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

"Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества".

Этот способ соединения атомов вскоре утвердился под общим названием закона кратных отношений, актуального и по сей день.

В своем главном труде Джон Дальтон установил очень простую классификацию соединений: кратные двум, трем, четырем и так далее, в зависимости от необходимого соотношения. Если атом элемента А соединяется с атомом элемента Б, возникает бинарное соединение. Если же для образования соединения атому элемента А нужно два атома элемента Б, то получится тройное соединение, и так далее. Самые простые предложения и самые короткие уравнения всегда являются наиболее верными. Джон Дальтон во всем следовал этому неписаному научному закону. Он добавил к своему предыдущему тексту правило наибольшей простоты, согласно которому...

"...когда атомы соединяются только в одном соотношении, это говорит об образовании ими двойного соединения, и вряд ли можно доказать, что произойдет обратное".

Этот принцип не нашел обоснования с точки зрения современной химии, которая рассматривает молекулу как "электрически нейтральную частицу, образованную из двух или более связанных ковалентными связями атомов". Понятие ковалентности и ковалентной связи предполагает знание о субатомных частицах и особенно о поведении электронов и значении минимальной энергии, которым в 1808 году Дальтон не располагал. Поэтому неудивительно, что, основываясь на правиле наибольшей простоты, Дальтон допустил несколько ошибок, которые сегодня показались бы нам странными. Например, он записал формулу воды упрощенно НО (вместо Н₂О), а аммиака — NH (вместо NH₃).

Открытие электрона было еще впереди. Только в 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856-1940), лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, осуществил свой знаменитый опыт с катодными лучами. Его последователем в изучении субатомных частиц был уже неоднократно упоминавшийся Эрнест Резерфорд, директор лаборатории Кавендиша в Кембридже и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Резерфорд и его ученик Нильс Бор (1885-1962), лауреат Нобелевской премии по физике 1922 года, в XX веке осуществили нужные опыты и сформулировали положения, необходимые для понимания структуры атома. И хотя потом выяснилось, что атомы, образующие молекулы, способны делиться на другие частицы (протоны и нейтроны, сосредоточенные внутри маленького плотного атомного ядра, и электроны, находящиеся на его периферии), атомная теория Дальтона заложила солидную основу для этих исследований. Как замечают многие авторы, в области химии атом по-прежнему неделим. И только современная физика, изучающая ядерный распад, а также существование изотопов — разновидности атомов, ядерный состав которых и масса меняются в зависимости от количества нейтронов, — частично опровергли огромное наследие Джона Дальтона.

В 1909 году Ханс Гейгер (1882- 1945) и Эрнест Марсден (1889- 1970), ассистенты Резерфорда в Манчестере, осуществили опыт с золотой фольгой. Они разместили естественный источник радиоактивного излучения — полоний Марии Кюри, элемент, все 33 изотопа которого радиоактивны, особенно изотоп ²¹⁰Ро, — в свинцовую полость ^РЬ. Источник испускал альфа-частицы (ядра гелия), направленный пучок которых попадал через прорезь на золотую фольгу перпендикулярно ее поверхности. В качестве детектора для обнаружения вспышек альфа-частиц исследователи использовали сферический экран из сульфата цинка. Если модель Томсона была правильной и атом являлся однородной структурой, то альфа-частицы не должны были сильно отклоняться. Однако некоторые частицы отклонялись, а одна из восьми тысяч даже отскакивала назад. "Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар", — заметил по этому поводу Резерфорд. Из поведения альфа-частиц он заключил, что атом состоит из пустоты и невероятно плотной, крошечной, положительно заряженной центральной зоны.

Ученый продолжал исследования газов и химических соединений до самой смерти в 1844 году, но ни один из его трудов не стал таким же важным, как знаменитая "Новая система химической философии". Став президентом Lit & Phil в 1817 году, Дальтон написал и представил более 120 научных работ. За исключением сэра Гемфри Дэви в первые годы, никто из химиков того времени не ставил под сомнение его атомную теорию, и даже Дэви, похоже, в итоге отказался от своих возражений и предложил Дальтону вступить в Лондонское Королевское общество, президентом которого он являлся. Это был коварный подарок. Дэви знал, что ученый не сможет нести расходы, связанные с этим членством, и откажется. Так и вышло. Однако Дальтон не предполагал, что он будет избран членом общества, даже несмотря на отказ: ученый пользовался все большим уважением, и правительство назначило ему пожизненное денежное содержание, которое существенно облегчило его научные исследования. После смерти Дэви Французская академия наук предложила его пост Дальтону, который до этого, в 1822 году, ненадолго приехал в Париж для встреч с некоторыми авторитетными коллегами. Дальтон испытывал глубокое уважение к Лавуазье, своему несчастному учителю. Кроме того, получив признание, он читал лекции в Оксфорде, Бристоле, Дублине и других городах. К сожалению, слабое сердце вынудило ученого вернуться в промышленный Манчестер, где 27 июля 1844 года он скончался в одиночестве — как, впрочем, и жил. Незадолго до смерти земляки Дальтона в знак признания воздвигли ему огромный памятник. Об удивительных примерах восхищения и признательности жителей Манчестера после смерти Дальтона мы уже говорили в начале этой главы.

