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

Ничто не теряется, ничто не создается, все трансформируется.

Антуан Лоран де Лавуазье, закон сохранения массы

Хотя всю жизнь Дальтон сожалел о том, что не смог посвятить себя изучению медицины и медицинской практике, с его именем все же связана одна семейная история, имевшая непосредственное отношение к медицине. В 1792 году 26-летний Дальтон решил вместе со своим братом подарить матери на день рождения чулки неяркого синего цвета, подобающие скромной квакерше. К удивлению сыновей, мать оскорбилась и отвергла подарок. На самом деле выбранные Джоном и Джонатаном чулки были ярко-красного цвета — просто братья не отличали красный цвет от синего. Джон Дальтон посвятил исследованию этого явления два года и в 1794 году, будучи членом Литературно-философского общества Манчестера, представил работу "Чрезвычайные факты, связанные с видением цветов". Несмотря на то что ученый предположил неверное объяснение этого явления (по его мнению, неспособность различать красный цвет была связана с аномалией стекловидного тела), метод и причинная связь были разработаны точно. Так что, помимо признания, которое получили последующие исследования Дальтона об атоме, именем ученого было решено назвать и это отклонение — дальтонизм, — от которого он сам страдал и которое тщательно исследовал.

Джон Дальтон имеет полное право на титул отца современной химии, хотя так называют его предшественника, Антуана Лорана де Лавуазье (1743-1794). Дальтон прекрасно знал работы французского ученого, особенно его исследования состава воздуха и знаменитый закон сохранения массы.

Мы еще вернемся к этому вопросу, но сейчас напомним, что когда был открыт закон сохранения массы, об атоме еще не знали. Джон Дальтон дополнил незыблемый закон Лавуазье: "Масса вещества в ходе химической реакции не изменяется, масса использованного вещества равна массе полученного продукта". Эта формулировка была усовершенствована век спустя после Дальтона, когда было открыто, наконец, строение атома и стало возможным производить ядерные реакции, для которых необходимо учитывать соотношение массы и энергии. Однако знаменитое уравнение Эйнштейна (Е-тс²) выходит за рамки нашей книги.

Зато мы можем упомянуть работы Лавуазье и Дальтона о составе воздуха. Лавуазье провел множество революционных для своего времени опытов, большую их часть он осуществил вместе с крупным французским астрономом, физиком и математиком Пьером-Симоном де Лапласом (1749-1827). К сожалению, жизнь Лавуазье завершилась на эшафоте — в годы Французской революции его казнили на гильотине. Ученый не открыл атомов, но ему в числе прочего мы обязаны первой таблицей химических элементов.

Состав воздуха оставался загадкой на протяжении веков. Многие считали, что это особый газ, соединение разных элементов, главным из которых является способный к горению кислород. Нужно было дождаться работ Антуана Лавуазье (1743-1794), Джозефа Пристли (1733-1804) и, разумеется, Джона Дальтона, чтобы узнать истинный состав воздуха и установить, что воздух — это смесь, а не соединение, поэтому у него нет химической формулы. На рисунке ниже показаны относительный состав воздуха и его составляющие — азот и кислород, а также благородные газы, диоксид углерода и метан. Здесь изображен только состав сухого воздуха, без водяных паров, которые являются переменной величиной.

Он доказал, что вода состоит из кислорода и водорода, и из этого заключил: горение и даже собственно дыхание являются всего-навсего соединением кислорода и еще какого-нибудь элемента. Также Лавуазье предположил, что воздух является не одним элементом, а смесью нескольких. Это открытие имело необыкновенную важность для Джона Дальтона, поскольку он тоже изучал состав воздуха и убедился в том, что воздух является физической смесью газов, а не химическим соединением определенных элементов. Дальтон публиковал результаты этих и других исследований с 1793 года в Манчестере, куда переехал в возрасте 27 лет для преподавания в новом колледже, основанном его религиозной общиной. В тот же год, окончательно поселившись в этом городе, он был принят в престижное Литературно-философское общество Манчестера, более известное под названием Manchester Lit & Phil.

