Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

В конечном счете теория Аристотеля о четырех элементах, как и теория tria prima Парацельса, уступят место более совершенным моделям, а древние атомные теории Демокрита и Эпикура наконец получат свое признание. Алхимия уступит место химии, когда экспериментальные методики, которым она дала жизнь, откроют дорогу рациональной разработке экспериментов. Более того, механистическая философия даст основу всем этим вещам, когда новое поколение ученых уверует, что природу действительно можно понять рационально, как устройство, функционирующее по определенными законам – как мировую машину.





Глава 11

Природа атомов

Физические основы устройства атомов




В течение XVIII века слова «частица», «корпускула», «элемент» и «атом» использовали как синонимы для обозначения строительных блоков вещества. Фактически с тех пор, как 2000 лет назад появилась теория Демокрита, никаких новых догадок о том, что такое атом, не было. Для химика атом как мельчайшая частица вещества был концептуально симпатичен, однако не помогал приблизиться к пониманию его главной заботы: как в материи протекают разные реакции.

Представьте на мгновение, что вы химик конца XVIII века, который работает с реагентами, смешивает их, смотрит, как они взаимодействуют, как протекает химическая реакция, создает новые вещества. Как понимание того, что атом – мельчайшая составная частица материи, поможет вам объяснить протекание химической реакции, которую вы только что наблюдали?

Для многих химиков того времени атом не играл значительной роли в их каждодневных экспериментах. Несомненно, химики нарисовали бы «схемы, где присутствует атом». Однако для большинства химиков они были не более чем инструментом визуализации, полезным в организации размышлений о химической реакции, но не дающим подробного объяснения процесса. Чего химики действительно желали, так это объяснения огромного количества экспериментальных данных.

Как знание об атоме (если бы даже оно существовало) на самом деле могло предоставить такую информацию? Более того, если бы атом был действительно самой маленькой, неделимой частью материи, как бы вы поняли это? Сколько бы он весил? Есть ли различные типы атомов? Вот над чем размышляли некоторые химики.

Со всеми этими атомными теориями, блуждающими вокруг, атом вносил очень мало определенности и предлагал больше путаницы, чем ясности. Было крайне нужно найти путь к ответам на некоторые из этих вопросов. Первое ощущение ясности пришло с уточнением атомного понятия под названием «элемент».





Элементы и атомы




В 1661 году Роберт Бойль написал свою главную работу «Скептический химик». В ней он жестко критикует теории элементов Аристотеля и Парацельса. Что важнее, он предложил идею элемента как чего-то, что нельзя дальше разделить посредством каких бы то ни было экспериментов[145]:

«…определенные простые и примитивные или совершенно однородные тела; которые не состоят из каких-либо иных тел, или друг друга, являются компонентами, из которых состоят все эти так называемые идеально смешанные тела и на которые они в конечном счете распадаются».

Более ста лет спустя, в 1789 году, Антуан Лавуазье повторяет это в «Элементарном трактате о химии»:

«Если мы будем использовать термин “элементы”, чтобы выразить нашу идею о последней точке, которую [химический] анализ может достигнуть, мы должны признать элементами все вещества, до которых мы можем любыми средствами низвести тела в процессе распада».

Конечно, речь шла о средствах, доступных в то время. Таким образом, смогут ли будущие поколения ученых разработать новые методы дальнейшего разделения этих вещей, которые они назвали элементами, показало бы только время. Однако это не было первоочередной проблемой, и не должно было быть. Вот как Лавуазье продолжает:

«Не то чтобы мы наделены правом утверждать, что эти вещества, которые мы рассматриваем как простые, не могут состоять из двух или даже большего количества [элементов]; но, раз эти [элементы] нельзя разделить, или раз мы до настоящего времени не обнаружили средства их разделить, для нас они выполняют роль простых веществ, и мы ни в коем случае не должны считать их составными, пока эксперименты и наблюдения не докажут, что это так».

