pridd ar waelod y llong (gwodiad oer a sych o sylweddau wedi'u toddi mewn dŵr). Darparwyd yr eiddo coll - cynhesrwydd a sychder - gan dân, a wresogodd y llestr.

Invariance a chyson nifer yr atomau roeddynt hefyd yn gwrth-ddweud sylwadau, gan y credid bod microbau'n dod allan "allan o ddim" tan y XNUMXeg ganrif. Nid oedd barn Democritus yn darparu unrhyw sail ar gyfer arbrofion alcemegol yn ymwneud â thrawsnewid metelau. Roedd hefyd yn anodd dychmygu ac astudio'r amrywiaeth anfeidrol o fathau o atomau. Roedd y ddamcaniaeth elfennol yn ymddangos yn llawer symlach ac yn egluro'r byd o'i gwmpas yn fwy argyhoeddiadol.

3. Portread o Robert Boyle (1627–1691) gan J. Kerseboom.

Cwymp ac aileni

Ers canrifoedd, mae damcaniaeth atomig wedi sefyll ar wahân i wyddoniaeth brif ffrwd. Fodd bynnag, ni fu farw o'r diwedd, goroesodd ei syniadau, gan gyrraedd gwyddonwyr Ewropeaidd ar ffurf cyfieithiadau athronyddol Arabeg o ysgrifau hynafol. Gyda datblygiad gwybodaeth ddynol, dechreuodd sylfeini damcaniaeth Aristotle ddadfeilio. Roedd system heliocentric Nicolaus Copernicus, yr arsylwadau cyntaf o uwchnofâu (Tycho de Brache) yn codi o unman, darganfod deddfau mudiant y planedau (Johannes Kepler) a lleuadau Iau (Galileo) yn golygu bod yn yr unfed ar bymtheg a'r ail ar bymtheg. canrifoedd, peidiodd pobl â byw o dan yr awyr yn ddigyfnewid o ddechrau'r byd. Ar y ddaear, hefyd, oedd diwedd barn Aristotlys.

Ni ddaeth ymdrechion canrifoedd oed yr alcemyddion â'r canlyniadau disgwyliedig - fe fethon nhw â throi metelau cyffredin yn aur. Roedd mwy a mwy o wyddonwyr yn amau ​​bodolaeth yr elfennau eu hunain, ac yn cofio damcaniaeth Democritus.

4. Profodd arbrawf 1654 gyda hemisfferau Magdeburg fodolaeth gwactod a gwasgedd atmosfferig (ni all 16 ceffyl dorri'r hemisfferau cyfagos y cafodd aer ei bwmpio allan ohono!)

Rhoddodd Robert Boyle yn 1661 ddiffiniad ymarferol o elfen gemegol fel sylwedd na ellir ei dorri i lawr i'w gydrannau trwy ddadansoddiad cemegol (3). Credai fod mater yn cynnwys gronynnau bach, solet ac anwahanadwy sy'n amrywio o ran siâp a maint. Wrth gyfuno, maent yn ffurfio moleciwlau o gyfansoddion cemegol sy'n ffurfio mater.

Galwodd Boyle y gronynnau bach hyn yn gorpwscles, neu'n "corpuscles" (lleihad o'r gair Lladin corpus = corff). Yn ddiamau, dylanwadwyd ar farn Boyle gan ddyfeisiad y pwmp gwactod (Otto von Guericke, 1650) a gwelliant mewn pympiau piston ar gyfer cywasgu aer. Tystiodd bodolaeth gwactod a'r posibilrwydd o newid y pellter (o ganlyniad i gywasgu) rhwng gronynnau aer o blaid theori Democritus (4).

Roedd gwyddonydd mwyaf y cyfnod, Syr Isaac Newton, hefyd yn wyddonydd atomig. (5). Yn seiliedig ar farn Boyle, cyflwynodd ddamcaniaeth am ymdoddiad y corff i ffurfiannau mwy. Yn lle'r system hynafol o lygadau a bachau, roedd eu clymu - sut arall - yn ôl disgyrchiant.

5. Portread o Syr Isaac Newton (1642-1727), gan G. Kneller.

Felly, unodd Newton y rhyngweithiadau yn y Bydysawd cyfan - roedd un grym yn rheoli symudiad y planedau a strwythur y cydrannau lleiaf o fater. Credai'r gwyddonydd fod golau hefyd yn cynnwys corpwscles.

Heddiw rydyn ni'n gwybod ei fod yn "hanner hawl" - mae llif ffotonau yn esbonio'r rhyngweithiadau niferus rhwng ymbelydredd a mater.

Mae cemeg yn dod i rym

Hyd at bron i ddiwedd y XNUMXfed ganrif, atomau oedd uchelfraint ffisegwyr. Fodd bynnag, y chwyldro cemegol a gychwynnwyd gan Antoine Lavoisier a barodd i'r syniad o strwythur gronynnog mater gael ei dderbyn yn gyffredinol.

