עם אטום לאורך הדורות - חלק 1

המאה הקודמת מכונה לעתים קרובות "עידן האטום". באותה תקופה לא רחוקה, סוף סוף הוכח קיומן של "הלבנים" המרכיבות את העולם סביבנו, והכוחות הרדומים בהן שוחררו. לרעיון האטום עצמו יש היסטוריה ארוכה מאוד, ולא ניתן להתחיל את סיפור ההיסטוריה של הידע על מבנה החומר אלא במילים המתייחסות לימי קדם.

1. שבר של פרסקו "בית הספר של אתונה" של רפאל, המתאר את אפלטון (בצד ימין, לפילוסוף יש את המאפיינים של ליאונרדו דה וינצ'י) ואריסטו

"כבר זקן..."

... פילוסופים הגיעו למסקנה שכל הטבע מורכב מחלקיקים קטנים באופן בלתי מורגש. כמובן שבאותה תקופה (ובמשך זמן רב לאחר מכן) לא הייתה דרך למדענים לבדוק את ההנחות שלהם. הם היו רק ניסיון להסביר את תצפיות הטבע ולענות על השאלה: "האם החומר יכול להתפרק ללא הגבלה, או שיש סוף לביקוע?«

תשובות ניתנו בחוגים תרבותיים שונים (בעיקר בהודו העתיקה), אך התפתחות המדע הושפעה ממחקריהם של פילוסופים יווניים. בגיליונות החגים של "טכנאי צעיר" בשנה שעברה, למדו הקוראים על ההיסטוריה בת מאות השנים של גילוי היסודות ("סכנות עם היסודות", מ"ט 7-9/2014), שהחלה גם היא ביוון העתיקה. עוד במאה ה-XNUMX לפני הספירה חיפשו את המרכיב העיקרי שממנו בנוי החומר (יסוד, יסוד) בחומרים שונים: מים (תלס), אוויר (אנאקסימנס), אש (הרקליטוס) או אדמה (קסנופנס).

אמפדוקלס פייס את כולם, והכריז שהחומר אינו מורכב מאחד, אלא מארבעה יסודות. אריסטו (המאה הראשונה לפנה"ס) הוסיף חומר אידיאלי נוסף - אתר, הממלא את היקום כולו, והכריז על אפשרות של טרנספורמציה של יסודות. מצד שני, כדור הארץ, שנמצא במרכז היקום, נצפה על ידי השמים, שתמיד היו ללא שינוי. הודות לסמכותו של אריסטו, תיאוריה זו של מבנה החומר והמכלול נחשבה לנכונה במשך יותר מאלפיים שנה. הפך בין היתר לבסיס לפיתוח האלכימיה, ולכן גם של הכימיה עצמה (1).

2. פסל דמוקריטוס מעבדרה (460-370 לפנה"ס)

עם זאת, במקביל פותחה גם השערה נוספת. לאוקיפוס (מאה XNUMX לפני הספירה) האמין שהחומר מורכב ממנו חלקיקים קטנים מאוד נע בחלל ריק. דעותיו של הפילוסוף פותחו על ידי תלמידו - דמוקריטוס מעבדרה (בערך 460-370 לפנה"ס) (2). הוא כינה את ה"בלוקים" המרכיבים את החומר אטומים (מיוונית atomos = בלתי ניתן לחלוקה). הוא טען שהם בלתי ניתנים לחלוקה ובלתי משתנים, ושמספרם ביקום קבוע. אטומים נעים בחלל ריק.

כאשר אטומים הם מחוברים (במערכת של ווים ועיניים) - נוצרים כל מיני גופים, וכאשר הם מופרדים זה מזה - הגופים נהרסים. דמוקריטוס האמין שיש אינסוף סוגים של אטומים, שונים בצורתם ובגודלם. מאפייני האטומים קובעים את תכונותיו של חומר, למשל, דבש מתוק מורכב מאטומים חלקים, וחומץ חמוץ מורכב מזוויתיים; גופים לבנים יוצרים אטומים חלקים, וגופים שחורים יוצרים אטומים עם משטח מחוספס.

אופן חיבור החומר משפיע גם על תכונות החומר: במוצקים, האטומים צמודים זה לזה באופן הדוק, ובגופים רכים הם ממוקמים בצורה רופפת. תמצית הדעות של דמוקריטוס היא האמירה: "למעשה, יש רק ריקנות ואטומים, כל השאר הוא אשליה".

