Cun átomo a través dos tempos - parte 1

O século pasado é frecuentemente referido como a "idade do átomo". Nese momento non moi afastado, por fin comprobouse a existencia dos "ladrillos" que conforman o mundo que nos rodea, e soltáronse as forzas que neles dormían. Non obstante, a idea do átomo en si ten unha historia moi longa, e a historia do coñecemento da estrutura da materia non pode comezar doutro xeito que con palabras referidas á antigüidade.

1. Un fragmento do fresco de Rafael "A escola de Atenas", que representa a Platón (á dereita, o filósofo ten os trazos de Leonardo da Vinci) e Aristóteles

"Xa vello..."

… os filósofos chegaron á conclusión de que toda a natureza consiste en partículas imperceptiblemente pequenas. Por suposto, nese momento (e durante moito tempo despois) os científicos non tiveron a oportunidade de probar as súas suposicións. Só foron un intento de explicar as observacións da natureza e responder á pregunta: "Pode a materia decaer indefinidamente, ou hai fin coa fisión?«

Déronse respostas en varios círculos culturais (principalmente na antiga India), pero o desenvolvemento da ciencia estivo influenciado polos estudos dos filósofos gregos. Nos números de vacacións do ano pasado de "Técnico novo", os lectores coñeceron a historia centenaria do descubrimento de elementos ("Perigos cos elementos", MT 7-9/2014), que tamén comezou na antiga Grecia. Alá polo século VII a.C., o principal compoñente do que se constrúe a materia (elemento, elemento) buscábase en diversas substancias: auga (Tales), aire (Anaxímenes), lume (Heráclito) ou terra (Xenófanes).

Empédocles reconciliounos todos, declarando que a materia non consta dun, senón de catro elementos. Aristóteles (século I a.C.) engadiu outra substancia ideal - éter, que enche todo o universo, e declarou a posibilidade de transformación dos elementos. Por outra banda, a Terra, situada no centro do universo, foi observada polo ceo, que sempre estivo inalterado. Grazas á autoridade de Aristóteles, esta teoría da estrutura da materia e do conxunto foi considerada correcta durante máis de dous mil anos. Converteuse, entre outras cousas, na base para o desenvolvemento da alquimia e, polo tanto, da propia química (1).

2. Busto de Demócrito de Abdera (460-370 a.C.)

Porén, tamén se desenvolveu outra hipótese paralelamente. Leucipo (século XIX a.C.) cría que a materia estaba composta partículas moi pequenas movendo no baleiro. Os puntos de vista do filósofo foron desenvolvidos polo seu alumno - Demócrito de Abdera (c. 460-370 a. C.) (2). Chamou os "bloques" que forman átomos da materia (grego átomos = indivisible). Argumentaba que son indivisibles e inalterables, e que o seu número no universo é constante. Os átomos móvense no baleiro.

Cando átomos están conectados (por un sistema de ganchos e ollos) - fórmanse todo tipo de corpos, e cando están separados uns dos outros - os corpos son destruídos. Demócrito cría que había infinitos tipos de átomos, diferentes en forma e tamaño. As características dos átomos determinan as propiedades dunha substancia, por exemplo, o mel doce está formado por átomos lisos e o vinagre azedo está formado por angulosos; os corpos brancos forman átomos lisos, e os corpos negros forman átomos cunha superficie rugosa.

A forma de unir un material tamén afecta ás propiedades da materia: nos sólidos, os átomos están estreitamente adxacentes entre si, e nos corpos brandos sitúanse de forma solta. A quintaesencia das opinións de Demócrito é a afirmación: "De feito, só hai baleiro e átomos, todo o demais é unha ilusión".

Nos séculos posteriores, os puntos de vista de Demócrito foron desenvolvidos por sucesivos filósofos, tamén se atopan algunhas referencias nos escritos de Platón. Epicuro -un dos sucesores- mesmo cría iso átomos consisten en compoñentes aínda máis pequenos (“partículas elementais”). Porén, a teoría atomística da estrutura da materia perdeuse ante os elementos de Aristóteles. A clave -xa entón- atopábase na experiencia. Ata que houbo ferramentas para confirmar a existencia dos átomos, as transformacións dos elementos foron facilmente observadas.

