Становление и развитие современной атомистики. Часть 1

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому».

Считалось уместным начинать всевозможные статьи и книги, освещающие историю современной атомистики, с этой фразы. Она принадлежит нобелевскому лауреату Роберту Фейнману и произнесена была почти сорок лет назад. Надо полагать, ныне ученый внес бы в нее определенные коррективы: ведь наука заглянула значительно дальше, в глубь вещества, и научная картина мира выглядит теперь гораздо более сложной.

И тем не менее именно атом является важнейшим понятием, в немалой степени определяющим устройство мироздания.

Атомистика, или учение об атомах, – одна из древнейших областей познания мира – возникла в античные времена. В термине «атом» уже изначально заключалось противоречие, которое суждено было разрешить несколько тысячелетий спустя. Ибо «атом» означает «неделимый», тогда как именно делимостью, причем в разных ипостасях, характеризуется эта частица материи. Забегая вперед, отметим, что в 1940-х гг. один из создателей современной атомистики – Фредерик Содди – подверг критике термин «атомная энергия». Как считал ученый, этот термин означает «энергия неделимого». В то же время речь шла как раз об «энергии делимого». Мнение Содди представляет, конечно, лишь чисто исторический интерес.

Многие философы и естествоиспытатели на протяжении тысячелетий так или иначе обсуждали предмет атомистики. В античные времена лучшим выразителем ее сущности, пожалуй, был Демокрит (около 460–370 гг. до н. э.). Исходные пункты его представлений таковы:

1. Из ничего ничто произойти не может; ничто существующее не может быть уничтожено, и всякое изменение состоит лишь в соединении и разделении.
2. Нет случайности, а всему есть причина и необходимость.
3. Атомы, бесконечные по числу и по форме, своим движением, столкновением и возникающим оттого круговращением образуют видимый мир.
4. Различие предметов зависит только от различия числа, формы и порядка атомов, из которых они образованы.
5. Дух, как и огонь, состоит из мелких, круглых, гладких, наиболее легко подвижных и легко всюду проникающих атомов, движение которых составляет явление жизни.

В этом описании сущности атомистики нет даже намека на то, что же представляет собой собственно атом. С незапамятных времен он рисовался воображению как материальная неделимая частица; впоследствии стал рассматриваться в качестве мельчайшей частицы химического элемента, который определяли как совокупность одинаковых атомов конкретной природы. В 20-х гг. XVIII в. появилось понятие «молекулы» – определенного сочетания атомов (разнородных или однородных). В XIX в. возникло атомно-молекулярное учение, для становления которого была необходима революция в химии, происшедшая на рубеже XVIII и XIX столетий, в первую очередь благодаря А.Лавуазье и Дж.Дальтону.

Английский ученый приписал атому количественную «мерку» – относительный вес. К каждому элементу, к каждому химическому соединению можно было теперь подходить с количественной оценкой, а отсюда был уже один шаг до написания формул соединений и записи уравнений химических реакций. Именно Дальтону принадлежит честь создания химической атомистики в начале XIX в.

Под знаком атомно-молекулярного учения эволюционировало естествознание в том столетии и к исходу его составило прочную основу классической химии, достигшей выдающихся успехов как в экспериментальных работах, так и в области теории. Но по-прежнему оставался неразрешимым сакраментальный вопрос: что же представляет собой атом?

Дальтон в дневниковой записи от 6 сентября 1803 г. перечисляет следующие особенности атомов:

1. Материя состоит из мельчайших частиц, или атомов.
2. Атомы неделимы и не могут создаваться или разрушаться.
3. Все атомы данного элемента одинаковы и имеют один и тот же неизменный вес.
4. Атомы разных элементов обладают различным весом.
5. Частицы или соединения сформированы из определенного числа атомов состоящих из них элементов.
6. Вес сложной частицы представляет собой сумму весов составляющих ее атомов.

Атомный вес (атомная масса) оказался, как мы уже отмечали, фундаментальной количественной характеристикой, непременным «ярлыком» для каждого химического элемента. Однако было не ясно, все ли элементы имеют целочисленные значения атомных весов или у некоторых эти величины – дробные. Этот вопрос дискутировался на протяжении почти всего XIX в. Немаловажную роль играл выбор шкалы атомных весов, т. е. начальной точки отсчета (применялись шкалы H = 1, O = 100 и т. д.). Разумеется, в зависимости от выбранной шкалы значения атомных весов для одних и тех же элементов различались. Непростым было и экспериментальное определение атомных весов. Поэтому только к середине 1860-х гг. точность определения их значений стала достаточно удовлетворительной и мог быть выстроен естественный ряд химических элементов по увеличению их атомных весов, хотя в нем и обнаруживалось немало изъянов. Сложились предпосылки для различных попыток отыскания рациональных систематик элементов. Достаточно назвать имена А.Бегюи де Шанкартуа, У.Одлинга, Дж.Ньюлендса. Разработка Д.И.Менделеевым естественной системы элементов и формулировка периодического закона также прямо связаны с уточнением величин атомных весов.

