Avec un atome à travers les âges - partie 1

Le siècle dernier est souvent appelé "l'âge de l'atome". À cette époque pas trop lointaine, l'existence des «briques» qui composent le monde qui nous entoure a finalement été prouvée, et les forces qui sommeillaient en elles ont été libérées. L'idée de l'atome lui-même a cependant une très longue histoire, et l'histoire de l'histoire de la connaissance de la structure de la matière ne peut être commencée qu'avec des mots faisant référence à l'antiquité.

1. Un fragment de la fresque de Raphaël "L'Ecole d'Athènes", représentant Platon (à droite, le philosophe a les traits de Léonard de Vinci) et Aristote

"Déjà antique..."

… les philosophes sont arrivés à la conclusion que toute la nature est constituée de particules imperceptiblement petites. Bien sûr, à cette époque (et pendant longtemps après), les scientifiques n'avaient aucun moyen de tester leurs hypothèses. Ils n'étaient qu'une tentative d'expliquer les observations de la nature et de répondre à la question : "La matière peut-elle se désintégrer indéfiniment ou y a-t-il une fin à la fission ?«

Des réponses ont été données dans divers cercles culturels (principalement dans l'Inde ancienne), mais le développement de la science a été influencé par les études des philosophes grecs. Dans les numéros de vacances de "Young Technician" de l'année dernière, les lecteurs ont découvert l'histoire séculaire de la découverte des éléments ("Dangers with the Elements", MT 7-9/2014), qui a également commencé dans la Grèce antique. Dès le VIIe siècle av. J.-C., le composant principal à partir duquel la matière (élément, élément) est construite était recherché dans diverses substances : l'eau (Thalès), l'air (Anaximène), le feu (Héraclite) ou la terre (Xénophane).

Empédocle les a tous réconciliés, déclarant que la matière se compose non pas d'un, mais de quatre éléments. Aristote (1er siècle avant JC) a ajouté une autre substance idéale - l'éther, qui remplit tout l'univers, et a déclaré la possibilité de transformation des éléments. D'autre part, la Terre, située au centre de l'univers, était observée par le ciel, toujours inchangé. Grâce à l'autorité d'Aristote, cette théorie de la structure de la matière et de l'ensemble a été considérée comme correcte pendant plus de deux mille ans. Est devenu, entre autres, la base du développement de l'alchimie, et donc de la chimie elle-même (XNUMX).

2. Buste de Démocrite d'Abdère (460-370 av. J.-C.)

Cependant, une autre hypothèse a également été développée en parallèle. Leucippe (XNUMXème siècle avant JC) croyait que la matière était composée de très petites particules se déplaçant dans le vide. Les vues du philosophe ont été développées par son élève - Démocrite d'Abdera (vers 460-370 avant JC) (2). Il a appelé les « blocs » qui composent les atomes de matière (du grec atomos = indivisible). Il a soutenu qu'ils sont indivisibles et immuables, et que leur nombre dans l'univers est constant. Les atomes se déplacent dans le vide.

Quand atomes ils sont reliés (par un système de crochets et d'yeux) - toutes sortes de corps se forment, et lorsqu'ils sont séparés les uns des autres - les corps sont détruits. Démocrite croyait qu'il existe une infinité de types d'atomes, de formes et de tailles différentes. Les caractéristiques des atomes déterminent les propriétés d'une substance, par exemple, le miel doux est composé d'atomes lisses et le vinaigre aigre est composé d'atomes anguleux; les corps blancs forment des atomes lisses et les corps noirs forment des atomes à surface rugueuse.

La façon dont un matériau est joint affecte également les propriétés de la matière : dans les solides, les atomes sont étroitement adjacents les uns aux autres, et dans les corps mous, ils sont situés de manière lâche. La quintessence des vues de Démocrite est la déclaration: "En fait, il n'y a que le vide et les atomes, tout le reste est une illusion."

