Масса атомов. Дальтон. Атомная теория: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

1816 Избран членом Французской академии наук. В следующем году становится президентом Lit & Phil.

1822 По приглашению Аркейльского общества посещает Францию и знакомится со своими научными оппонентами и друзьями Клодом Луи Бертолле и Жозефом Луи Гей-Люссаком. Заочно избран членом Королевского Лондонского общества.

1827 Публикует второй том *Новой системы химической философии>.

1837 Дальтона частично парализует после перенесенного инфаркта.

1844 27 июля умирает в Манчестере от второго инфаркта.

ГЛАВА 1

Джон Дальтон, близкий и далекий

После состоявшихся в прошлом веке революций в химии и физике сегодня нелишне задаться вопросом: что должно было произойти, чтобы появилась атомная наука в том виде, в котором мы ее знаем сегодня? История Джона Дальтона в этом смысле невероятно красноречива, ведь наука о "самой маленькой частице" не может быть воспринята вне понятия атома — понятия, которое родилось как обычная философская абстракция.

Джон Дальтон — образец ученого, который совсем не думал о последователях. Он имел весьма скромное происхождение и добровольно подчинил свою жизнь религии — до такой степени, что так никогда и не женился и по собственной воле обрек себя на полное воздержание. Это был неутомимый труженик. У него было мало друзей и вообще не было семьи, так что вся его одинокая жизнь была посвящена исследованиям. Британское общество признало важность открытий Дальтона еще при жизни ученого, а после его смерти в 1844 году удостоило его значительных наград, что случалось в то время нечасто.

Хроники той эпохи гласят, что за гробом Дальтона шло более 40 тысяч человек и похоронная процессия растянулась больше чем на три километра. Как скромный ученый, отказавшийся от наград и почестей, смог собрать на своих похоронах такое количество людей? Чем объяснить их признательность и благодарность? Дальтон не относился к сливкам общества и не обладал властью, он не был популярной персоной в сегодняшнем смысле слова. Если верить свидетельствам его учеников, Дальтона отличал резкий, даже неприятный голос, а его манера читать лекции нагоняла скуку. Он был совершенно бесстрастен и безразличен к жизни. Новости в те годы распространялись не так стремительно, как сейчас, а Нобелевской премии еще не существовало. Она была учреждена в 1901 году и в 1908-м была присуждена новозеландскому ученому Эрнесту Резерфорду (1871-1937), которому удалось расщепить атом — частицу, считавшуюся до этого благодаря Джону Дальтону неделимой. Конечно, исследования Резерфорда относились к области физики, однако он получил Нобелевскую премию по химии, потому что довольно долгое время эти две науки были неотделимы друг от друга, едины — как самая маленькая частица, неизменяемая и неразрушимая, первичный элемент материи, по мнению Джона Дальтона.

Дальтон пользовался в обществе большим уважением, и это трудно объяснить. Вряд ли оно было связано с атомной теорией ученого, представленной главным образом в его объемном труде *Новая система химической философии", который был опубликован между 1808 и 1827 годами. Трудно поверить, что британцы и европейцы вообще стремились ознакомиться с этой теорией и с нетерпением ждали публикации труда Дальтона. Атомы не привлекали большого внимания, и лишь немногие эрудиты в Оксфорде или Кембридже слышали о философских теориях Демокрита и Левкиппа. Современников Дальтона больше волновал хлеб насущный, поскольку его не хватало, их беспокоили известия о наполеоновской экспансии, а радость вызывала новость о том, что войска герцога Веллингтона разбили армию могущественного генерала Жюно под Лиссабоном. Вовсю заявляла о себе в те времена и промышленная революция. В Великобритании практически повсеместно экономика, основанная на тяжелом ручном труде, заменялась экономикой железа и стали. Новые производственные мощности работали на угле высшего качества (антрацит использовался как топливо в США с 1808 года), что было гораздо эффективнее, нежели использование в качестве топлива древесины. Контроль температуры и давления газов был первостепенной необходимостью для первых промышленных машин, особенно для доменных печей и паровых установок. Те, кто разбирался в химии, имели право на уважение, особенно если они не принадлежали к миру академической университетской науки и способны были донести свои знания простым людям. Джон Дальтон был как раз из таких людей: он преподавал, следуя своим твердым религиозным убеждениям, а кроме того, обладал исключительным умом. Дальтон интересовался практически всеми областями научного знания и давал уроки даже самым простым людям.