Roedd darganfod strwythur cymhleth yr elfennau hynafol - dŵr ac aer - o'r diwedd yn gwrthbrofi damcaniaeth Aristotle. Ar ddiwedd y XNUMXfed ganrif, nid oedd y gyfraith cadwraeth màs a'r gred yn amhosibl trawsnewid elfennau hefyd yn achosi gwrthwynebiadau. Mae graddfeydd wedi dod yn offer safonol yn y labordy cemegol.

6. John Dalton (1766-1844)

Diolch i'w ddefnydd, sylwyd bod yr elfennau yn cyfuno â'i gilydd, gan ffurfio rhai cyfansoddion cemegol mewn cyfrannau màs cyson (waeth beth fo'u tarddiad - naturiol neu artiffisial - a'r dull o synthesis).

Mae'r sylw hwn wedi dod yn hawdd i'w egluro os tybiwn fod mater yn cynnwys rhannau anrhanadwy sy'n ffurfio un cyfanwaith. atomau. Dilynodd crëwr damcaniaeth fodern yr atom, John Dalton (1766-1844) (6), y llwybr hwn. Dywedodd gwyddonydd ym 1808:

1. Mae atomau yn annistrywiol ac yn ddigyfnewid (mae hyn, wrth gwrs, yn diystyru'r posibilrwydd o drawsnewidiadau alcemegol).
2. Mae pob mater yn cynnwys atomau anrhanadwy.
3. Mae holl atomau elfen benodol yr un peth, hynny yw, mae ganddyn nhw'r un siâp, màs a phriodweddau. Fodd bynnag, mae gwahanol elfennau yn cynnwys atomau gwahanol.
4. Mewn adweithiau cemegol, dim ond y ffordd o uno atomau sy'n newid, y mae moleciwlau o gyfansoddion cemegol yn cael eu hadeiladu ohono - mewn cyfrannau penodol (7).

Darganfyddiad arall, hefyd yn seiliedig ar arsylwi cwrs newidiadau cemegol, oedd rhagdybiaeth y ffisegydd Eidalaidd Amadeo Avogadro. Daeth y gwyddonydd i'r casgliad bod cyfeintiau cyfartal o nwyon o dan yr un amodau (pwysedd a thymheredd) yn cynnwys yr un nifer o foleciwlau. Roedd y darganfyddiad hwn yn ei gwneud hi'n bosibl sefydlu fformiwlâu llawer o gyfansoddion cemegol a phennu'r masau atomau.

7. Symbolau atomig a ddefnyddir gan Dalton (System Newydd o Athroniaeth Gemegol, 1808)

8. Solidau platonig - symbolau atomau o "elfennau" hynafol (Wikipedia, awdur: Maxim Pe)

Sawl gwaith i dorri?

Roedd ymddangosiad y syniad o'r atom yn gysylltiedig â'r cwestiwn: "A oes diwedd ar raniad mater?". Er enghraifft, gadewch i ni gymryd afal â diamedr o 10 cm a chyllell a dechrau torri'r ffrwythau. Yn gyntaf, yn ei hanner, yna hanner afal yn ddwy ran arall (cyfochrog â'r toriad blaenorol), ac ati Ar ôl ychydig o weithiau, wrth gwrs, byddwn yn gorffen, ond nid oes dim yn ein hatal rhag parhau â'r arbrawf yn nychymyg un atom? Mil, miliwn, efallai mwy?

Ar ôl bwyta afal wedi'i sleisio (blasus!), gadewch i ni ddechrau'r cyfrifiadau (bydd y rhai sy'n gwybod y cysyniad o ddilyniant geometrig yn cael llai o drafferth). Bydd yr adran gyntaf yn rhoi hanner y ffrwythau i ni gyda thrwch o 5 cm, bydd y toriad nesaf yn rhoi sleisen i ni gyda thrwch o 2,5 cm, ac ati ... 10 rhai wedi'u curo! Felly, nid yw'r "llwybr" i fyd atomau yn hir.

*) Defnyddiwch gyllell gyda llafn anfeidrol denau. Mewn gwirionedd, nid yw gwrthrych o'r fath yn bodoli, ond gan fod Albert Einstein yn ei ymchwil wedi ystyried trenau'n symud ar gyflymder golau, caniateir i ni hefyd - at ddibenion arbrawf meddwl - wneud y rhagdybiaeth uchod.

Atomau platonig

Disgrifiodd Plato, un o feddyliau hynaf yr hynafiaeth, yr atomau y cyfansoddwyd yr elfennau ohonynt yn neialog Timachos. Roedd gan y ffurfiannau hyn ffurf polyhedra rheolaidd (solidau Platonig). Felly, atom o dân oedd y tetrahedron (fel y lleiaf a'r mwyaf anweddol), roedd yr octahedron yn atom aer, ac roedd yr icosahedron yn atom o ddŵr (mae gan bob solid waliau o drionglau hafalochrog). Mae ciwb o sgwariau yn atom o'r ddaear, ac mae dodecahedron o bentagonau yn atom o elfen ddelfrydol - yr ether nefol (8).