Por exemplo: cando se quentaba a auga (elemento frío e húmido), obtíñase aire (vapor quente e húmido) e quedaba terra no fondo do recipiente (precipitación fría e seca de substancias disoltas na auga). As propiedades que faltaban -calor e sequedade- foron proporcionadas polo lume, que quentou a embarcación.

Invariancia e constante número de átomos tamén contradín as observacións, xa que se pensaba que os microbios xurdiron "da nada" ata o século XIX. Os puntos de vista de Demócrito non proporcionaron ningunha base para experimentos alquímicos relacionados coa transformación dos metais. Tamén era difícil imaxinar e estudar a infinita variedade de tipos de átomos. A teoría elemental parecía moito máis sinxela e explicaba de forma máis convincente o mundo circundante.

3. Retrato de Robert Boyle (1627–1691) de J. Kerseboom.

Caída e renacemento

Durante séculos, a teoría atómica estivo á marxe da ciencia convencional. Non obstante, finalmente non morreu, as súas ideas sobreviviron, chegando aos científicos europeos en forma de traducións filosóficas árabes de escritos antigos. Co desenvolvemento do coñecemento humano, os fundamentos da teoría de Aristóteles comezaron a desmoronarse. O sistema heliocéntrico de Nicolás Copérnico, as primeiras observacións de supernovas (Tycho de Brache) xurdidas da nada, o descubrimento das leis do movemento dos planetas (Johannes Kepler) e as lúas de Xúpiter (Galileo) fixeron que nos séculos XVI e XVII. séculos, a xente deixou de vivir baixo o ceo sen cambios desde o principio do mundo. Na terra tamén foi o fin das opinións de Aristóteles.

Os intentos centenarios dos alquimistas non deron os resultados esperados: non lograron converter os metais comúns en ouro. Cada vez son máis os científicos que cuestionaban a existencia dos propios elementos, e lembraban a teoría de Demócrito.

4. O experimento de 1654 cos hemisferios de Magdeburgo demostrou a existencia do baleiro e da presión atmosférica (¡16 cabalos non poden romper os hemisferios veciños dos que se bombeou aire!)

Robert Boyle en 1661 deu unha definición práctica dun elemento químico como unha substancia que non se pode descompoñer nos seus compoñentes mediante análise química (3). Cría que a materia estaba formada por partículas pequenas, sólidas e indivisibles que difieren en forma e tamaño. Combinando, forman moléculas de compostos químicos que compoñen a materia.

Boyle chamou a estas partículas diminutas corpúsculos ou "corpúsculos" (un diminutivo da palabra latina corpus = corpo). As opinións de Boyle víronse, sen dúbida, influenciadas pola invención da bomba de baleiro (Otto von Guericke, 1650) e pola mellora das bombas de pistón para comprimir o aire. A existencia dun baleiro e a posibilidade de modificar a distancia (como resultado da compresión) entre as partículas de aire testemuñan a favor da teoría de Demócrito (4).

O máis grande científico da época, Sir Isaac Newton, tamén era un científico atómico. (5). Baseándose nas opinións de Boyle, presentou unha hipótese sobre a fusión do corpo en formacións máis grandes. En lugar do antigo sistema de ojales e ganchos, o seu atado era -como senón- pola gravidade.

5. Retrato de Sir Isaac Newton (1642-1727), de G. Kneller.

Así, Newton uniu as interaccións en todo o Universo: unha forza controlaba tanto o movemento dos planetas como a estrutura dos compoñentes máis pequenos da materia. O científico cría que a luz tamén estaba formada por corpúsculos.

Hoxe sabemos que tiña "a metade da razón": numerosas interaccións entre a radiación e a materia explícanse polo fluxo de fotóns.

