Вещество. Реальность атомов и малекул

Перейдём к рассмотрению некоторых  основополагающих представлений о  мире атомов и молекул, микромире, вещество и поле. Именно законы микромира  определяют существование гигантских звёзд, планет, биологических объектов, человека.

Для начала определим, что мы понимаем под веществом. Одно из современных определений приведено ниже.

Вещество –  вид материи, обладающей массой покоя. В конечном счете, вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном – электронов, протонов и нейтронов) В классической физике вещество и поле противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго – непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственно корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествляющиеся в науке на протяжении многих веков (Физический энциклопедический словарь, М., Сов. Энциклопедия, 1983).

Наука о веществах зародилась в  Египте, передовой стране древнего мира. Такие отрасли производства, как металлургия, керамика, изготовление стекла, крашение, парфюмерия, косметика достигли там значительного развития ещё задолго до нашей эры.

Термин «химия» происходит, вероятно (по Плутарху), от одного из древних  названий Египта, Хеми («чёрная земля»), и в первоначальном смысле означал  «египетское искусство». Позже химия  определялась как искусство делания золота и серебра.

Наука о веществах  и их взаимодействиях, химия, считалась в Египте «обожествленной наукой» и находилась целиком в руках жрецом. Однако некоторые сведения всё же просачивались за пределы Египта, в основном через Византию и арабов (после завоевания ими в 711 году Испании). Именно на арабском Востоке появился термин «алхимия» (арабская приставка «ал»).

Главным образом задачей  алхимиков было создание «философского  камня», способного все металлы превращать в золото (в основе этого лежат элементарный практический заказ – золото в Европе было необходимо для развития торговли, а известных месторождений было мало).

В основе взглядов алхимиков  лежали представления Аристотеля, о  которых мы говорили ранее. Основными началами природы предполагались абстрактные «принципы» - холод, тепло, сухость и влажность и четыре «основных элемента» - земля, огонь, воздух и вода.

Позже к этим принципам  и элементам Аристотеля алхимики добавили растворимость (соль), горючесть (серу) и металличность (ртуть). Видно, что в качестве новых элементов выбраны наиболее доступные и известные в то время вещества.

Дошедшие до нас сочинения  европейских алхимиков написаны туманным языком, и химия в них  переплетена с мистикой. Вот один из примеров рецепта изготовления «философского камня»: _{«Мы соединяем, т.е. делаем А из тела и Меркурия. Мы подвергаем гноению и перевариванию при двойном жаре сказанное А. После того как оно сгноено и переварено, мы его разрешаем. После разрешения мы его отделяем и разделяем. После отделения и разделения мы его очищаем и чистим».} Что такое А или тело ничего в рецепте не сказано…

Точной наукой наука  о веществах и их взаимодействиях  стала после того, как в середине XVIII века был сформулирован закон сохранения массы – масса всех веществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако, скорее всего, Ломоносов первым в 1748 году точно сформулировал его в письме Л. Эйлеру: _{«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько у одного тела отнимается, то столько же присовокупляется к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей общий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущееся своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».}

Таким образом, в середине XVIII века в практике исследования вещества появились точные количественные методы.

Позже установлен закон постоянства состава – каждое химическое соединение имеет вполне определённый и постоянный состав. Т.е. состав химического соединения не зависит от способа его получения.

Это дало возможность  Дж. Дальтону в 1803 году сформулировать закон кратных отношений, утверждающий, что элементы входят в соединение некоторыми порциями, и сделать вывод о дискретном строении вещества.   Именно Дальтон ввёл в современную науку представление об атомах как мельчайших частицах, из которых образованы все вещества.

Заметим, что одним  из самых древних теоретических  представлений, существующих в современной науке, является представление об атомном строении вещества.

В некоторых странах  Азии оно существовало более чем  за 1000 лет до н.э.. Влияние этих идей дошло, возможно, до Древней Греции и в V веке до н.э. древнегреческие философы Левкипп и Демокрит сформулировали вывод о невозможности бесконечного деления вещества на всё более мелкие части. В конечном счёте, полагали они, получатся настолько маленькие частицы, что дальнейшее деление будет невозможным. Существует большое разнообразие подобных частиц, из которых сделаны различные вещества. И при соединении различных частиц получаются новые вещества. По-гречески «atomos» неделимый (от «temnein» - рассекать, резать и отрицания «а»). Поэтому частички, которые нельзя больше разделить, назвали атомами. В Древней Греции эти представления  не получили распространения. Аристотель являлся их рьяным противником, и атомарным представлениям о строении вещества пришлось ждать признания более 2000 лет. (Заметим, что в конце XIX ВЕКА Беккерель показал, что, и атом не является неделимым…)

Несколько слов о терминологии.

Когда мы говорим о веществе (чистом веществе), то тем самым указываем  на то, что оно обладает однородными  свойствами. При этом чистые вещества могут быть двух типов: те, которые  разлагаются, и те, которые не разлагаются после которых воздействие на какие либо новые вещества. Например, сравним, железо, кислород, водород и окись железа, воду, перекись водорода.

Первые вещества – элементы, вторые – соединения. Сегодня известно 92 стабильных элемента и многие сотни тысяч чистых веществ, построенных из них. Существуют тысячи минералов, десятки тысяч неорганических и, особенно, органических соединений, неисчислимое количество сплавов.

Всё разнообразие веществ возникает  из сложного, но повторяющегося сочетание мельчайших составных частиц – атомов (точно так же все книги суть набор нескольких десятков символов, собранных огромным разнообразием способов).

