مع ذرة عبر العصور - الجزء الأول
غالبًا ما يشار إلى القرن الماضي باسم "عصر الذرة". في ذلك الوقت غير البعيد ، تم أخيرًا إثبات وجود "الطوب" الذي يتكون من العالم من حولنا ، وتم إطلاق القوى الكامنة فيها. ومع ذلك ، فإن فكرة الذرة نفسها لها تاريخ طويل جدًا ، ولا يمكن أن تبدأ قصة تاريخ معرفة بنية المادة إلا بالكلمات التي تشير إلى العصور القديمة.
1. جزء من لوحة جدارية لرفائيل "مدرسة أثينا" ، تصور أفلاطون (على اليمين ، الفيلسوف له سمات ليوناردو دافنشي) وأرسطو
"قديم بالفعل ..."
... توصل الفلاسفة إلى استنتاج مفاده أن كل الطبيعة تتكون من جسيمات صغيرة بشكل غير محسوس. بالطبع ، في ذلك الوقت (ولفترة طويلة بعد ذلك) لم تتح للعلماء الفرصة لاختبار افتراضاتهم. كانت مجرد محاولة لشرح ملاحظات الطبيعة والإجابة على السؤال: "هل يمكن للمادة أن تتحلل إلى أجل غير مسمى ، أم أن هناك نهاية للانشطار؟«
تم تقديم الإجابات في دوائر ثقافية مختلفة (بشكل أساسي في الهند القديمة) ، لكن تطور العلم تأثر بدراسات الفلاسفة اليونانيين. في أعداد عطلة العام الماضي من "الفني الشاب" ، تعرف القراء على التاريخ القديم لاكتشاف العناصر ("Dangers with the Elements" ، MT 7-9 / 2014) ، والذي بدأ أيضًا في اليونان القديمة. بالعودة إلى القرن السابع قبل الميلاد ، تم البحث عن المكون الرئيسي الذي تُبنى منه المادة (عنصر ، عنصر) في مواد مختلفة: الماء (تاليس) ، الهواء (أناكسيمينيس) ، النار (هيراكليتس) أو الأرض (زينوفانيس).
قام إمبيدوكليس بتسويتها جميعًا ، معلنًا أن الأمر لا يتكون من عنصر واحد ، بل من أربعة عناصر. أضاف أرسطو (القرن الأول قبل الميلاد) مادة مثالية أخرى - الأثير ، الذي يملأ الكون بأكمله ، ويعلن إمكانية تحول العناصر. من ناحية أخرى ، كانت الأرض ، الواقعة في مركز الكون ، تُلاحظ من السماء ، والتي لم تتغير دائمًا. بفضل سلطة أرسطو ، اعتبرت نظرية بنية المادة والكل صحيحة لأكثر من ألفي عام. أصبح ، من بين أمور أخرى ، أساسًا لتطوير الكيمياء ، وبالتالي الكيمياء نفسها (1).
2. تمثال نصفي لديموقريطس العبديرة (460-370 قبل الميلاد)
ومع ذلك ، تم تطوير فرضية أخرى على التوازي. يعتقد Leucippus (القرن العاشر قبل الميلاد) أن المادة تتكون من جسيمات صغيرة جدًا تتحرك في الفراغ. تم تطوير آراء الفيلسوف من قبل تلميذه - ديموقريطس العبديرا (حوالي 460-370 قبل الميلاد) (2). أطلق على "الكتل" التي تتكون منها ذرات المادة (الذرات اليونانية = غير قابلة للتجزئة). وقال إنها غير قابلة للتجزئة ولا تتغير ، وأن عددها في الكون ثابت. تتحرك الذرات في الفراغ.
عندما ذرات إنهم متصلون (عن طريق نظام من الخطافات والعينين) - تتشكل جميع أنواع الأجسام ، وعندما يتم فصلها عن بعضها - يتم تدمير الجثث. اعتقد ديموقريطوس أن هناك عددًا لا نهائيًا من أنواع الذرات ، تختلف في الشكل والحجم. تحدد خصائص الذرات خصائص المادة ، على سبيل المثال ، يتكون العسل الحلو من ذرات ناعمة ، ويتكون الخل الحامض من ذرات زاويّة ؛ تشكل الأجسام البيضاء ذرات ملساء ، وتشكل الأجسام السوداء ذرات بسطح خشن.
تؤثر طريقة ارتباط المادة أيضًا على خصائص المادة: في المواد الصلبة ، تكون الذرات متجاورة بإحكام مع بعضها البعض ، وفي الأجسام الرخوة توجد بشكل غير محكم. جوهر آراء ديموقريطس هو القول: "في الواقع ، لا يوجد سوى الفراغ والذرات ، كل شيء آخر هو وهم".