Лавуазье знал, что в будущем то, что в его время называли элементами, может на самом деле оказаться более сложными веществами. Эти вещества, будучи разделенными при помощи новых методов, наконец показали бы, из чего же состоят вещества. Однако важно определение элемента, которое дают Бойль и Лавуазье.

Как уже упоминалось, тогда понятие атома было расплывчатым. Но, дав атомам физическую индивидуальность, концепция элемента начала расчищать путь. Элемент – это атом определенного типа, это действительно так просто.

Уникальные особенности атома, зависящие от его элемента, определяют то, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Наши знания об этих взаимодействиях дают нам основу понимания химических реакций, и именно через эти химические реакции вещество «создается» и «разрушается».

По состоянию на август 2018 года мы знаем о 126 элементах, тогда как Лавуазье в «Элементарном трактате по химии», изданном в 1789 году, определил тридцать три, среди которых были теплород и свет. Он включал и известные сегодня элементы: кислород, азот и водород. Были и другие элементы, с которыми мы знакомы сегодня, – золото, серебро, железо, медь, олово и ртуть.





Как объединяются элементы




В 1789 году Лавуазье показал, что общая масса (или вещество) сохраняется – она не изменяется от начала до конца химической реакции[146]. Другими словами, если вы тщательно взвесите исходные материалы (реагенты) и получите значение, равное одному грамму, сумма конечных материалов (продуктов), после того как химическая реакция закончилась, тоже будет равняться одному грамму[147]. Все очень просто. В ходе химической реакции никакая масса не прирастает, никакая масса не исчезает. Так что же именно происходит?

По-видимому, «вещи» просто «реорганизовывают» себя. В конце концов, если ничего не теряется и не появляется, но то, что вы получили на выходе, отличается от того, что было в начале, – значит, вещи каким-то образом переставляются, верно?

Давайте рассмотрим эту ситуацию на примере карт. Скажем, у нас есть совершенно новая колода карт, прямо из пакета (исходные материалы, или реагенты), и теперь мы перетасовываем колоду карт (химическая реакция) и получаем как бы новую колоду (конечный продукт). Очевидно, эта новая вещь – просто измененная колода карт. То есть никакие карты не были потеряны или добавлены в нее (если я только не хочу сжульничать в карточной игре); скорее, просто порядок карт поменялся.

Так, химическая реакция подобна колоде перетасовываемых карт. Джон Дальтон (1766–1844) пришел к заключению, что как меняют порядок предметы, так меняют порядок и атомы элементов, составляющие исходные материалы. Таким образом, закономерно возникает следующий вопрос: если мы хотим провести химическую реакцию, сколько исходных материалов необходимо, чтобы получить желаемые конечные материалы?

Другими словами, действительно ли важно реальное количество, или нужна какая-либо сумма перемешанных друг с другом исходных материалов, чтобы получить желаемый конечный материал? Возможно, химические реакции похожи на кулинарию, где вы просто добавляете «часть» этого или «немного» того. Клод Луи Бертолле (1748–1822), ученик Лавуазье, думал именно так.

Когда вы готовите яблочный пирог, вы можете использовать пять яблок, шесть яблок и так далее, но большинство из нас просто назовет его «яблочным пирогом», не описывая его как «яблочный пирог из пяти яблок» или «яблочный пирог из шести яблок». Бертолле именно так представлял, что элементы объединяются в ходе химической реакции при создании нового соединения.


Бертолле был уважаемым ученым, идеи которого имели вес в научном сообществе на рубеже XIX века. Он полагал, что элементам, составляющим сложное вещество, не нужно находиться в определенных соотношениях друг с другом, они могут браться в различных пропорциях, и в результате получится та же самая смесь продуктов – тот же самый «яблочный пирог». Кроме того, по данным Бертолле, соотношения количеств элементов в соединении определены количествами используемых исходных материалов. Поэтому, если исходные материалы подобраны так, что некоторые элементы используются в бо2льших количествах, чем другие элементы, у конечного продукта реакции в составе так же будет больше элементов. Как и в кулинарии, если в рецепт добавить больше сахара, блюдо будет слаще.