В конце XVIII — начале XIX века в Англии происходили важные общественные и экономические потрясения. Целый комплекс технологических изобретений, среди которых была паровая машина Джеймса Уатта (1736-1819), привел к модернизации промышленности. Англия вообще и Манчестер в частности были впереди всего мира в сфере практического применения последних научных открытий. Ученые, инженеры и преподаватели сыграли важнейшую роль, привлекая внимание и вызывая восхищение всех социальных классов: и самых угнетенных, для кого новейшие изобретения означали облегчение тяжелого труда, и самых благополучных, кому эти же изобретения сулили значительную выгоду. Социальные перемены повлекли за собой создание рабочих мест, улучшение производства, снижение цен и повышение благосостояния. Так появился средний класс.

Первая паровая машина была создана Томасом Ньюкоменом, однако изобретение Уатта сделало ее гораздо более производительной. Уатт снабдил паровую машину Ньюкомена системой преобразования кругового движения в линейное. Основным топливом для этих машин был уголь, а Англия являлась его крупнейшим производителем. Вскоре и текстильная промышленность обзавелась подобными изобретениями, такими как ткацкий станок Джона Кея или машины Джеймса Харгривса, Сэмюэля Кромптона или Эдмунда Картрайта. Появились локомотивы, запатентованные Уаттом в 1784 году, а затем, в 1825 году, улучшенные Джорджем Стефенсоном — человеком, который построил первую железнодорожную линию, связавшую Ливерпуль со столь дорогим Дальтону Манчестером. Не заставили себя ждать и пароходы.

Паровая машина Джеймса Уатта.

Билл Брайсон (р. 1951) в своей знаменитой книге "Краткая история почти всего на свете" (изд-во Payot, 2012) рассказывает, что в 1826 году один знаменитый французский химик приехал в Манчестер, чтобы познакомиться с Джоном Дальтоном, чье имя уже гремело по всей Европе. Он ожидал обнаружить ученого в престижном Литературно-философском обществе Манчестера (Дальтон был его председателем с 1817 года до своей смерти) или же за кафедрой блестящего научного собрания, однако застал нашего героя перед детьми в маленькой школе бедного района Манчестера. Запинаясь от смущения, французский химик спросил: "Я имею честь беседовать с господином Джоном Дальтоном?" — настолько он не мог поверить в то, что человек, объясняющий маленькому мальчику элементарные правила, мог быть знаменитым химиком. "Да, это я. Не могли бы вы присесть и подождать, пока я закончу урок арифметики?" — ответил Дальтон.

Эта история напоминает легенду, связанную с именем античного философа Диогена, который утверждал, что секрет счастья заключается в простой жизни в гармонии с природой. Повстречав могущественного Александра Македонского, Диоген попросил того отодвинуться, ибо император заслонял солнечный свет. Мы можем провести некоторую параллель между аскетичной жизнью Дальтона и жизнью древнегреческих мыслителей. В этой биографии мы часто будем возвращаться к античному пониманию слова "атом" — "неделимый". И увидим тот смысл, который вложил в это понятие Дальтон.