Дальтон, возможно, единственный ученый, удостоенный памятника при жизни.

Высказывание неизвестного современника ученого

В дальнейшем некоторые ученые сомневались в существовании атомов. Наибольшую критику высказывал австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838-1916), открывший отношение скорости тела к скорости звука. Этот философ-позитивист заявил: "Атомы не подвластны ни одному из органов чувств, они являются лишь плодом разума". Мах утверждал, что в науке следует принимать во внимание лишь то, что можно проверить эмпирически, поэтому отрицал понятия материи, необходимости и казуальности. Атомы Дальтона необходимы для объяснения молекулы, однако сами молекулы являются мыслительными конструктами, и их существование не может быть проверено прямым наблюдением, потому их Мах также не признавал. Эта категоричная точка зрения была распространена среди немецких интеллектуалов, хотя ученый из Вены Людвиг Больцман (1844-1906) ее не разделял.

Джон Дальтон, гравюра Джозефа Аллена (1814).

Дальтон первым исследовал дефект, которым страдал сам и который позже был назван дальтонизмом. Он завещал науке собственные глаза —они изображены на рисунке вместе с очками и прядью волос.

Современное здание Религиозного общества Друзей в Манчестере.

Больцман и Мах не были близки ни в личном, ни в профессиональном плане. Больцман основывал свои работы — прежде всего в области статистической механики и термодинамики — на существовании атомов. Это его убеждение полностью разделяли такие признанные ученые, как Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) и особенно шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), создатель теории электромагнитного поля. Он работал вместе с Больцманом над кинетической теорией газов, которая сегодня называется статистикой Максвелла — Больцмана. Критика оппонентов, сначала одного его наставника, Эрнста Маха, а затем и второго, Вильгельма Оствальда (1853- 1932), так сильно повлияла на Людвига Больцмана, что он погрузился в депрессию и покончил с собой в 1906 году. Почти в то же время было доказано существование атомов — еще до их бомбардировок частицами, осуществленных Эрнестом Резерфордом. Доказательство представил начинающий исследователь Альберт Эйнштейн (в статье о броуновском движении атомов, опубликованной в 1905 году), а также Жан Батист Перрен в работах по изучению коллоидов, которые позволили подтвердить научную состоятельность постоянной Больцмана и постоянной Авогадро. Постоянная Авогадро — это величина, равная числу структурных элементов (атомов или молекул) в 1 моле вещества. Она не зависит ни от вещества, ни от рассматриваемой частицы и названа в честь итальянца Амедео Авогадро (1776-1856) — странного угрюмого человека, который в 1811 году открыл, что при одинаковых температуре и давлении в равных объемах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. Так, 1 моль водорода (Н₂, 2,012 грамма) или 1 моль углерода (С, 12 граммов, взятых как образец) содержат 6, 0221367 х 10²³ молекул или атомов. Исходя из этих данных можно измерить размер и массу атомов. Так, две бутылки одинакового размера, одна из которых наполнена кислородом, а другая — гелием, содержат одинаковое количество молекул. Таким образом, число атомов кислорода в два раза больше, поскольку его молекула состоит из двух атомов, тогда как молекула гелия, инертного газа, состоит из одного атома.

После того как Дальтон нашел способ измерить атомную массу, его часто называли "тем, кто взвесил атомы". Эти исследования не только изменили мышление его современников и новых поколений ученых, но и произвели революцию в химии того времени. Сначала труды француза Лавуазье, а позднее — англичанина Дальтона разделили химическую науку на до и после. Специалисты называют это время началом современной химии. Мы лишь кратко упомянем блестящих ученых, таких как Лавуазье, Лаплас, Джоуль, Дэви, Авогадро, Фарадей, Больцман, Максвелл, Перрен, а также атомных физиков XX века Томсона, Кюри, Резерфорда, Чедвика, Эйнштейна, Планка, Бора, а позднее — Шрёдингера, Гейзенберга, Ферми и Паули, и это лишь самые знаменитые. Все они обязаны своими открытиями необыкновенным исследованиям и самоотверженности Джона Дальтона, который первым предположил, что все в природе начинается с основной неделимой частицы — атома.

Атомная масса измеряется сегодня в атомных единицах массы (а.е.м.), которые мало чем отличаются оттого, что предлагал Джон Дальтон, — разве лишь тем, что в качестве единицы измерения атомной массы сегодня принята 1/12 часть массы атома нейтрального углерода-12 (то есть атома, ядро которого содержит 6 протонов и 6 нейтронов), а не атом водорода. Эта единица равна 1,66х10^-27. Самым легким является атом водорода, а самым тяжелым среди стабильных атомов — свинец-208, атомная масса которого равна 207, 98 а.е.м. Если мы примем моль за единицу массы (что часто происходит в химии), то установим общее правило, согласно которому масса одного моля какого-либо элемента примерно равна атомной массе этого элемента.