Эта концепция не устраивала Жозефа Луи Пруста (1754–1826), он не считал химию кулинарным искусством. Пруст провел детальные исследования в хорошо оборудованной лаборатории и обнаружил, что формирующие определенное вещество элементы не находятся друг с другом в переменных пропорциях, а эти соотношения фиксированы. Таким образом, различные соотношения тех же самых элементов дают в результате разные соединения, а не просто вариации одного и того же соединения, как считал Бертолле, – таким образом, действительно имеет значение, используете ли вы пять яблок или шесть. Пруст объясняет это так:

«…свойства соединений неизменны, пока неизменна пропорция составляющих их элементов. В этих двух аспектах они идентичны. Вследствие смены агрегатного состояния этих веществ может измениться их внешний вид, но не свойства».

В 1799 году Пруст ввел закон постоянства состава и затем до 1808 года спорил по этому поводу с Бертолле, пока тот наконец не сдался. Возможно, Бертолле пришел к своим заключениям, анализируя нечистые вещества и смеси. У закона постоянства состава, или закона Пруста, есть несколько далеко идущих выводов, как мы увидим через минуту. Однако одно нужно отметить: готовите ли вы вещество в лаборатории или же находите в природе, соотношения в нем элементов, которые нужны для этого соединения, в обоих случаях одни и те же; метод изготовления данного соединения не меняет его химический состав.

Теперь это может показаться тривиальным, но в начале XIX века это не было общепринятой истиной, и исследование Пруста и других убедили нас в этом важном факте. Закон постоянства состава и закон сохранения Лавуазье сформировали основу, на которой Дальтон начал работать со своей атомной теорией.





Современная атомная теория: начало




Джон Дальтон, сын ткача, родился в семье квакера в Иглесфилде, Камберленд, в Англии. Когда ему было двенадцать, школу, в которой он учился, передали его старшему брату, который позвал Джона помогать в обучении; два года спустя братья купили свою школу.

В 1793 году Дальтон переехал в Манчестер, чтобы преподавать математику в Нью Колледже. Сначала Дальтона заинтересовала метеорология, и в том же году он издал «Метеорологические наблюдения и эссе». Однако у него было много научных интересов, и скоро он обратился к исследованию газов, заинтриговавших его во время исследования атмосферы Земли, являющейся смесью газов, которые мы называем воздухом.

Дальтон задался вопросом: почему экспериментальные данные его времени указывали, что атмосфера Земли была однородной? Другими словами, почему состав атмосферы мало изменялся по мере увеличения высоты? Он знал, что атмосфера Земли является смесью газов с разными плотностями. (Сегодня мы знаем, что атмосфера Земли состоит из азота на 78,09 %, кислорода на 20,95 %, аргона на 0,93 %, углекислого газа на 0,039 % и небольшого количества других газов. Воздух также содержит переменную объемную долю водяного пара в зависимости от температуры, составляющую в среднем приблизительно 1 %.) Таким образом, Дальтон ожидал, что более плотные газы будут находится ниже, в то время как менее плотные будут преобладать на больших высотах. Это и правда имело некоторый смысл.

В конце концов, нефть, смешиваясь с водой, за счет меньшей плотности поднимается вверх. Воздушный шар, заполненный гелием, летит вверх в направлении высоких слоев земной атмосферы, потому что гелий менее плотный, чем воздух. Так почему менее плотные газы не должны быть выше более плотных в атмосфере Земли? Во времена Дальтона не было известно, что это действительно так. Тем не менее это не слишком заметно на уровне нескольких миль выше Земли (на эти высоты распространялись экспериментальные данные во времена Дальтона), но становится хорошо заметно на больших высотах. Любой, кто бывал на большой высоте (возможно, вы занимались сноубордингом или пешим туризмом в горах), может засвидетельствовать, что дышать ощутимо тяжелее – из-за меньшего количества кислорода.

Так случилось, что кислород – один из наиболее плотных газов, составляющих воздух, и поэтому его содержание при удалении от поверхности Земли становится все меньше. Тем не менее такая смесь газов, как атмосфера, несколько отличается от смеси жидкостей, например нефти и воды. В то время как жидкости с разной плотностью при взаимодействии полностью расслаиваются, газообразные смеси ведут себя слегка иначе. Частицы (атомы, молекулы) газа движутся дальше и быстрее (за данный отрезок времени), чем частицы жидкости. За счет этого каждая частица подвергается приблизительно миллиарду столкновений с другими частицами каждую секунду. Как следствие, смеси газа имеют тенденцию… смешиваться. А именно, смешиваться таким образом, что частицы (более или менее) равномерно распределяются повсюду (или однородно, как мы говорили раньше), не формируя четко определенные слои, как это делают жидкие смеси.

Поэтому атмосфера Земли – однородная смесь газов, плотность которых меняется в зависимости от высоты, снижаясь на больших высотах. Вспомните, что мы говорили об идее движущихся частиц как об основе кинетической теории. Однако Дальтон просто не верил в кинетическую теорию. Он полагал, что атомы объекта остаются на месте (статическая модель вещества). Он также считал, что атомы объекта всегда находятся в прямом контакте друг с другом. Это согласовывалось с отказом Дальтона принять понятие «действия на расстоянии». Дальтон полагал, что объекты могут воздействовать друг на друга, только если они вступают в контакт.

Дальтон был не единственным, кто не признавал действия на расстоянии[148]. В самом деле, это был важный момент в формировании атомной теории Дальтона. Так как же Дальтон объяснял смешивание газов в атмосфере? На самом деле, очень просто – он пришел к выводу, что сила взаимного отталкивания[149] между частицами газа должна отвечать за их смешивание, пока они не придут в некоторое состояние равновесия, оставаясь на одном месте в тесном контакте.

Интерес Дальтона к газам, возможно, начался с его исследований атмосферы Земли, но скоро его привлекло поведение самих газов[150]. Дальтон был убежден, что растворимость газа в воде связана с весом атомов газа[151]. В результате Дальтон сконцентрировал свое внимание на определении массы атомов.

Как вы можете представить, определить массу атома не так-то просто. В конце концов, вы не видите атом, и поэтому не представляется возможным просто положить его на весы и измерить массу. Закон постоянства состава, каким его знал бы Дальтон, гласил, что когда вещи, из которых состоят вещества, объединяются, чтобы сформировать сложное вещество, они делают это в определенном соотношении.

Безусловно, закон постоянства состава не подтверждает существование атомов, но для Дальтона закон был сильным аргументом в пользу этого. Дальтон, должно быть, задавался вопросом, почему соединение может быть сформировано только таким способом, в определенных пропорциях. Он, должно быть, спрашивал себя: в чем же дело, почему эти соотношения строго зафиксированы?

В конце концов Дальтон сделал большой шаг вперед и пришел к заключению, что причиной были атомы (элементов), которые формируют вещество. Не было никаких сомнений – Дальтон полагал, что атомы являются физической основой вещества, а элемент (как мы и говорили прежде) придает атому его индивидуальность и соответствующие физические свойства. Это было смелым предположением в начале XIX века, когда большинство ученых не знали, что делать с атомами. Начав с этого, Дальтон намеревался определить атомные массы элементов.

Создание системы масс атомов было суровым испытанием в 1800 году. Дальтону нужно было сделать несколько разумных предположений, или гипотез. Во-первых, Дальтон не только решил, что закон постоянства состава подразумевает, что атомы объединяются в определенных соотношениях, но и что они делают так только в отношениях целых чисел, а не дробей. Таким образом, пропорции были бы, например, два к одному (2: 1); три к четырем (3: 4) и т. д. – не один к одной четверти (1: 1/4); половина к одной пятой (1/2: 1/5) и так далее. Причина была проста: Дальтон полагал, что атомы были неделимы:

«Вещество, пусть и может делиться множество раз, но не бесконечно. Таким образом, должна быть некоторая величина, по достижению которой дальнейшее деление вещества становится невозможным. Существование таких мельчайших частиц вещества едва ли может быть подвергнуто сомнению, хотя они, вероятно, слишком маленькие, чтобы их можно было показать, совершенствуя микроскоп».

Поэтому теория, что атомы неделимы, означает, что вы не сможете разделить их пополам на трети или четверти и т. д., следовательно, они должны объединяться в простых отношениях целых чисел. Все очень просто.

Вспомните, Лавуазье говорил, что в ходе химической реакции масса (вещество) сохраняется. Кроме того, интерпретация Дальтоном закона постоянства состава была такова: во время химической реакции атомы объединяются так, что их количества относятся как целые (не дробные) числа, чтобы сформировать сложное вещество. Определившись с этими двумя понятиями, мы можем прийти к выводу, что во время химической реакции сохраняются именно отдельные атомы; атом – дискретная единица сохранения массы в химической реакции. Другие главные заключения Дальтона о природе атомов следующие.

– Все атомы определенного химического элемента одинаковы. Понятие химических элементов, выдвинутое Бойлем и Лавуазье и получившее развитие в атомной теории Дальтона, было главным, отличавшим ее от древнегреческих атомных теорий, которые мы обсуждали ранее. Атомы формируют вещество, но не все атомы одинаковы. Скорее атомы отличаются друг от друга только тем, какой элемент они формируют – элемент «определяет» свои атомы, так сказать. Дальтон писал: «Мельчайшие частицы всех однородных тел абсолютно одинаковы по массе, форме и т. д.».

Некоторые элементы уже знакомы вам (наряду с их химическими символами), например кислород (O), водород (H), медь (Cu), свинец (Pb), золото (Au), серебро (Ag) и алюминий (Al).



– Атомы неизменны. Века неудавшихся попыток алхимиков превратить свинец в золото, несомненно, убедили Дальтона, что невозможно превратить атом одного элемента в атом другого элемента. В самом деле, вы не можете преобразовать кислород в водород. Однако сегодня мы знаем, что атомы не так уж неизменны (или вечны) – на самом деле они «разваливаются», переживая радиоактивный распад, который мы обсудим позже. Во времена Дальтона об этой особенности определенных атомов не знали, что было, вероятно, хорошо, поскольку это, скорее всего, просто запутало бы вопрос природы атомов.



– Атомы объединяются, чтобы сформировать более крупные объекты, известные как молекулы. Атомы – основополагающие частицы, из которых состоит вещество. Однако группа атомов может объединиться, чтобы сформировать нечто немного большее – не достаточно большое, чтобы быть замеченным невооруженным глазом, но большее, чем отдельный атом. Эти комбинации атомов формируют молекулы или соединения.



– В химических реакциях только перестраивается порядок атомов. Теперь мы знаем, что это связано с сохранением атомов в ходе химических реакций. Так как атомы не создаются и не разрушаются, они должны просто перестроиться («перемешаться»), чтобы сформировать молекулы. Кроме того (как только что было отмечено), они не изменяют свою природу, чтобы стать другим элементом в химической реакции.

Эти идеи сформировали систему взглядов Дальтона на атомы и позволили ему разработать собственную очень впечатляющую атомную теорию, которая выводит ряд атомных масс для различных элементов. Давайте посмотрим, как же он смог совершить этот подвиг.





Атомная масса элементов