Au cours des siècles suivants, les vues de Démocrite ont été développées par des philosophes successifs, certaines références se trouvent également dans les écrits de Platon. Epicure - l'un des successeurs - croyait même que atomes ils sont constitués de composants encore plus petits ("particules élémentaires"). Cependant, la théorie atomistique de la structure de la matière a perdu les éléments d'Aristote. La clé, même alors, se trouvait dans l'expérience. Jusqu'à ce qu'il y ait des outils pour confirmer l'existence des atomes, les transformations des éléments étaient facilement observables.

Par exemple: lorsque l'eau était chauffée (élément froid et humide), de l'air était obtenu (vapeur chaude et humide) et de la terre restait au fond du récipient (précipitation froide et sèche de substances dissoutes dans l'eau). Les propriétés manquantes - chaleur et sécheresse - étaient fournies par le feu, qui chauffait le navire.

Invariance et constante nombre d'atomes ils contredisaient également les observations, car on pensait que les microbes émergeaient "de rien" jusqu'au XNUMXème siècle. Les vues de Démocrite n'ont fourni aucune base pour des expériences alchimiques liées à la transformation des métaux. Il était également difficile d'imaginer et d'étudier l'infinie variété des types d'atomes. La théorie élémentaire semblait beaucoup plus simple et expliquait de manière plus convaincante le monde environnant.

3. Portrait de Robert Boyle (1627-1691) par J. Kerseboom.

Chute et renaissance

Pendant des siècles, la théorie atomique s'est tenue à l'écart de la science dominante. Cependant, elle n'est pas finalement morte, ses idées ont survécu, atteignant les scientifiques européens sous la forme de traductions philosophiques arabes d'écrits anciens. Avec le développement des connaissances humaines, les fondements de la théorie d'Aristote ont commencé à s'effriter. Le système héliocentrique de Nicolas Copernic, les premières observations de supernovae (Tycho de Brache) surgissant de nulle part, la découverte des lois du mouvement des planètes (Johannes Kepler) et des lunes de Jupiter (Galileo) firent qu'aux XVIe et XVIIe siècles, les gens ont cessé de vivre sous le ciel inchangé depuis le début du monde. Sur terre aussi, c'était la fin des vues d'Aristote.

Les tentatives séculaires des alchimistes n'ont pas apporté les résultats escomptés - ils n'ont pas réussi à transformer les métaux ordinaires en or. De plus en plus de scientifiques ont remis en question l'existence des éléments eux-mêmes et se sont souvenus de la théorie de Démocrite.

4. L'expérience de 1654 avec les hémisphères de Magdebourg a prouvé l'existence du vide et de la pression atmosphérique (16 chevaux ne peuvent pas briser les hémisphères voisins d'où l'air a été pompé !)

Robert Boyle en 1661 a donné une définition pratique d'un élément chimique comme une substance qui ne peut pas être décomposée en ses composants par analyse chimique (3). Il croyait que la matière se compose de petites particules solides et indivisibles qui diffèrent par leur forme et leur taille. En se combinant, ils forment des molécules de composés chimiques qui composent la matière.

Boyle appela ces minuscules particules corpuscules, ou « corpuscules » (un diminutif du mot latin corpus = corps). Les vues de Boyle ont sans aucun doute été influencées par l'invention de la pompe à vide (Otto von Guericke, 1650) et l'amélioration des pompes à piston pour la compression de l'air. L'existence d'un vide et la possibilité de modifier la distance (par compression) entre les particules d'air ont témoigné en faveur de la théorie de Démocrite (4).

Le plus grand scientifique de l'époque, Sir Isaac Newton, était aussi un scientifique atomique. (5). Sur la base des vues de Boyle, il a avancé une hypothèse sur la fusion du corps en formations plus grandes. Au lieu de l'ancien système d'œillets et de crochets, leur attache était - comment sinon - par gravité.

5. Portrait de Sir Isaac Newton (1642-1727), par G. Kneller.

Ainsi, Newton a uni les interactions dans tout l'Univers - une seule force contrôlait à la fois le mouvement des planètes et la structure des plus petits composants de la matière. Le scientifique croyait que la lumière se composait aussi de corpuscules.

On sait aujourd'hui qu'il avait « à moitié raison » : de nombreuses interactions entre rayonnement et matière s'expliquent par le flux de photons.