Вся жизнь Джона Дальтона, все его труды отмечены печатью самоотречения и самопожертвования. Дальтон был квакером — членом протестантского движения, известного также как Религиозное общество Друзей. Квакеры проповедовали простую мирную жизнь, они требовали от себя неукоснительной честности, основанной на справедливости, и осудили рабство, едва узнав о нем. Квакеры отказывались от любой роскоши, особенно вне стен церкви. Они обходились без священников, наделенных правом комментировать библейские тексты, и считали, что к Богу можно обращаться напрямую. Вероятно, именно такое почти мистическое чувство, заставляющее трепетать перед силой Божества (по-английски quake — "трепетать"), испытывал Джон Дальтон, совершая каждое из своих многочисленных открытий.

Религиозная семья и крайне скромное происхождение стали слагаемыми — как атомы слагаются в молекулы — трудного детства Джона. Он родился в самой простой семье и вполне мог бы быть главным героем одного из романов своего современника Чарльза Диккенса (1812-1870). Несмотря на исповедуемые принципы и стремление к образованию, между квакерами и остальным обществом лежала пропасть. Членам этого движения, как и другим протестантам, в Великобритании был закрыт доступ в лучшие университеты, и квакеры были вынуждены создавать собственные колледжи благодаря помощи своих более благополучных в общественном и экономическом смысле последователей. Их не интересовало богатство, однако они стремились к лучшему образованию. Джон Дальтон был необыкновенно смышленым и прилежным ребенком, и когда ему исполнилось 12, наставник поручил мальчику обучать более старших детей.

В этом возрасте юный Дальтон уже собирал гербарии и коллекционировал насекомых — бабочек, улиток, червяков. Ненасытная любознательность во многом определила характер будущего ученого. Рассказывают, что он прочитал Principia mathematica Исаака Ньютона (1642-1727) — разумеется, на латыни, — а также кропотливо записывал свои наблюдения за погодой. Эти записи Дальтон будет тщательно вести в течение всей жизни, и в конце концов они приведут его к атомной теории. Из небольшого дневника ученого мы знаем также, что он точно взвешивал все, что ел, чтобы сопоставить потом вес пищи с весом выделений организма.

Возможно, было бы преувеличением считать его необыкновенным ребенком. Нельзя сказать, что он, как, например, Томас Юнг (1773-1829), научился читать в два года, или, как Блез Паскаль (1623-1662), сформулировал теоремы Евклида еще до исполнения 16 лет, или, как Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855), мог в раннем детстве исправить ошибки, допущенные в расчетах его отцом. И все же не стоит забывать, что врожденная любознательность и ум Джона Дальтона шли вразрез с семейными установлениями. Он не мог изучать медицину, хотя хотел этого, не мог поступить в университет, а всего лишь получил доступ в Литературно-философское общество Манчестера (доказав свою состоятельность и упрямство ученого), в котором и представлял свои открытия, а затем стал его председателем. Дальтон много путешествовал по всему Объединенному Королевству, посещал он и Францию, где его работы встречали единодушное признание. К сожалению, больное сердце и слабое здоровье заставили его отказаться от цикла лекций. И несмотря ни на что основы современной атомной теории были заложены. Как мы увидим, всего через полвека появятся такие гении, как Людвиг Больцман (1844-1906), Альберт Эйнштейн ( 1879-1955) и уже упоминавшийся Эрнест Резерфорд, которые экспериментально докажут реальное существование атомов. Дальтону понятие атома через незыблемые, но простые законы помогало объяснить химические взаимодействия и процесс образования молекул. Однако с точки зрения теории это понятие вызывало огромную проблему. По законам физики, особенно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона и электромагнетизма Максвелла, атомы не могли существовать. Резерфорд докажет, что атомы существуют, что они обладают чрезвычайно плотным маленьким ядром и это ядро также состоит из частиц — протонов, которые и есть атом, и нейтронов.

Это явление, открытое в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (1773-1858), стало первым экспериментальным доказательством существования молекул и, следовательно, атомов. Броун увидел в микроскоп, что плавающие на поверхности воды частицы пыльцы двигаются хаотично. Как ботаник, он сделал вывод: это явление объясняется тем, что зерна пыльцы — живые организмы. Несколькими годами ранее, в 1785 году, Ян Ингенхауз наблюдал похожее явление, растворяя частицы угля в спирте.