في القرون اللاحقة ، طور فلاسفة متعاقبون آراء ديموقريطس ، كما توجد بعض المراجع في كتابات أفلاطون. حتى أن أبيقور - أحد الخلفاء - صدق ذلك ذرات إنها تتكون من مكونات أصغر ("جسيمات أولية"). ومع ذلك ، فقدت النظرية الذرية لتركيب المادة لعناصر أرسطو. المفتاح - حتى ذلك الحين - تم العثور عليه في التجربة. إلى أن كانت هناك أدوات لتأكيد وجود الذرات ، كان من السهل ملاحظة تحولات العناصر.
على سبيل المثال: عند تسخين الماء (عنصر بارد ورطب) ، يتم الحصول على الهواء (بخار ساخن ورطب) ، وتبقى التربة في قاع الوعاء (الترسيب البارد والجاف للمواد المذابة في الماء). الخصائص المفقودة - الدفء والجفاف - تم توفيرها بواسطة النار ، مما أدى إلى تسخين الوعاء.
الثبات والثابت عدد الذرات كما أنهم عارضوا الملاحظات ، حيث كان يُعتقد أن الميكروبات ظهرت "من لا شيء" حتى القرن التاسع عشر. لم تقدم آراء Democritus أي أساس للتجارب الكيميائية المتعلقة بتحويل المعادن. كان من الصعب أيضًا تخيل ودراسة التنوع اللامتناهي لأنواع الذرات. بدت النظرية الأولية أبسط بكثير وأكثر إقناعًا في شرح العالم المحيط.
3. صورة لروبرت بويل (1627–1691) بواسطة ج.
السقوط والبعث
لقرون ، ظلت النظرية الذرية منفصلة عن العلوم السائدة. ومع ذلك ، لم تمت أخيرًا ، وبقيت أفكارها ، ووصلت إلى العلماء الأوروبيين في شكل ترجمات فلسفية عربية للكتابات القديمة. مع تطور المعرفة البشرية ، بدأت أسس نظرية أرسطو في الانهيار. نظام مركزية الشمس لنيكولاس كوبرنيكوس ، الملاحظات الأولى للمستعرات الأعظمية (Tycho de Brache) الناشئة من أي مكان ، واكتشاف قوانين حركة الكواكب (يوهانس كيبلر) وأقمار كوكب المشتري (جاليليو) تعني ذلك في السادس عشر والسابع عشر قرون ، توقف الناس عن العيش تحت السماء دون تغيير منذ بداية العالم. على الأرض أيضًا كانت نهاية آراء أرسطو.
لم تحقق محاولات الخيميائيين التي استمرت لقرون النتائج المتوقعة - فقد فشلوا في تحويل المعادن العادية إلى ذهب. شكك المزيد والمزيد من العلماء في وجود العناصر نفسها ، وتذكروا نظرية ديموقريطس.
4. أثبتت تجربة 1654 مع نصفي كرة ماغدبورغ وجود فراغ وضغط جوي (لا يستطيع 16 حصانًا كسر نصفي الكرة المجاورة الذي تم ضخ الهواء منه!)
قدم روبرت بويل في عام 1661 تعريفًا عمليًا للعنصر الكيميائي على أنه مادة لا يمكن تقسيمها إلى مكوناتها عن طريق التحليل الكيميائي (3). كان يعتقد أن المادة تتكون من جزيئات صغيرة وصلبة وغير قابلة للتجزئة تختلف في الشكل والحجم. بدمجها ، تشكل جزيئات من المركبات الكيميائية التي تتكون منها المادة.
أطلق بويل على هذه الجسيمات الدقيقة كريات أو "جسيمات" (اختزال للكلمة اللاتينية corpus = body). تأثرت آراء Boyle بلا شك باختراع مضخة التفريغ (Otto von Guericke ، 1650) وتحسين مضخات المكبس لضغط الهواء. شهد وجود فراغ وإمكانية تغيير المسافة (نتيجة الانضغاط) بين جزيئات الهواء لصالح نظرية ديموقريطس (4).
كان أعظم العلماء في ذلك الوقت ، السير إسحاق نيوتن ، عالمًا ذريًا أيضًا. (5). بناءً على آراء بويل ، طرح فرضية حول اندماج الجسم في تكوينات أكبر. بدلاً من النظام القديم من الثقوب والخطافات ، كان ربطهم - وإلا - عن طريق الجاذبية.
5. صورة للسير إسحاق نيوتن (1642-1727) ، بقلم ج.
وهكذا ، وحد نيوتن التفاعلات في الكون بأكمله - قوة واحدة تتحكم في كل من حركة الكواكب وبنية أصغر مكونات المادة. يعتقد العالم أن الضوء يتكون أيضًا من جسيمات.
نحن نعلم اليوم أنه كان "نصفه على حق" - فالتفاعلات العديدة بين الإشعاع والمادة تفسر من خلال تدفق الفوتونات.
يأتي دور الكيمياء
حتى نهاية القرن التاسع عشر تقريبًا ، كانت الذرات من اختصاص علماء الفيزياء. ومع ذلك ، كانت الثورة الكيميائية التي بدأها أنطوان لافوازييه هي التي جعلت فكرة التركيب الحبيبي للمادة مقبولة بشكل عام.