Между тем минуло почти 90 лет со времени формулировки Дальтоном постулатов химической атомистики, а атом как некая материальная сущность по-прежнему оставался «вещью в себе». В 1892 г. в «Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона» Менделеев опубликовал обширную статью «Вещество», где существенное внимание уделил проблемам атомистики. Мало что изменилось со времен Дальтона, особой ясности не прибавилось, хотя Менделеев добавил некоторые детали, отвечавшие духу времени. Вот наиболее четко сформулированное его суждение: «Тела ли это определенной твердой формы, например, шаровой или какой иной, вихревые ли это кольца, делимы ли они геометрически, динамические ли это системы или нет – в это не могут еще поныне проникнуть существующие индуктивные способы исследования, и все попытки, сюда направленные, доныне не дали никаких положительных выводов. Таким образом, признаваемые ныне атомы химических элементов составляют последние грани анализа, до которого простирается мысль естествоиспытателя. Так как эти грани признаются химически неделимыми, они и называются атомами».

Менделеев продолжал:

1. Химические атомы каждого элемента неизменны.
2. Видов атомов столько, сколько есть химических элементов (на 1892 г. – около 70).
3. Все атомы данного элемента одинаковы.
4. Атомы имеют вес – несомненно различие (относительного) веса атомов различных элементов.

И заключительный итог: «Хотя поныне самые атомы химических элементов остаются неизвестными в своей сущности и представляют только гипотезу… тем не менее реальное познание о них постепенно наполняется, узнаются естественные законы, управляющие этими гипотетическими существами, рождается возможность предугадывания свойств неизвестных элементарных атомов, а по ним и образуемых ими частиц и веществ».

Однако надо упомянуть еще две атомистические проблемы, решение которых оставалось неясным.

Первая проблема: было неизвестно, сколько вообще может существовать разновидностей атомов. Поскольку число этих разновидностей полагалось равным числу химических элементов, то, очевидно, вопрос сводился к тому, какое именно количество элементов содержится в природных объектах. В этом плане примечательно рассуждение У.Крукса, приведенное им в докладе «О происхождении химических элементов» (1886 г.): «Мы смотрим на число элементов, на их относительные свойства и спрашиваем себя: случайны или чем-либо обусловлены эти обстоятельства? Другими словами, могло ли быть только 7, или 700, или 7000 абсолютно различных элементов вместо тех 70 (круглым счетом), какие мы обыкновенно признаем теперь? Число элементов не оправдывается для нашего разума никакими априорными или внешними соображениями».

Другая проблема заключалась в следующем: выражаются ли атомные веса целыми числами или же, напротив, нецелочисленными? Целочисленность постулировалась еще гипотезой У.Праута. По мере возрастания точности экспериментальных определений все более укреплялось мнение, что атомные веса элементов, как правило, нецелочисленны. Объяснение этого обстоятельства допускало два возможных предположения. Первое – за единицу отсчета масс выбиралась не масса атома водорода, равная 1 (Праут), а некая дробная величина его массы или масса атома какого-либо другого элемента. Второе – допускалось, что у каждого элемента могут существовать разновидности атомов, различающиеся по массам (выражающимся целыми числами); их различное содержание и должно было обусловливать дробность атомного веса элемента в целом. Именно такой точки зрения придерживался У.Крукс. Он даже предлагал заменить понятие «элемент» понятием «элементарная группа» (как совокупность разновидностей атомов).

В целом же неопределенность природы атомных весов оказывалась нерешенной проблемой атомистики конца XIX в.

Классическая химия к исходу XIX в. существенно тормозилась в своем развитии именно отсутствием обоснованных представлений о природе атома. Для Менделеева познание ее было делом первостатейным. Он отчетливо понимал, что без этого невозможно физическое обоснование периодического закона и понимание причин периодичности. Еще в 1889 г. он замечал: «Периодическая изменяемость простых и сложных тел подчиняется некоему высшему закону, природу которого, а тем более причину нет еще средства охватить. По всей вероятности, она кроется в основных началах внутренней механики атомов и частиц».

