Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Итальянский ученый Амедео Авогадро (1776-1856) предложил другой метод определения атомной массы, основанный на измерении объемов газов, которые вступают в реакцию. С другой стороны, Луи Жозеф Гей-Люссак (1778-1850) заметил, что в реакциях между газообразными веществами пропорции объемов, вступающих в реакцию, всегда простые — 1:1, 2:1 или 3:1. Например, в случае с водой два объема водорода приходятся на каждый объем кислорода. Авогадро предположил, что число молекул каждого объема газа всегда одно и то же, независимо от типа газа. Это единственная гипотеза, совместимая с наблюдениями Гей-Люссака. Однако если это так, то реакция для образования воды — уже не соединение одного атома водорода с одним атомом кислорода, а двух с одним. То есть масса кислорода приближается к 16, это в два раза больше, чем предлагал Дальтон.

Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, и получается два объема воды. Если гипотеза Авогадро об одинаковом числе молекул одинакового объема газов верна, то кое-что не сходится. Один объем кислорода дает два объема воды, то есть каждая молекула кислорода дает две молекулы воды. Это возможно, только если молекулы чистого кислорода состоят из двух атомов кислорода и каждый из них дает одну молекулу воды. Все это абсолютно очевидно сегодня, когда мы привыкли говорить о воде как об Н20, но в начале XIX века это было рискованное предположение.

Гипотезы Авогадро не были широко известны, пока Станислао Канниццаро (1826-1910) вновь не озвучил их на Съезде в Карлсруэ. И вот оказалось возможным составить новую систему атомных масс и одновременно ввести различие между элементом, молекулой и атомом. Это разделение оказалось ключевым в работе Дмитрия Менделеева (1834-1907). В 1867 году Менделеев получил должность профессора химии Санкт-Петербургского университета и читал общую химию студентам первого курса. Однако он столкнулся с отсутствием книг на русском языке, в которых были бы изложены новшества, введенные на Съезде в Карлсруэ, так что Менделеев решил написать собственный трактат. В середине XIX века сделать это было непросто. Было известно 63 химических элемента, и требовалось найти какой-нибудь способ классифицировать их. Менделеев не был удовлетворен обычной классификацией в соответствии с химическими свойствами и сделал ставку на классификацию химических элементов в зависимости от их атомной массы.

В двухтомнике «Основы химии*, написанном Менделеевым в 1868 и 1869 годах, довольно четко прослеживается развитие его мысли в тот период. Вначале классификация элементов в соответствии с массой была дидактическим инструментом. Но работая над вторым томом, Менделеев обратил внимание, что свойства элементов тесно связаны с позицией, которую они занимают в этой классификации. Упорядочивание по возрастанию масс также открывало определенную модель, в которой химические свойства повторялись. Если по горизонтали порядок выражал рост массы, то по вертикали приводились основные химические свойства.

Периодическая таблица в том виде, в каком Менделеев опубликовал ее в 1871 году. Химик включил известные на тот момент элементы и оставил свободные места, которые понадобились для открытых в дальнейшем веществ, поскольку каждая клетка соответствует элементу с определенными свойствами.

Сегодня периодическая таблица элементов есть во всех химических аудиториях, лабораториях, учебниках для средней школы... Это упорядочивание символов по рядам и столбцам дает, даже на первый взгляд, много информации о химических свойствах элементов. Только зная, в каком месте таблицы находится конкретное вещество, мы определяем, является ли оно металлом, благородным газом, щелочным веществом и так далее. Положение элемента в таблице также предоставляет данные о распределении электронов на периферии атомов.

Естественно, в середине XIX века такая классификация была невозможна, поскольку если и допускалось существование атомов, то абсолютно простых, не обладающих структурой. Периодическая таблица — пожалуй, самое полезное, лаконичное и содержательное дидактическое изобретение в истории науки.

Каково было отношение Менделеева к атому? Как и большинство химиков того времени, он принимал сам термин, но не верил в реальность атома как дискретной частицы материи. Говоря об атомах, химик подразумевал, что вещества вступают друг с другом в реакцию в определенных отношениях. Для Менделеева атом кислорода или водорода — минимальное количество этого вещества, причем необязательно его минимальная физическая структура. Есть некая ирония в том, что классификация Менделеева, так повлиявшая на принятие реальности атомов, была разработана в контексте скептического отношения к их существованию.