A química entra en xogo

Ata case finais do século XNUMX, os átomos eran prerrogativa dos físicos. Non obstante, foi a revolución química iniciada por Antoine Lavoisier a que fixo aceptar xeralmente a idea da estrutura granular da materia.

O descubrimento da complexa estrutura dos elementos antigos -auga e aire- refutou finalmente a teoría de Aristóteles. A finais do século XVIII a lei de conservación da masa e a crenza na imposibilidade da transformación dos elementos tampouco suscitaron obxeccións. As balanzas convertéronse en equipamento estándar no laboratorio químico.

6. John Dalton (1766-1844)

Grazas ao seu uso, notouse que os elementos combínanse entre si, formando certos compostos químicos en proporcións de masa constantes (independentemente da súa orixe -natural ou obtida artificialmente- e do método de síntese).

Esta observación fíxose facilmente explicable se asumimos que a materia está formada por partes indivisibles que forman un único todo. átomos. O creador da moderna teoría do átomo, John Dalton (1766-1844) (6), seguiu este camiño. Un científico en 1808 afirmou que:

1. Os átomos son indestrutíbeis e inmutables (isto, por suposto, descartaba a posibilidade de transformacións alquímicas).
2. Toda a materia está formada por átomos indivisibles.
3. Todos os átomos dun elemento dado son iguais, é dicir, teñen a mesma forma, masa e propiedades. Non obstante, os diferentes elementos están formados por átomos diferentes.
4. Nas reaccións químicas, só cambia a forma de unir os átomos, a partir do cal se constrúen moléculas de compostos químicos, en certas proporcións (7).

Outro descubrimento, baseado tamén na observación do curso dos cambios químicos, foi a hipótese do físico italiano Amadeo Avogadro. O científico chegou á conclusión de que volumes iguais de gases nas mesmas condicións (presión e temperatura) conteñen o mesmo número de moléculas. Este descubrimento permitiu establecer as fórmulas de moitos compostos químicos e determinar as masas átomos.

7. Símbolos atómicos utilizados por Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Sólidos platónicos - símbolos dos átomos dos "elementos" antigos (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Cantas veces hai que cortar?

A aparición da idea do átomo estivo asociada coa pregunta: "Hai un fin á división da materia?". Por exemplo, collemos unha mazá de 10 cm de diámetro e un coitelo e comezamos a cortar a froita. Primeiro, pola metade, despois media mazá en dúas partes máis (paralelas ao corte anterior), etc. Despois dunhas veces, por suposto, remataremos, pero nada nos impide continuar o experimento na imaxinación dun átomo? Mil, un millón, quizais máis?

Despois de comer unha mazá en rodajas (¡delicioso!), Imos comezar os cálculos (os que coñezan o concepto dunha progresión xeométrica terán menos problemas). A primeira división daranos a metade da froita cun grosor de 5 cm, o seguinte corte daranos unha rebanada de 2,5 cm de grosor, etc... 10 batidas! Polo tanto, o "camiño" ao mundo dos átomos non é longo.

*) Usa un coitelo cunha folla infinitamente fina. De feito, tal obxecto non existe, pero dado que Albert Einstein nas súas investigacións consideraba que os trens se movían á velocidade da luz, tamén se nos permite -para os efectos dun experimento mental- facer a suposición anterior.

Átomos platónicos

Platón, unha das máis grandes mentes da antigüidade, describiu os átomos dos que ían estar compostos os elementos no diálogo de Timachos. Estas formacións tiñan a forma de poliedros regulares (sólidos platónicos). Entón, o tetraedro era un átomo de lume (como o máis pequeno e volátil), o octaedro era un átomo de aire e o icosaedro era un átomo de auga (todos os sólidos teñen paredes de triángulos equiláteros). Un cubo de cadrados é un átomo da Terra e un dodecaedro de pentágonos é un átomo dun elemento ideal: o éter celeste (8).