Роберт Броун в 1855 году.

В мае 1905 года Альберт Эйнштейн опубликовал статью под названием "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты*, в которой основывал свои расчеты на статистических методах, используемых в кинетической теории газов. Маленькие частицы пыльцы — Эйнштейн полагал, что их описание может объяснить броуновское движение, — подталкиваются тепловым движением молекул воды (которые в тысячу раз меньше частиц пыльцы). Математические расчеты Эйнштейна были подтверждены и дополнены в ходе опытов шведского ученого Теодора Сведберга (1884-1971) и особенно французского ученого Жана- Батиста Перрена (1870-1942), который за свои исследования в 1926 году был удостоен Нобелевской премии. Перрен не просто подтвердил расчеты Эйнштейна, но поставил точку в спорах о существовании атома, о котором говорил Дальтон. Именно Перрену принадлежит знаменитое высказывание об атомах: "Отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение к молекулярным гипотезам".

Точнее всего Джона Дальтона можно охарактеризовать как безгранично любознательного человека. Наставники препятствовали его склонности к изучению медицины, взывая к ложно истолкованному религиозному смирению, поэтому он с юности посвятил себя бесконечному множеству других наук. То, что атомная теория была выведена из его метеорологических наблюдений, выглядит странным в наших глазах, но не в глазах самого Дальтона (который, кстати, не мог различать некоторые цвета). Под наблюдением одного из своих первых наставников во время учебы в скромной квакерской школе в Кендале, где позже, едва достигнув 20 лет, Дальтон сам будет преподавать, мальчик начал каждый день методично записывать различные метеорологические показатели: температуру, давление, относительную влажность, скорость, силу и направление ветра, облачность и так далее. Из этих наблюдений он заключил, например, что дождь является следствием не изменения атмосферного давления, а понижения температуры. В течение 57 лет, то есть до самой своей смерти, он сделал больше 200 тысяч наблюдений. По целеустремленности и упрямству Дальтона можно сравнить с датским астрономом Тихо Браге (1546-1601), который, наряду с Николаем Коперником, Галилеем и Кеплером, считается основателем астрономии. После учебы в главных европейских университетах 16-летний Браге заявил, что необходимо пересмотреть таблицы расположения звезд, и этой задаче он посвятил 40 лет своей жизни.

Мне понадобилось много лет, чтобы принять почти маниакальную идею о том, что если хочешь достигнуть любопытных результатов, необходимо подчинить себя ежедневной дисциплине.

Джон Дальтон

Метеорология привела ученого к атомной теории. Это был длинный путь, о котором мы постараемся рассказать. Любое, даже самое незначительное явление привлекало внимание ученого. В 1788 году, например, его до такой степени поразило северное сияние, что он увлекся его изучением. Дальтон справедливо считал, что между северным сиянием и магнитным полем Земли есть связь. Он предположил, что в самых верхних слоях атмосферы должен находиться подвижный газ, обладающий теми же свойствами, что и железо. Сегодня мы знаем, что сияние возникает из-за идущих от Солнца заряженных частиц, которые попадают в атмосферу около магнитных полюсов Земли.

Большая часть этих частиц на самом деле является протонами и электронами — элементами, из которых состоит атом. Джон Дальтон был на верном пути.

Погружению в изучение газов, а потом — благодаря газам — и в атомную теорию предшествовало множество работ. Сохранились тексты Джона Дальтона о связи дождя и родников, цвете неба, отражении и преломлении света, о ботанике и других, более отдаленных от науки предметах, например подробное исследование о вспомогательных глаголах английского языка и грамматике. Дальтон был больше преподавателем, чем ученым, для него все было важным. Нет нужды говорить, что он был блестящим математиком и прекрасно разбирался в астрономии, географии и химии газов, а также в гуманитарных науках, в древнегреческом языке и латыни. Он был самоучкой, который, казалось, никогда не отдыхал.