במאות מאוחרות יותר, דעותיו של דמוקריטוס פותחו על ידי פילוסופים רצופים, כמה התייחסויות נמצאות גם בכתביו של אפלטון. אפיקורוס - אחד היורשים - אפילו האמין בכך אטומים הם מורכבים ממרכיבים קטנים עוד יותר ("חלקיקים יסודיים"). עם זאת, התיאוריה האטומיסטית של מבנה החומר הפסידה ליסודות של אריסטו. המפתח - כבר אז - נמצא בניסיון. עד שהיו כלים לאשש את קיומם של אטומים, התמורות של יסודות נצפו בקלות.

לדוגמא: כאשר חיממו מים (אלמנט קר ורטוב), התקבל אוויר (אדים חמים ורטובים), ונשארה אדמה בתחתית הכלי (משקעים קרים ויבשים של חומרים מומסים במים). המאפיינים החסרים - חום ויובש - סופקו באש, שחיממה את הכלי.

חוסר שונות וקבוע מספר אטומים הם גם סתרו תצפיות, שכן חשבו שחיידקים צצו "יש מאין" עד המאה ה-XNUMX. דעותיו של דמוקריטוס לא סיפקו כל בסיס לניסויים אלכימיים הקשורים להמרה של מתכות. קשה היה גם לדמיין וללמוד את המגוון האינסופי של סוגי אטומים. התיאוריה היסודית נראתה פשוטה הרבה יותר והסבירה בצורה משכנעת יותר את העולם הסובב.

3. דיוקן רוברט בויל (1627–1691) מאת J. Kerseboom.

סתיו ולידה מחדש

במשך מאות שנים, תורת האטום עמדה בנפרד מהמדע המיינסטרים. עם זאת, היא לא מתה לבסוף, רעיונותיה שרדו, והגיעו למדענים אירופאים בצורה של תרגומים פילוסופיים לערבית של כתבים עתיקים. עם התפתחות הידע האנושי החלו יסודות התיאוריה של אריסטו להתפורר. המערכת ההליוצנטרית של ניקולאוס קופרניקוס, התצפיות הראשונות על סופרנובות (Tycho de Brache) שעולות משום מקום, גילוי חוקי התנועה של כוכבי הלכת (יוהנס קפלר) וירחי צדק (גלילאו) הביאו לכך שבששה עשר והשבע עשרה. מאות שנים, אנשים הפסיקו לחיות מתחת לשמים ללא שינוי מתחילת העולם. גם על פני האדמה היה סוף דעותיו של אריסטו.

הניסיונות בני מאות השנים של האלכימאים לא הביאו את התוצאות הצפויות - הם לא הצליחו להפוך מתכות רגילות לזהב. יותר ויותר מדענים הטילו ספק בקיומם של היסודות עצמם, וזכרו את התיאוריה של דמוקריטוס.

4. הניסוי של 1654 בהמיספרות מגדבורג הוכיח את קיומם של ואקום ולחץ אטמוספרי (16 סוסים לא יכולים לשבור חצאי כדור שכנים שמהם נשאב אוויר!)

רוברט בויל בשנת 1661 נתן הגדרה מעשית של יסוד כימי כחומר שלא ניתן לפרק למרכיביו בניתוח כימי (3). הוא האמין שהחומר מורכב מחלקיקים קטנים, מוצקים ובלתי ניתנים לחלוקה הנבדלים בצורתם ובגודלם. בשילוב, הם יוצרים מולקולות של תרכובות כימיות המרכיבות את החומר.

בויל כינה את החלקיקים הזעירים הללו גופים, או "גופים" (קימוט של המילה הלטינית corpus = גוף). דעותיו של בויל הושפעו ללא ספק מהמצאת משאבת הוואקום (Otto von Guericke, 1650) ומהשיפור של משאבות בוכנה לדחיסת אוויר. קיומו של ואקום ואפשרות לשנות את המרחק (כתוצאה מדחיסה) בין חלקיקי האוויר העידו לטובת תורת דמוקריטוס (4).

המדען הגדול ביותר באותה תקופה, סר אייזק ניוטון, היה גם מדען אטום. (5). בהתבסס על השקפותיו של בויל, הוא העלה השערה לגבי מיזוג הגוף לתצורות גדולות יותר. במקום המערכת העתיקה של עיניים וקרסים, הקשירה שלהם הייתה - איך אחרת - על ידי כוח המשיכה.

5. דיוקנו של סר אייזק ניוטון (1642-1727), מאת ג' קנלר.

לפיכך, ניוטון איחד את האינטראקציות ביקום כולו - כוח אחד שלט הן בתנועת כוכבי הלכת והן במבנה של מרכיבי החומר הקטנים ביותר. המדען האמין שהאור מורכב גם מגופים.

היום אנחנו יודעים שהוא "חצי צודק" - אינטראקציות רבות בין קרינה לחומר מוסברות על ידי זרימת הפוטונים.