إن اكتشاف التركيب المعقد للعناصر القديمة - الماء والهواء - دحض أخيرًا نظرية أرسطو. في نهاية القرن الثامن عشر ، لم يكن هناك اعتراضات على قانون الحفاظ على الكتلة والإيمان باستحالة تحول العناصر. أصبحت المقاييس معدات قياسية في المختبر الكيميائي.
6. جون دالتون (1766-1844)
بفضل استخدامه ، لوحظ أن العناصر تتحد مع بعضها البعض ، وتشكل مركبات كيميائية معينة بنسب كتلة ثابتة (بغض النظر عن أصلها - طبيعي أو تم الحصول عليه صناعياً - وطريقة التوليف).
أصبحت هذه الملاحظة قابلة للتفسير بسهولة إذا افترضنا أن المادة تتكون من أجزاء غير قابلة للتجزئة تشكل كلًا واحدًا. ذرات. اتبع مبتكر النظرية الحديثة للذرة ، جون دالتون (1766-1844) (6) ، هذا المسار. صرح أحد العلماء في عام 1808 بما يلي:
- الذرات غير قابلة للتدمير وغير قابلة للتغيير (وهذا بالطبع يستبعد إمكانية التحولات الكيميائية).
- كل المواد تتكون من ذرات غير قابلة للتجزئة.
- جميع ذرات عنصر معين هي نفسها ، أي لها نفس الشكل والكتلة والخصائص. ومع ذلك ، تتكون العناصر المختلفة من ذرات مختلفة.
- في التفاعلات الكيميائية ، تتغير طريقة الانضمام إلى الذرات فقط ، والتي تُبنى منها جزيئات المركبات الكيميائية - بنسب معينة (7).
اكتشاف آخر ، يعتمد أيضًا على مراقبة مسار التغيرات الكيميائية ، كان فرضية الفيزيائي الإيطالي أماديو أفوجادرو. توصل العالم إلى استنتاج مفاده أن كميات متساوية من الغازات تحت نفس الظروف (الضغط ودرجة الحرارة) تحتوي على نفس العدد من الجزيئات. جعل هذا الاكتشاف من الممكن إنشاء صيغ للعديد من المركبات الكيميائية وتحديد الكتل ذرات.
7. الرموز الذرية التي استخدمها دالتون (النظام الجديد للفلسفة الكيميائية ، 1808)
8. المواد الصلبة الأفلاطونية - رموز ذرات "العناصر" القديمة (ويكيبيديا ، المؤلف: مكسيم بي)
كم مرة تقطع؟
ارتبط ظهور فكرة الذرة بالسؤال: "هل هناك نهاية لتقسيم المادة؟". على سبيل المثال ، لنأخذ تفاحة بقطر 10 سم وسكين ونبدأ في تقطيع الفاكهة. أولاً ، إلى النصف ، ثم نصف تفاحة إلى جزأين آخرين (بالتوازي مع المقطع السابق) ، إلخ. بعد عدة مرات ، بالطبع ، سننتهي ، لكن لا شيء يمنعنا من مواصلة التجربة في تخيل ذرة واحدة؟ ألف ، مليون ، ربما أكثر؟
بعد تناول تفاحة مقطعة إلى شرائح (لذيذة!) ، لنبدأ الحسابات (أولئك الذين يعرفون مفهوم التقدم الهندسي سيواجهون مشاكل أقل). سيعطينا القسم الأول نصف الثمرة بسمك 5 سم ، والقطع التالي سيعطينا شريحة بسمك 2,5 سم ، إلخ ... 10 قطع مخفوقة! لذلك ، فإن "الطريق" إلى عالم الذرات ليس طويلاً.
*) استخدم سكينًا بشفرة رفيعة للغاية. في الواقع ، مثل هذا الشيء غير موجود ، ولكن نظرًا لأن ألبرت أينشتاين في بحثه اعتبر القطارات تتحرك بسرعة الضوء ، يُسمح لنا أيضًا - لأغراض تجربة فكرية - بعمل الافتراض أعلاه.
الذرات الأفلاطونية
وصف أفلاطون ، أحد أعظم العقول في العصور القديمة ، الذرات التي يجب أن تتكون منها العناصر في حوار تيماشوس. كان لهذه التكوينات شكل المجسمات العادية (المواد الصلبة الأفلاطونية). لذلك ، كان رباعي الوجوه عبارة عن ذرة نار (كأصغرها وأكثرها تطايرًا) ، وكان الثماني الوجوه عبارة عن ذرة من الهواء ، وعشري الوجوه عبارة عن ذرة ماء (جميع المواد الصلبة لها جدران من مثلثات متساوية الأضلاع). مكعب من المربعات هو ذرة من الأرض ، و dodecahedron من البنتاغون هو ذرة عنصر مثالي - الأثير السماوي (8).