Законы этой «внутренней механики» были вскрыты спустя более четверти века – тогда, когда модель атома уже не представляла загадки, а имела строгое физическое обоснование.

Но пока атом, как справедливо отмечал Менделеев, оставался всего лишь гипотезой, хотя само понятие об атоме уже много веков было общепризнанным. Ему предстояло скинуть свои «бесструктурные одежды» и обрести новую жизнь в ипостаси конкретной научно-обоснованной модели. Ее разработка стала одним из важнейших последствий величайшей революции в физике в конце XIX столетия.

Начало этой революции принято связывать с открытием Х-лучей, явления радиоактивности и электрона. Сюда же справедливо добавить обнаружение плеяды инертных газов, что впоследствии сыграло существенную роль в разработке теории строения атомов и установлении ее связи с периодическим изменением свойств химических элементов. Неоценимое значение для развития теоретической физики имела планковская теория квантов. Кратко охарактеризуем историческую последовательность этих фундаментальных открытий.

Получившие название рентгеновых, Х-лучи были открыты 8 ноября 1895 г. немецким физиком В.Рентгеном в его лаборатории в Вюрцбурге.

Явление испускания соединениями урана нового вида излучения, позднее (в 1898 г.) названного радиоактивностью, обнаружил 1 марта 1896 г. французский физик А.Беккерель в лаборатории прикладной физики Парижского национального естественно-исторического музея.

Честь открытия электрона разделили английский физик Дж.Томсон (апрель 1897 г., Кавендишевская лаборатория) и немецкий геофизик Э.Вихерт (Гёттингенский университет). Правда, само понятие «открытие» в данном случае имело специфический характер, поскольку представление о мельчайшей отрицательно заряженной частице уже много лет «витало в воздухе».

Наконец, обнаружение инертных газов – это в основном заслуга английского химика и физика У.Рамзая. Аргон был открыт в августе 1894 г. (надо отметить, что этот инертный элемент одновременно и независимо обнаружил также Дж.Рэлей, соотечественник Рамзая). Земной гелий был идентифицирован спектральным методом в марте 1895 г. Открытия криптона (май 1898 г.), неона и ксенона (июнь 1898 г.) Рамзай осуществил совместно со своим ассистентом М.Траверсом. М.Планк сформулировал свою гипотезу о квантах 14 декабря 1900 г.

Эти события навсегда вошли в историю как свидетельство необычайного взлета научной мысли, причем имевшего место за весьма короткое время. Все перечисленные открытия стали результатом экспериментальных исследований, а не следствием развития умозрительных теоретических представлений (исключение, да и то с оговорками, представляет лишь гипотеза Планка). Далее, эти открытия следует рассматривать как своевременные, поскольку уже в достаточной степени сложились предпосылки для их осуществления. Наконец, открытия Х-лучей, явления радиоактивности и электрона взаимообусловлены и взаимосвязаны. Лишь открытие инертных газов выглядит несколько обособленным.

Д.И.Менделеев с большой осторожностью относился к оценке этих достижений науки. Такой негативизм коренился в основах его естественно-научного мировоззрения, на чем мы не будем останавливаться. Во всяком случае, существование электрона он так и не признал (точнее сказать, не хотел признавать, хотя многочисленные факты были налицо). Ученый сетовал, что современная химия «запуталась в ионах и электронах». Что касается явления радиоактивности, то Менделеев изменил свое скептическое отношение к нему лишь после посещения парижских лабораторий Беккереля, а также П. и М.Кюри в апреле 1902 г. Это получило отражение в очередных изданиях «Основ химии», где он достаточно подробно касался проблем радиоактивности, а также в том, что решил предпринять экспериментальные исследования нового вида излучения в Главной палате мер и весов. Однако намеченная им программа не была реализована из-за смерти ученого. Очевидно, он безо всякого внимания отнесся к появлявшимся электронным моделям атома.

ЛИТЕРАТУРА

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнде М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1965, вып. 1.

Содди Ф. История атомной энергии. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1979.

Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии.

М.: Наука, 1979.

Менделеев Д.И. Периодический закон. Основные статьи. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

Крукс В. О происхождении химических элементов. М., 1886.

Crookes W. Elements and meta-elements. Trans. Chem. Soc., 1888, v. 53, p. 487–504.

Менделеев Д.И. Основы химии. 5-е изд. СПб., 1889.

Д.Н.ТРИФОНОВ

Продолжение тут

Источник