La chimie entre en jeu

Jusqu'à presque la fin du XVIe siècle, les atomes étaient l'apanage des physiciens. Cependant, c'est la révolution chimique initiée par Antoine Lavoisier qui a généralisé l'idée de la structure granulaire de la matière.

La découverte de la structure complexe des éléments anciens - l'eau et l'air - a finalement réfuté la théorie d'Aristote. A la fin du XVIIIe siècle, la loi de la conservation de la masse et la croyance en l'impossibilité de la transformation des éléments ne suscitent pas non plus d'objections. Les balances sont devenues un équipement standard dans le laboratoire de chimie.

6. John Dalton (1766-1844)

Grâce à son utilisation, il a été constaté que les éléments se combinent entre eux, formant certains composés chimiques dans des proportions massiques constantes (quelles que soient leur origine - naturelle ou obtenue artificiellement - et le mode de synthèse).

Cette observation est devenue facilement explicable si l'on suppose que la matière est constituée de parties indivisibles qui forment un tout unique. atomes. Le créateur de la théorie moderne de l'atome, John Dalton (1766-1844) (6), a suivi cette voie. Un scientifique en 1808 a déclaré que:

1. Les atomes sont indestructibles et immuables (ceci, bien sûr, excluait la possibilité de transformations alchimiques).
2. Toute matière est composée d'atomes indivisibles.
3. Tous les atomes d'un élément donné sont identiques, c'est-à-dire qu'ils ont la même forme, la même masse et les mêmes propriétés. Cependant, différents éléments sont constitués d'atomes différents.
4. Dans les réactions chimiques, seule la manière de joindre les atomes change, à partir de laquelle les molécules de composés chimiques sont construites - dans certaines proportions (7).

Une autre découverte, également basée sur l'observation du cours des changements chimiques, était l'hypothèse du physicien italien Amadeo Avogadro. Le scientifique est arrivé à la conclusion que des volumes égaux de gaz dans les mêmes conditions (pression et température) contiennent le même nombre de molécules. Cette découverte a permis d'établir les formules de nombreux composés chimiques et de déterminer les masses atomes.

7. Symboles atomiques utilisés par Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Solides platoniciens - symboles des atomes des anciens "éléments" (Wikipedia, auteur: Maxim Pe)

Combien de fois couper ?

L'émergence de l'idée d'atome était associée à la question: "Y a-t-il une fin à la division de la matière?". Par exemple, prenons une pomme d'un diamètre de 10 cm et un couteau et commençons à trancher le fruit. D'abord, en deux, puis une demi-pomme en deux autres parties (parallèle à la coupe précédente), etc. Après quelques temps, bien sûr, nous finirons, mais rien ne nous empêche de poursuivre l'expérience dans l'imagination d'un atome ? Un millier, un million, peut-être plus ?

Après avoir mangé une pomme tranchée (délicieux !), commençons les calculs (ceux qui connaissent le concept d'une progression géométrique auront moins de mal). La première division nous donnera une moitié du fruit d'une épaisseur de 5 cm, la coupe suivante nous donnera une tranche d'une épaisseur de 2,5 cm, etc... 10 battues ! Par conséquent, le "chemin" vers le monde des atomes n'est pas long.

*) Utilisez un couteau avec une lame infiniment fine. En fait, un tel objet n'existe pas, mais puisque Albert Einstein dans ses recherches considérait les trains se déplaçant à la vitesse de la lumière, nous sommes également autorisés - aux fins d'une expérience de pensée - à faire l'hypothèse ci-dessus.

Atomes platoniques

Platon, l'un des plus grands esprits de l'Antiquité, a décrit les atomes dont les éléments devaient être composés dans le dialogue de Timachos. Ces formations avaient la forme de polyèdres réguliers (solides de Platon). Ainsi, le tétraèdre était un atome de feu (comme le plus petit et le plus volatil), l'octaèdre était un atome d'air et l'icosaèdre était un atome d'eau (tous les solides ont des parois de triangles équilatéraux). Un cube de carrés est un atome de la terre et un dodécaèdre de pentagones est un atome d'un élément idéal - l'éther céleste (8).