ГЛАВА 2

Начало: трудные годы

Ученые, как и другие люди, принадлежат времени и месту, в котором живут, а также событиям, которые происходят в годы их жизни. Биография Джона Дальтона, почти такая же строгая, как и он сам, таит много неожиданностей. Но особенно ярко она раскрывает упрямый, решительный характер и безграничную склонность к науке, а также свидетельствует об упорстве, интуиции и уме Дальтона.

Джон Дальтон родился в маленьком городе Иглсфилде в графстве Камберленд, на северо-западе Англии. Камберленд (или Камбрия) славится живописными местами — здесь находится знаменитый национальный парк Лейк-Дискрит, один из красивейших британских островов. Дальтон родился 5 или 6 сентября 1766 года: точная дата неизвестна, поскольку квакеры не ведут таких записей. У родителей Джона — Джозефа и Деборы Дальтон — уже было два ребенка: Джонатан и Мэри.

Дальтоны жили в Камберленде по крайней мере с конца XVI века. На момент рождения Джона семья владела небольшой фермой (вероятно, полученной в качестве приданого Деборы Дальтон-Гринап), Джозеф работал ткачом. Жили они довольно скромно. Джозеф, как младший в семье, не имел никаких прав на наследство и получил совсем немного денег лишь после смерти старшего брата в 1786 году. Предположительно глава семейства, Джозеф Дальтон, обратил семью в доктрину Джорджа Фокса, основателя квакерской общины. Позже Джон разделил участь своего отца: он также не мог претендовать на наследство, и то немногое, чем владела семья, перешло к его старшему брату Джонатану. Только после смерти в 1834 году Джонатана, оставшегося неженатым, значительно возросшее семейное состояние перешло к Джону Дальтону, финансовые дела которого к тому времени и так были неплохи. Ученый мог жить, не думая о деньгах, поскольку был неженат и воздержан на грани скупости в том, что касалось личных расходов.

Основателем Религиозного общества Друзей является английский религиозный отступник Джордж Фокс (1624-1691). С тех пор квакеры, как их называли, и существуют в качестве отдельной общины. Ее название происходит от английского слова quake ("трепетать"), поскольку во время процесса Фокс призвал суд "трепетать перед Словом Господним". Набожный с детства Фокс и сам хотел стать пастором, но он часто критиковал своих учителей, которые были не прочь приложиться к бутылке. Он много путешествовал по Англии в поисках собственного пути, выстраивая свои идеи, навеянные чтением Библии. В 1648 году Фокс начал проповедовать, призывая следовать Писанию, общественной справедливости, нравственности и благовоспитанности. В 1650 году он был заключен в тюрьму по обвинению в богохульстве. Позже ему вменяли также отказ взяться за оружие. Пока Фокс был в тюрьме, число его последователей росло. После освобождения его речи приняли более острый характер, Фокс выступал не только против англиканской церкви, но и против католической, преобладающей в Ирландии. В 1671 году он уехал в Америку, где уже появились общины квакеров, а после возвращения путешествовал с проповедями по Северной Европе.

Джордж Фокс.

У квакеров вместо официального символа веры — множество разных доктрин. Но все они — "люди мира". У них нет священников, пасторов, таинств, они исповедуют простую, честную и мирную жизнь. Их богослужением являются молчаливые собрания, прерываемые комментариями Библии. Сегодня по всему миру рассеяно 300 тысяч квакеров. Религиозное общество Друзей в 1947 году получило Нобелевскую премию мира.

Сведения о финансовом состоянии семьи Джона Дальтона могут показаться читателю излишними, как и информация о его религиозных взглядах, но мы все же упомянем об этом, потому что трудно понять работы и открытия ученого, не зная ничего о его детстве, которое определило образование и характер Джона. Единственной его целью было усвоение и распространение знаний — именно этим было обусловлено добровольное заточение ученого в Манчестере. Его редко можно было встретить на улицах этого города, за исключением посещений общества Lit & Phil, центральной библиотеки или непременной игры в кегли по четвергам в закусочной The Dog and the Partridge Inn ("Собака и куропатка"). Камберленд был в те времена процветающим промышленным центром с несколькими крупными торговыми портами, через которые шла торговля с Америкой, провозгласившей независимость в 1776 году (в 1783-м эта независимость была признана Великобританией). Религиозные взгляды и строгость Джорджа Фокса были встречены здесь с энтузиазмом. Более того, ученый обратил в свою веру многие семьи и даже целые деревни. Кстати, торговые интересы вполне соответствовали его модели общества и этике — до такой степени, что через общины Религиозного общества Друзей устанавливались прочные связи с квакерами из процветающего промышленного Мидленда, успешными торговцами из Лондона, состоятельными жителями Филадельфии. Кроме того, многих членов общины объединял живой интерес к образованию и натурфилософии. Эти связи играют важную роль для понимания образовательной среды, в которой вырос и сформировался Джон Дальтон.