Попытки создания систематики  химических элементов начались сразу  после освоения наукой понятия об атомах. Однако только Д.И. Менделееву удалось обнаружить закон, позволивший не только систематизировать все известные на тот момент (1869г.) химические элементы, но и предсказать существование новых. В 1870 году подобную систематику создал немецкий учёный Ю.Л. Майер.

Созданная систематика  позволила предсказать свойства элементов с вероятными атомными весами 44,68,72. В 1875 был открыт галлий (атомный вес 69.7), в 1879 – скандий (атомный  вес 45.1), в 1886 – германий (атомный  вес 72.6). В 1893 году был открыт аргон, которому не было места в периодической системе Менделеева. И лишь после обнаружения на Земле гелия и открытия других инертных газов стало ясно, что они образуют новую группу периодической системы. Это ещё раз подтвердило строгость периодической системы Менделеева.

В то же время Менделеев  писал: «…мы  не понимаем причины периодического закона…». Он просто раскладывал пасьянс, основанный на известных свойствах химических элементов. И только после выяснения строения атомов был вскрыт физический смысл обнаруженных им закономерностей.

Атомы 92 видов стабильны (до урана) и обладают различными свойствами. С одной стороны одни из них  образуют газы, другие – металлы. Одни способны легко образовывать химические соединения, другие

(благородные газы) почти никогда не дают соединений.

В то же время все атомы  имеют примерно одинаковый размер. Действительно, мы знаем, что в 1см³ вещества содержится около 10²³ молекул (атомов для одноатомных веществ). Тогда на один атом приходится объём около 10^-23_см³ и размер атома (кубический корень из объёма) близок 10^-8_см.

Но что мы знаем  о внутреннем строении атома?

Из опыта известно, что любой предмет может быть заряжен электричеством одного или  другого вида. Мы называем эти два  вида положительным или отрицательным  зарядом. Но в этих названиях не отражено ничего принципиального. Просто мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются – это следует из эксперимента.

Эксперимент же показывает, что незаряженное тело просто содержит в себе равные количества положительных и отрицательных зарядов. В этом состоит одно из величайших открытий физики.

Мы обнаруживаем, что  эти заряды могут перемещаться в  веществе. За проводимость металлов ответственны электроны. Ещё в Древней Греции было замечено, что если потереть янтарь (греч. «Electron») кусочком ткани, то он приобретает свойство притягивать шерстинки. Именно поэтому в 1891 году для обозначения единицы минимального количества электричества был введён термин «электрон». Элементарная частица, называемая сегодня электроном, открыта Дж. Томсоном в 1897г.

Заметим, что когда мы трём поверхность  янтаря или иного непроводящего  материала (диэлектрика )шерстью, тканью, мы вовсе не «сдираем» электроны  с электронных оболочек атомов. Мы просто снимаем поверхностные заряды, «грязь», экранирующие неоднородный поверхностный заряд диэлектрика (его поляризацию).

Итак, к концу XIX века стало известно, что существуют положительные и отрицательные заряды и всё вещество построено из них. Минимальная «порция» вещества – атом. Следовательно, и атом должен состоять из положительных и отрицательных зарядов. И, по существующим на этот момент желе (пудинга с изюмом), в котором смешаны положительные и отрицательные заряды, и разделить их нельзя (модель Томсона, 1904г.)

Решающий эксперимент по проверке верности этой модели был проделан в 1910 году Э. Резерфордом, Х. Гейгером и Р. Марсденом. α – частицы (ядра гелия, имеющие положительный заряд), возникающие при радиоактивном распаде, направляли на тонкую золотую фольгу и наблюдали, как изменится направление их движения после прохождения через металл. Если верна модель «желе», то α – частицы  не должны отклоняться от первоначального направления. Если же электрический заряд по атому расположен неравномерно, то α – частицы должны были бы по-разному отклоняться  неоднородностями электрического заряда.

Было обнаружено совершенно неожиданное явление – некоторые  α – частицы отклонялись от первоначального направления настолько  сильно, что возвращались практически  к источнику α – частиц (таблица 1).

Таблица 1

Результаты  одного из экспериментов

по наблюдению рассеивания α – частиц золотой  фольгой

В таблице 1 приведены  результаты одного из экспериментов. Заметим, что все эти эксперименты с помощью глаза – экспериментатор в тёмной комнате наблюдал вспышки на экране из вещества, дающего вспышки при попадании на него α – частиц. (При адаптации к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны). Представьте себе, насколько трудоёмок этот эксперимент и обратите внимание, что ключевыми для возникших на основании этих экспериментов современных представлений об атомах являются события (отклонения на очень большие углы), возникающие крайне редко.

Резерфорд следующим  образом вспоминал свою первую реакцию  на эти результаты: «… Я помню… ко мне пришёл очень взволнованный Гейгер и сказал: «Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния α – частиц назад…» Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись, попал бы в вас. При анализе я понял, что такое рассеяние должно быть результатом однократного столкновения и, произведя расчёты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, котором сосредоточен заряд.»

Заметим, что ещё в 1887 году, за 10 лет до открытия электрона  и почти за 30 лет до работ Резерфорда, выдающийся русский физик П.Н. Столетов в дневнике писал: «… Каждый атом всякого нашего первичного элемента (Н, О, В_а…) представляет собой полную солнечную систему, то есть состоит из различных атомопланет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Периоды движения весьма кратковременны…». Пример удивительной прозорливости выдающегося учёного.