Атоми: від Демокріта до Томсона

Бути може, ці електрони-
Світи, де п’ять материків,
Мистецтва, знання, війни, трони
І пам’ять сорока століть!

Ще, може, кожен атом –
Всесвіт, де сто планет;
Там все, що тут, в обсязі стислому,
Але також те, чого тут немає.

В. Брюсов

Як влаштований матеріальний світ і з чого складається речовина, хвилювало мислячу частину людства з глибокої давнини. У античних мислителів існували різні точки зору з цього питання. Головна проблема полягала в тому, чи складається речовина з окремих дрібних часток, чітко відмежованих один від одного, або являє собою безперервне єдність без розривів на будь-які складові його елементи. Перше властивість називається дискретністю матерії, друге, протилежне йому, – безперервністю.
У давньогрецькій традиції переважало уявлення про безперервну матерії, існування якої лежить в основі всього. Вважалося, що вона володіє двома парами взаємно протилежних властивостей: тепло – холод і вологість – сухість. Їх різні поєднання, на думку Аристотеля, утворюють чотири основних елементи. Вогонь являє собою з’єднання теплого і сухого, повітря – теплого і вологого, вода – холодного і вологого, а земля – ​​холодного і сухого. З цих першоелементів будуються всі речовини, які сприймаються людськими відчуттями.
У той же час в Стародавній Греції існували представники іншої філософської школи, які називалися атомістами. Засновниками цієї школи були два філософа: Левкіпп і його учень Демокріт (рис. 98).
Демокріт, що жив у другій половині V і в першій половині IV ст. до н. е., розробив філософське вчення, в основі якого лежить ідея про існування атомів. На думку Демокріта, атоми являють собою дрібні неподільні (атом по-грецьки означає «неподільний») частинки, що становлять всю матерію. Самі атоми ніколи не піддаються ніяким змінам, а всі властивості реальної матерії пояснюються сполученнями різних атомів.
Рис. 98. Демокріт

Між атомами знаходиться порожнеча.
«З нічого не виникає нічого, – каже Демокріт, – ніщо існуюче не може бути знищено. Будь-яке зміна є тільки з’єднання або поділ частин ».
Всім атомам властиво безперервний рух, навіть усередині твердих тіл вони здійснюють коливання. Один від одного атоми відрізняються формою, розміром і «поворотом», т. Е. Положенням у просторі. Душа по Демокріту теж складається з атомів, а їх взаємодія з атомами зовнішнього світу створює відчуття. (Тіло, яке складається з «круглих і помірно великих» атомів, здається солодким, а з «округлених, гладких, косих і малих за величиною» – гірким і т. Д.)
Уявлення Демокрита не знайшли визнання серед сучасників, і атомізм придбав популярність тільки на рубежі IV і III ст. до н. е., коли популярний у той час філософ Епікур сприйняв ідею існування неподільних атомів, розділених порожнечею. На думку Епікура, у порожнечі безперервно рухаються неподільні атоми, що володіють тільки формою, величиною і вагою. Всі інші властивості матерії походять від руху атомів і від їх поєднання.
Прихильником і пропагандистом ідей Епікура був римський поет і філософ Тіт Лукрецій Кар, що жив в I в. до н. е. Він написав філософську поему «Про природу речей», де виклав практично все, що було відомо в той час в натурфілософії. Лукрецій послідовно проводить ідею про те, що все у Всесвіті складається з щільних тіл і порожнечі. Найдрібніші частинки речовини розділені порожнечею, але в самих собі порожнечі не мають, і тому вони являють собою неподільність, т. Е. Атоми:

Значить, скрізь порожнеча, очевидно, змінюється тілом,
Бо ні повністю немає досконалої ніде у Всесвіті,
Ні порожнечі, а тіла існують відомі тільки,
Що повнотою розмежувати здатні порожній простір.

Оскільки всередині атомів немає порожнечі, вони не здатні розпадатися на дрібніші частини. Тому вони вічні і незнищенні:

Якщо ж початкові щільні тіла, якщо немає порожнечі в них,
Як я вчив, то повинні вони вічними бути неодмінно.
Якщо ж, крім того, не була б матерія вічною,
Те абсолютно в ніщо звернулися давно б всі речі,
З нічого б тоді відроджувалося і все, що ми бачимо.

Але, якщо вже я довів, що ніщо творити не може
З нічого, і все те, що народилося, в ніщо звертатися,
Первоначалам повинно бути притаманне безсмертне тіло,
Щоб всі речі могли при смерть на них розкладатися,
І не вичерпався б запас речовини для речей возрожденья.

У XVII ст., Коли, як ми знаємо, виникло сучасне природознавство, ідеї атомізму, висловлені Демокритом і поширені Епікура, отримали визнання серед перших натуралістів. Одним з перших мислителів, відродили атомізм, був французький філософ і вчений П’єр Гассенді (1592-1655). Також необхідно відзначити великий внесок у цю галузь знання засновника і багаторічного президента Лондонського Королівського товариства Роберта Бойля (1627-1691). Широку популярність він здобув завдяки відкриттю закону стиснення газів, відомого під назвою закону Бойля – Маріотта, проте його дослідження багато в чому були присвячені вивченню будови речовини. Бойль вважав, що всі речовини складаються з матеріальних часток, що мають певну величину і форму, причому атоми рідин знаходяться в постійному русі, а твердих тіл – у спокої. Він вперше пояснив хімічні зміни речовини з’єднанням і роз’єднанням атомів, що знайшло підтвердження в подальших хімічних дослідженнях. Прихильником атомізму був також Ньютон, який говорив, що матерію слід вважати «пористої», т. Е. Складається з окремих крупинок, занурених у порожній простір.
До кінця XVIII в. стало складатися переконання, що речовини складаються з дрібних частинок, які називали корпускулами або молекулами. Ці частинки можуть розпадатися на більш дрібні частинки – атоми, які вже не можуть бути розділені. Гарячим прихильником атомно-молекулярної теорії був російський учений, що вніс неоціненний внесок у становлення російської науки і культури, Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765) (рис. 99). Він стверджував, що всі речовини складаються з корпускул, які є зібранням елементів. Пізніше Ломоносов замінив слово «корпускула» на «молекула», а «елемент» на «атом».
У 1860 р на міжнародному з’їзді фізиків у Німеччині було прийнято ухвалу молекули як найменшої частки речовини, що зберігає його хімічні властивості, і атома як найменшої частини хімічного елемента, що входить до складу простих і складних речовин.
До кінця позаминулого століття дослідники тільки констатували існування в матерії найдрібніших неподільних частинок, але всерйоз не ставили питання про їх будову. Тим часом вже з початку XIX ст. накопичувалися дані, що свідчать про те, що електрика, так само як і речовина, складається з дрібних неподільних зарядів. Вперше думка про дискретну структуру електрики висловив в 1801 р німецький фізик Йоганн Ріттер, а в 1846 р його співвітчизник Вільгельм Вебер ввів поняття атома електрики. До кінця XIX в., Значною мірою завдяки дослідам Фарадея, було остаточно встановлено, що існують найменші, неподільні далі, електричні заряди.

 

У 1881 р англійський фізик Дж. Стоні розрахував величину цих зарядів і згодом запропонував назвати їх електронами.
Одночасно проводилися дослідження випромінювання, яке було названо катодними променями. Катодні промені випускаються у вакуумі з негативно зарядженого тіла (катода). Було ясно, що вони негативно заряджені, тому що під дією магнітного поля відхиляються в певну сторону (рис. 100). У 1895 р французький фізик Жан Перрен експериментально довів, що катодні промені – це потік негативно заряджених частинок. У тому ж році англійський дослідник Джозеф Джон Томсон почав в Кембриджському університеті докладні дослідження катодних променів і вже через два роки опублікував роботу, в якій довів, що всі частинки, якими вони утворені, однакові і що ці частки входять до складу речовини.
Таким чином, з’ясувалося, що атоми не є неподільними – до їх складу входять більш дрібні частинки, які мають негативний заряд. Ці частинки виявилися по суті тими ж частками, які описував Стоні, і за ними було збережено дане їм назву електронів.
Відомо, однак, що атоми в цілому електрично нейтральні. Отже, крім негативних зарядів, в них повинні існувати і компенсуючі їх позитивні. Виходячи з цього, Дж. Дж. Томсон у 1903 р запропонував першу модель атома, що отримала назву «пудинг з родзинками». Виходячи з того, що маса електрона виявилася значно менше маси атома, він припустив, що атоми є масивну частку, у якій рівномірно розподілений позитивний електричний заряд і в яку, подібно Родзинкою в пудингу, вкраплені значно більш легкі, негативно заряджені електрони. За певних умов електрони можуть вилітати з атомів і рухатися прямолінійно з великою швидкістю. Цей рух електронів і виявляється у вигляді катодних променів.

Посилання на основну публікацію