כימיה נכנסת לתמונה

עד כמעט סוף המאה ה- XNUMX, אטומים היו זכותם של הפיזיקאים. עם זאת, המהפכה הכימית שיזם אנטואן לבואזיה היא שהפכה את הרעיון של המבנה הגרגירי של החומר למקובל.

גילוי המבנה המורכב של היסודות העתיקים - מים ואוויר - הפריך לבסוף את התיאוריה של אריסטו. בסוף המאה ה-XNUMX, גם חוק שימור המסה והאמונה באי-אפשרות של טרנספורמציה של יסודות לא גרמו להתנגדויות. מאזניים הפכו לציוד סטנדרטי במעבדה הכימית.

6. ג'ון דלטון (1766-1844)

הודות לשימוש בו, הבחינו שהיסודות מתאחדים זה עם זה ויוצרים תרכובות כימיות מסוימות בפרופורציות מסה קבועות (ללא קשר למקורן - טבעי או שהושג באופן מלאכותי - ושיטת הסינתזה).

התבוננות זו הפכה לניתנת להסבר בקלות אם נניח שהחומר מורכב מחלקים בלתי ניתנים לחלוקה המרכיבים שלם יחיד. אטומים. היוצר של התיאוריה המודרנית של האטום, ג'ון דלטון (1766-1844) (6), הלך בדרך זו. מדען בשנת 1808 קבע כי:

1. אטומים הם בלתי ניתנים להריסה ובלתי ניתנים לשינוי (זה, כמובן, שלל את האפשרות של טרנספורמציות אלכימיות).
2. כל החומר מורכב מאטומים בלתי ניתנים לחלוקה.
3. כל האטומים של יסוד נתון זהים, כלומר, יש להם אותה צורה, מסה ותכונות. עם זאת, יסודות שונים מורכבים מאטומים שונים.
4. בתגובות כימיות משתנה רק דרך החיבור של האטומים, שממנה נבנות מולקולות של תרכובות כימיות - בפרופורציות מסוימות (7).

תגלית נוספת, שהתבססה גם היא על התבוננות במהלך השינויים הכימיים, הייתה השערתו של הפיזיקאי האיטלקי אמדאו אבוגדרו. המדען הגיע למסקנה שנפחים שווים של גזים באותם תנאים (לחץ וטמפרטורה) מכילים אותו מספר של מולקולות. תגלית זו אפשרה לקבוע את הנוסחאות של תרכובות כימיות רבות ולקבוע את המסות אטומים.

7. סמלים אטומיים שבהם השתמש דלטון (מערכת חדשה לפילוסופיה כימית, 1808)

8. מוצקים אפלטוניים - סמלים של אטומים של "יסודות" עתיקים (ויקיפדיה, מחבר: מקסים פה)

כמה פעמים לחתוך?

הופעתו של רעיון האטום הייתה קשורה לשאלה: "האם יש סוף לחלוקת החומר?". למשל, ניקח תפוח בקוטר 10 ס"מ וסכין ונתחיל לפרוס את הפירות. ראשית, בחצי, אחר כך חצי תפוח לשני חלקים נוספים (במקביל לחיתוך הקודם) וכו'. אחרי כמה פעמים, כמובן, נסיים, אבל שום דבר לא מונע מאיתנו להמשיך את הניסוי בדמיונו של אטום אחד? אלף, מיליון, אולי יותר?

לאחר אכילת תפוח פרוס (טעים!), בואו נתחיל בחישובים (מי שמכיר את המושג התקדמות גיאומטרית יתקשה פחות). החלוקה הראשונה תיתן לנו חצי מהפרי בעובי 5 ס"מ, החיתוך הבא ייתן לנו פרוסה בעובי 2,5 ס"מ וכו'...10 מכות! לכן, "הדרך" לעולם האטומים אינה ארוכה.

*) השתמשו בסכין עם להב דק לאין שיעור. למעשה, עצם כזה אינו קיים, אך מאחר שאלברט איינשטיין במחקרו התייחס לרכבות הנעות במהירות האור, מותר לנו גם - לצורכי ניסוי מחשבתי - להניח את ההנחה הנ"ל.

אטומים אפלטוניים

אפלטון, מגדולי המוחות של העת העתיקה, תיאר את האטומים מהם היו אמורים להיות מורכבים היסודות בדיאלוג טימאכוס. לתצורות אלו הייתה צורה של פוליהדרה רגילה (מוצקים אפלטוניים). אז הטטרהדרון היה אטום של אש (כקטן והנדיף ביותר), האוקטהדרון היה אטום אוויר, והאיקוסהדרון היה אטום של מים (לכל המוצקים יש קירות של משולשים שווי צלעות). קוביית ריבועים היא אטום של כדור הארץ, ודודקהדרון של מחומשים הוא אטום של יסוד אידיאלי - האתר השמימי (8).