Интерес Джона Дальтона к метеорологии нашел свое применение в исследованиях воздуха, необходимых для понимания климата. Вступление в общество Lit & Phil сыграло решающую роль в распространении работ ученого. Уже в 1793 году, когда Дальтон только переехал в Манчестер, он опубликовал свои "Метеорологические наблюдения и этюды*, но этот труд, несмотря на всю его оригинальность и глубину, практически не встретил отклика. Но вступление в Lith & Phil все изменило. При этом Джон Дальтон никогда не отказывался от поприща преподавателя для небогатых учеников: внутри Литературнофилософского общества, равно как и за его стенами, ученый всегда оставался убежденным квакером, он жил в скромном викторианском доме, который делил со священником.

Начало самого плодотворного периода в жизни Дальтона знаменует 1802 год. В это время химическое научное сообщество было очаровано идеями молодого блестящего Гемфри Дэви (1778-1829). Несмотря на то что оба ученых восхищались трудами Лавуазье, Дэви был противоположностью Дальтона. Он собирал огромную аудиторию на своих выступлениях. Ему удалось путем электролиза получить барий, стронций, кальций, калий, натрий, алюминий и еще дюжину новых веществ, тогда как его предшественникам были известны не более 50 элементов. Дэви пошел еще дальше: вместе с другом Томасом Уэджвудом (1771-1805) ему удалось в 1802 году сделать первый фотографический отпечаток, проявив его с помощью нитрата серебра. Дэви — а, вернее, сэр Гемфри Дэви, поскольку под конец жизни он стал председателем Королевского общества, — был богат и знаменит, однако он восхищался Джоном Дальтоном так же, как и блестящий ученик Дэви, Майкл Фарадей (1791-1867). Фарадей открыл электромагнитную индукцию и благодаря этому изобрел генератор и электродвигатель. Дэви поначалу относился к экспериментам Дальтона в его скромной лаборатории довольно сдержанно, не доверяя их точности. И действительно, многие историки науки утверждают, что приборы Джона Дальтона уступали оборудованию, которым пользовался Дэви, однако его эксперименты были состоятельны. Сам Дэви признавал, что Дальтон компенсировал нехватку технических средств, вызванную главным образом скромными доходами ученого, тем, что полагался на пытливый ум, а не на лабораторные испытания. Даже если результат не оправдывал ожиданий, Дальтон вновь и вновь воспроизводил опыты, которые удались его коллегам.

Джон Дальтон почти всю жизнь прожил в Манчестере. Этот английский город в то время переживал промышленный подъем и значительный демографический рост. Благодаря технологической революции, вдохновленной такими инженерами, как Джеймс Уатт, и такими учеными, как Джон Дальтон, Манчестер стал первым мировым центром изготовления хлопчатобумажных изделий. В 1835 году, в расцвет викторианской эпохи, он без преувеличения считался производственной столицей мира, причем не только в текстильной отрасли, но и в тяжелой промышленности. Именно здесь происходили революционные нововведения. Помимо первой пассажирской железной дороги между Манчестером и Ливерпулем, можно упомянуть строительство судоходного канала, завершенное в 1894 году. Для этого реки Ирвелл и Мерсей были оснащены системой каналов, которая позволяла преодолеть 58 километров, отделяющих их от эстуария реки Мерсей, и выйти к порту Ливерпуля.

В те же годы в Манчестере шла и идейная революция. С1842 года в этом городе жил Фридрих Энгельс, именно в Манчестере сформировались синдикалисты масштаба Роберта Оуэна (1771-1858), который и рекомендовал Дальтона в Литературно-философское общество. В те годы население Манчестера приближалось к 100 тысячам. Такой демографический рост означал и увеличение преступности. Именно высокая преступность, а также задымление, выбросы заводов, рабочие бараки стали причиной дурной славы города. Да и сам Джон Дальтон рассказывал брату в 1817 году, что стал жертвой преступников.

Текстильная фабрима МcConnel & Со, Манчестер (1820). Акварель.

И хотя внимание общества было сконцентрировано главным образом на Дэви, с 1802 года Дальтон регулярно публиковал результаты своих исследований. Его самый ранний крупный вклад в химию касается, как мы уже говорили, исследований состава воздуха. Коллеги ученого полагали, что воздух является еще одним химическим соединением, однако Дальтон вслед за Лавуазье заявил: воздух — это механическая система, а давление воздуха есть результат давления каждого отдельного газа, входящего в его состав. Ученый приписал это свойство всем газам вообще, а не только тем, которые входят в состав воздуха. Уже через год, то есть в 1803 году, этот научный принцип стал широко известен под названием закона парциального давления газов, или закона Дальтона.