Реальность атомов была одной из самых обсуждаемых тем в XIX веке. Главный вопрос состоял в том, до какой степени атомная теория является научной. Проблема была довольно серьезной, потому что ни Дальтон, ни Менделеев собственно атом не открыли. Атомная теория имела несомненную ценность ввиду ее успеха в объяснениях и косвенных проверках, но она не была окончательно доказана. Таким образом, во второй половине XIX века в дискуссии вокруг реального существования атомов наступил один из кульминационных моментов. В центре полемики была философская позиция о природе и методе науки, известная как позитивизм.

Сам термин ввел французский философ Опост Конт (1798-1857), и главный тезис заключался в том, что научный метод и, следовательно, любое знание основываются только на эмпирических наблюдениях. То есть «если я этого не вижу, я в это не верю». Позитивизм стремился искоренить любые философские и теологические предположения, не связанные с наблюдаемыми фактами. Реальным считалось только то, что было очевидно, все остальное переводилось в область субъективизма, относительности и бессмыслицы. Наука же воспринималась как единственное ценное знание, гарант истины о мире и прогрессе человечества.

Позитивистский миф основательно утвердился, и даже сегодня кто-то полагает, что только научное знание серьезное, ценное и истинное, но господство данного философского подхода положило бы конец собственно научному прогрессу. Полемика вокруг атомов в XIX веке — хороший пример сложности научной деятельности и того, насколько недальновидно считать, что наука основана только на ощутимых наблюдениях. Ведь ни Дальтон, ни Менделеев не наблюдали атомы напрямую, они лишь догадались об их существовании по косвенным проявлениям, пропорциям химических веществ.

Другие свидетельства возможного существования атомов пришли из новой области физики, которая формировалась в течение XIX века,— из термодинамики. Интереснейшая научная и философская проблема заключается в связи между научными понятиями и обывательскими представлениями о явлениях. Так, хотя у всех нас есть представление о том, что такое тепло, нелегко дать ему ясное и точное определение. История научной мысли предлагает несколько ответов, но самой популярной в XVIII веке была теория теплорода. Согласно этой теории, тепло — это вид вещества (как флюид), которое передается от теплых тел холодным. «Обладать большим теплом* означало именно это: иметь больше вещества под названием теплород. Однако постепенно в отношении данной теории стали закрадываться сомнения. Известно замечание Бенджамина Томпсона (1753-1814) о том, что количество тепла, которое может быть передано трением, внешне неограниченно. Будучи военным инженером, он наблюдал за изготовлением пушек и заметил, что количество тепла, выделяющееся при пробуравливании металла, пропорционально трению, которому подвергается металл. Казалось, что тепло каким-то образом связано с движением.

Твердое тело (форма и объем неизменны)

Жидкость (форма сосуда и неизменный объем)

Газ (форма и объем сосуда)

Кинетическая теория газов приписывает такие свойства, как тепло или давление, движению каждого из атомов, образующих газ, и их со стенками сосуда, его содержащего.

В 1857 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822- 1888), работавший в университете Цюриха и уже несколько лет изучавший это явление, опубликовал статью «О роде движения, который мы называем теплотой». На основе механического представления о том, что газы состоят из крошечных атомов, Клаузиус разработал теорию, согласно которой температура и давление на стенки сосуда, содержащего газ, — это результат движения атомов. Точнее, температура — это всего лишь статистическое проявление кинетической энергии атомов, которые образуют газ. Эта теория известна как «кинетическая теория газов».

Предложение Клаузиуса нашло отклик среди молодых ученых. Особо следует выделить работу британца Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879), который сделал важное уточнение. Максвелл считал, что не только средняя скорость атомов влияет на температуру и давление газа, но также и его распределение скоростей, то есть число атомов, которые в определенный момент имеют скорость выше или ниже средней. Статьи Клаузиуса и Максвелла вызвали крупную дискуссию о справедливости кинетической теории газов и дали толчок научной карьере другой значительной фигуры в физике, австрийца Людвига Больцмана(1844-1906).