Знаменитый сэр Гемфри Дэви поначалу отнесся к этому новому закону со скепсисом. Однако Дальтон объяснил, что толчки, производимые давлением, действуют только на атомы одного типа, и атомы, содержащиеся в смеси газов, могут обладать разным весом и структурой.

Общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельности.

Джон Дальтон, закон парциального давления газов

В этом дополнительном замечании Дальтон — возможно, неосознанно — ввел понятие атома: если элементы различаются, атомы тоже различаются.

Увлеченность Дальтона газами, происходящая из его неугасающего интереса к воздуху и метеорологии, естественным образом распространилась на все известные состояния материи: твердое, жидкое, газообразное.

Ученый утверждал, что любой элемент независимо от состояния, в котором он находится, состоит из атомов. Атомы — крошечные, неделимые и неизменные частицы — являются характеристикой каждого определенного элемента с определенной массой. Чтобы обозначить эти элементарные частицы, он прибег к предложенному еще Демокритом Абдерским термину атом ("неделимый"). Однако на этот раз существование атомов не только основывалось на логических рассуждениях, но и подтверждалось опытами.

Дальтону не удалось доказать, что атомы физически присутствуют в элементах, он говорил лишь о том, что их соединения подчиняются точным законам, связанным с их относительной массой. Так, зная, что водород является самым легким элементом, ученый присвоил ему атомную массу, равную единице, и, отталкиваясь от этой единицы, установил атомную массу более тяжелых элементов в зависимости от их вхождения в состав различных известных соединений. Дальтон опубликовал в 1803 году в Lit & Phil первую таблицу относительных атомных масс некоторых известных к тому времени элементов.

Атомная теория Дальтона, основанная на относительной атомной массе известных элементов, была окончательно оформлена в одном из его самых известных сочинений — "Новая система химической философии*. Первая часть этого трактата была опубликована в 1808 году. На 900 страницах Джон Дальтон убеждает читателя в том, что атомы различных природных элементов можно различить по их массе. Кроме того, атомы нельзя ни создать, ни разрушить. В подтверждение Дальтон приводит закон сохранения массы Лавуазье: до и после химической реакции атомы не меняются, поэтому масса материи неизменна.

Демокрит (ок. 460-370 до н.э.) является отцом атомистической теории. Он родился в Абдерах и был воспитанником Левкиппа из Милета (ок. 500-440 до н.э.), о котором практически ничего неизвестно, а сам учил Протагора из Абдер и Эпикура из Самоса. Большинство произведений Демокрита и Эпикура не сохранились, однако их идеи дошли до наших дней благодаря длинной назидательной латинской поэме De rarum natura ("О природе вещей") Тита Лукреция Кара (99-55 до н.э.). Известно, что Демокрит (от греческого "избранный народом") получил знания об астрологии и теологии от халдейских ученых мужей. Он объездил практически весь Средний Восток — особенно Египет, но также Персию, Вавилон и Месопотамию, — чтобы изучить философию, геометрию и астрономию.

Легенда о Демокрите гласит, что он вырвал себе глаза незадолго до самоубийства — а ему было уже больше 100 лет, — чтобы вид прекрасного сада не отвлекал его от философских размышлений. Философ основывал свою этику на внутреннем равновесии и контроле над эмоциями. К удовольствию надо стремиться, а неудовольствий — избегать, однако счастье возникает из правильного различения и разграничения удовольствий, поскольку удовольствие может перейти в страдание.

•Демокрит, размышляющий о месте души·, статуя Леона-Александра Деломма.

Демокрит считал, что любая материя состоит из атомов. Они вечны, неделимы, невидимы и различаются лишь размерами. Свойства материи меняются в зависимости от соединения атомов. Помимо материи и атомов ("то, что есть"), в природе существует и пустота ("то, чего нет"). По Демокриту, "в основе всех вещей — атомы и пустота, все остальное — только предположение". Он отрицал и физическое существование Бога: "Бог есть дух, помещающийся в огненной сфере, которая есть душа мира".

Изучение самых известных химических реакций дало необходимое обоснование этой новой атомной теории и доказало ее достоверность: элементы (атомы) соединяются с другими элементами (атомами) по правилу наибольшей простоты, и это отрицает любую возможность атомного деления. Атомы разных элементов в соединении соотносятся между собой как простые целые числа. Дальше мы рассмотрим связанные с этим примеры, однако уже сейчас можем объяснить это явление словами самого Джона Дальтона, произнесенными в 1802 году: