Mit einem Atom durch die Zeiten - Teil 1

Das letzte Jahrhundert wird oft als „Zeitalter des Atoms“ bezeichnet. Zu diesem nicht allzu fernen Zeitpunkt wurde endlich die Existenz der „Steine“ bewiesen, aus denen die Welt um uns herum besteht, und die in ihnen schlummernden Kräfte wurden freigesetzt. Die Idee des Atoms hat jedoch eine sehr lange Geschichte, und die Geschichte der Wissensgeschichte über die Struktur der Materie kann nur mit Worten beginnen, die sich auf die Antike beziehen.

1. Fragment von Raffaels Fresko „Die Schule von Athen“, das Platon (rechts zeigt der Philosoph Züge von Leonardo da Vinci) und Aristoteles darstellt

„Schon uralt…“

…Philosophen sind zu dem Schluss gekommen, dass die gesamte Natur aus unmerklich kleinen Teilchen besteht. Natürlich hatten Wissenschaftler zu diesem Zeitpunkt (und noch lange danach) keine Möglichkeit, ihre Annahmen zu überprüfen. Sie waren nur ein Versuch, Naturbeobachtungen zu erklären und die Frage zu beantworten: „Kann Materie auf unbestimmte Zeit zerfallen, oder gibt es ein Ende der Kernspaltung?«

Antworten darauf gab es in verschiedenen Kulturkreisen (hauptsächlich im alten Indien), doch die Entwicklung der Wissenschaft wurde durch die Forschungen griechischer Philosophen beeinflusst. In den letztjährigen Ferienausgaben von Young Technician erfuhren die Leser etwas über die jahrhundertealte Geschichte der Entdeckung der Elemente („Gefahren mit den Elementen“, MT 7-9/2014), die ebenfalls im antiken Griechenland begann. Schon im XNUMX. Jahrhundert v. Chr. suchte man den Hauptbestandteil, aus dem Materie aufgebaut ist (Element, Element), in verschiedenen Stoffen: Wasser (Thales), Luft (Anaximenes), Feuer (Heraklit) oder Erde (Xenophanes).

Empedokles brachte sie alle in Einklang, indem er erklärte, dass Materie nicht aus einem, sondern aus vier Elementen bestehe. Aristoteles (1. Jahrhundert v. Chr.) fügte eine weitere ideale Substanz hinzu – den Äther, der das gesamte Universum erfüllt, und erklärte die Möglichkeit der Transformation von Elementen. Andererseits wurde die Erde, die sich im Zentrum des Universums befindet, vom Himmel beobachtet, der immer unverändert blieb. Dank der Autorität des Aristoteles galt diese Theorie der Struktur der Materie und des Ganzen mehr als zweitausend Jahre lang als gültig. Es wurde unter anderem zur Grundlage für die Entwicklung der Alchemie und damit der Chemie selbst (XNUMX).

2. Büste des Demokrit von Abdera (460-370 v. Chr.)

Parallel dazu entwickelte sich jedoch eine andere Hypothese. Leukipp (XNUMX. Jahrhundert v. Chr.) glaubte, dass Materie aus Stoffen besteht sehr kleine Partikel sich in einem Vakuum bewegen. Die Ansichten des Philosophen wurden von seinem Schüler Demokrit von Abdera (ca. 460-370 v. Chr.) entwickelt (2). Er nannte die „Blöcke“, aus denen Materie besteht, Atome (griech. atomos = unteilbar). Er argumentierte, dass sie unteilbar und unveränderlich sind und dass ihre Anzahl im Universum konstant ist. Atome bewegen sich im Vakuum.

Wenn Atome sie sind verbunden (durch ein System von Haken und Ösen) – es entstehen alle Arten von Körpern, und wenn sie voneinander getrennt werden – werden die Körper zerstört. Demokrit glaubte, dass es unendlich viele Arten von Atomen gibt, die sich in Form und Größe unterscheiden. Die Eigenschaften von Atomen bestimmen die Eigenschaften einer Substanz, zum Beispiel besteht süßer Honig aus glatten Atomen und saurer Essig aus eckigen; Weiße Körper bilden glatte Atome und schwarze Körper Atome mit rauer Oberfläche.

Auch die Art der Materialverbindung beeinflusst die Eigenschaften der Materie: In festen Körpern liegen die Atome eng aneinander, während sie in weichen Körpern locker angeordnet sind. Die Quintessenz der Ansichten Demokrits ist die Aussage: „Tatsächlich gibt es nur Leere und Atome, alles andere ist eine Illusion.“

In späteren Jahrhunderten wurden die Ansichten von Demokrit von aufeinanderfolgenden Philosophen weiterentwickelt, und einige Hinweise finden sich auch in den Werken von Platon. Epikur, einer der Nachfolger, glaubte das sogar Atome sie bestehen aus noch kleineren Bestandteilen („Elementarteilchen“). Allerdings verlor die Atomtheorie der Struktur der Materie an die Elemente des Aristoteles. Der Schlüssel war – schon damals – die Erfahrung. Bis es Instrumente gab, die die Existenz von Atomen bestätigten, konnten die Umwandlungen von Elementen leicht beobachtet werden.

Zum Beispiel: Beim Erhitzen von Wasser (ein kaltes und nasses Element) entstand Luft (heißer und nasser Dampf) und Erde blieb am Boden des Gefäßes zurück (kalte und trockene Sedimente von im Wasser gelösten Stoffen). Für die fehlenden Eigenschaften – Wärme und Trockenheit – sorgte das Feuer, mit dem das Gefäß erhitzt wurde.

Invarianz und Konstante Anzahl der Atome Sie widersprachen auch Beobachtungen, da man bis zum XNUMX. Jahrhundert davon ausging, dass Mikroben „aus dem Nichts“ entstehen. Die Ansichten von Demokrit boten keine Grundlage für alchemistische Experimente im Zusammenhang mit der Umwandlung von Metallen. Es war auch schwierig, sich die unendliche Zahl der Atomarten vorzustellen und zu studieren. Die Elementartheorie schien viel einfacher zu sein und erklärte die Welt um uns herum überzeugender.

3. Porträt von Robert Boyle (1627–1691) von J. Kerseboom.

Fall und Wiedergeburt

Über Jahrhunderte hinweg unterschied sich die Atomtheorie von der Mainstream-Wissenschaft. Sie starb jedoch nicht vollständig; ihre Ideen überlebten und erreichten europäische Wissenschaftler in Form arabischer philosophischer Übersetzungen antiker Werke. Mit der Entwicklung des menschlichen Wissens begannen die Grundlagen der Theorie des Aristoteles zu bröckeln. Das heliozentrische System von Nikolaus Kopernikus, die ersten Beobachtungen von Supernovae (Tycho de Bras), die aus dem Nichts auftauchten, die Entdeckung der Gesetze der Planetenbewegung (Johanns Kepler) und die Monde des Jupiter (Galilei) führten dazu im XNUMX. und XNUMX. Jahrhundert Die Menschen hörten auf, seit Anbeginn der Welt unverändert unter dem Himmel zu leben. Auch auf der Erde war mit den Ansichten des Aristoteles ein Ende.

Die jahrhundertealten Versuche der Alchemisten brachten nicht die erwarteten Ergebnisse – es gelang ihnen nicht, gewöhnliche Metalle in Gold zu verwandeln. Immer mehr Wissenschaftler stellten die Existenz der Elemente selbst in Frage und erinnerten sich an die Theorie von Demokrit.

4. Das Experiment mit den Magdeburger Halbkugeln von 1654 bewies die Existenz von Vakuum und Atmosphärendruck (16 Pferde können die benachbarten Halbkugeln, aus denen Luft abgepumpt wurde, nicht auseinanderreißen!)

Robert Boyle gab 1661 eine praktische Definition eines chemischen Elements als einer Substanz, die durch chemische Analyse nicht in ihre Bestandteile zerlegt werden kann (3). Er glaubte, dass Materie aus kleinen, harten und unteilbaren Teilchen besteht, die in Form und Größe variieren. Durch ihre Kombination bilden sie die Moleküle chemischer Verbindungen, aus denen die Materie besteht.

Boyle nannte diese winzigen Teilchen Korpuskel oder „Körperchen“ (eine Verkleinerungsform des lateinischen Wortes corpus = Körper). Boyles Ansichten wurden zweifellos von der Erfindung der Vakuumpumpe (Otto von Guericke, 1650) und der Verbesserung von Kolbenpumpen zur Luftkomprimierung beeinflusst. Das Vorhandensein eines Vakuums und die Möglichkeit, den Abstand (durch Kompression) zwischen Luftpartikeln zu ändern, zeugten für die Theorie von Demokrit (4).

Der größte Wissenschaftler seiner Zeit, Sir Isaac Newton, war auch Atomwissenschaftler. (5). Basierend auf den Ansichten von Boyle stellte er eine Hypothese über die Verschmelzung des Körpers zu größeren Formationen auf. Anstelle des uralten Systems von Ösen und Haken erfolgte ihre Bindung – wie sonst – durch die Schwerkraft.

5. Porträt von Sir Isaac Newton (1642-1727), Werk von G. Kneller.

Damit vereinheitlichte Newton die Wechselwirkungen im gesamten Universum – eine Kraft kontrollierte sowohl die Bewegung der Planeten als auch die Struktur der kleinsten Bestandteile der Materie. Der Wissenschaftler glaubte, dass auch Licht aus Teilchen besteht.

Heute wissen wir, dass er „halb recht“ hatte – zahlreiche Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie werden durch den Photonenfluss erklärt.

Die Chemie kommt ins Spiel

Fast bis zum Ende des XNUMX. Jahrhunderts waren Atome das Vorrecht der Physiker. Es war jedoch die von Antoine Lavoisier eingeleitete chemische Revolution, die das Konzept der körnigen Struktur der Materie allgemein akzeptierte.

Die Entdeckung der komplexen Struktur der antiken Elemente Wasser und Luft widerlegte endgültig die Theorie des Aristoteles. Auch gegen das Massenerhaltungsgesetz und den Glauben an die Unmöglichkeit der Elementumwandlung gab es am Ende des XNUMX. Jahrhunderts keine Einwände. Waagen sind im Chemielabor zur Standardausrüstung geworden.

6. John Dalton (1766–1844)

Dank seiner Verwendung wurde festgestellt, dass sich die Elemente miteinander verbinden und bestimmte chemische Verbindungen in konstanten Massenverhältnissen bilden (unabhängig von ihrer Herkunft - natürlich oder künstlich gewonnen - und der Synthesemethode).

Diese Beobachtung lässt sich leicht erklären, wenn wir annehmen, dass Materie aus unteilbaren Teilen besteht, die ein einziges Ganzes bilden. Atome. Diesen Weg beschritt der Schöpfer der modernen Atomtheorie, John Dalton (1766-1844) (6). Der Wissenschaftler erklärte 1808:

1. Atome sind unzerstörbar und unveränderlich (dies schließt natürlich die Möglichkeit alchemistischer Transformationen aus).
2. Alle Materie besteht aus unteilbaren Atomen.
3. Alle Atome eines bestimmten Elements sind gleich, das heißt, sie haben die gleiche Form, Masse und Eigenschaften. Allerdings bestehen verschiedene Elemente aus unterschiedlichen Atomen.
4. Bei chemischen Reaktionen ändert sich nur die Art der Verbindung von Atomen, aus denen Moleküle chemischer Verbindungen aufgebaut werden - in bestimmten Anteilen (7).

Eine weitere Entdeckung, die ebenfalls auf der Beobachtung des Fortschritts chemischer Veränderungen beruhte, war die Hypothese des italienischen Physikers Amadeo Avogadro. Der Wissenschaftler kam zu dem Schluss, dass gleiche Gasvolumina unter gleichen Bedingungen (Druck und Temperatur) die gleiche Anzahl an Molekülen enthalten. Diese Entdeckung ermöglichte es, die Formeln vieler chemischer Verbindungen aufzustellen und die Massen zu bestimmen Atome.

7. Von Dalton verwendete Atomsymbole (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Platonische Körper – Symbole der Atome antiker „Elemente“ (Wikipedia, Autor: Maxim Pe)

Wie oft schneiden?

Die Entstehung der Idee des Atoms war mit der Frage verbunden: „Gibt es ein Ende der Teilung der Materie?“ Nehmen Sie zum Beispiel einen Apfel mit einem Durchmesser von 10 cm und ein Messer und beginnen Sie mit dem Schneiden der Früchte. Zuerst halbieren, dann einen halben Apfel in zwei weitere Teile teilen (parallel zum vorherigen Schnitt) usw. Nach ein paar Malen sind wir natürlich fertig, aber nichts hindert uns daran, das Experiment in der Vorstellung eines Atoms fortzusetzen? Tausend, eine Million oder vielleicht mehr?

Nachdem wir einen in Scheiben geschnittenen Apfel gegessen haben (köstlich!), beginnen wir mit den Berechnungen (wer das Konzept der geometrischen Progression kennt, wird weniger Probleme haben). Bei der ersten Teilung erhalten wir eine Hälfte der Frucht mit einer Dicke von 5 cm, beim nächsten Schnitt erhalten wir eine Scheibe mit einer Dicke von 2,5 cm usw. ... 10 gebrochen! Daher ist der „Weg“ in die Welt der Atome nicht lang.

*) Wir verwenden ein Messer mit einer unendlich dünnen Klinge. Tatsächlich existiert ein solches Objekt nicht, aber da sich Albert Einsteins Forschungen mit Zügen beschäftigten, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegten, dürfen wir zum Zweck eines Gedankenexperiments auch die obige Annahme treffen.

Platonische Atome

Platon, einer der größten Geister der Antike, beschrieb in seinem Dialog Timachos die Atome, aus denen die Elemente zusammengesetzt sein sollten. Diese Gebilde hatten die Form regelmäßiger Polyeder (platonischer Körper). Das Tetraeder war also ein Feueratom (als kleinstes und flüchtigstes), das Oktaeder war ein Luftatom und das Ikosaeder war ein Wasseratom (alle Festkörper haben Wände aus gleichseitigen Dreiecken). Ein Würfel aus Quadraten ist ein Atom der Erde und ein Dodekaeder aus Fünfecken ist ein Atom eines idealen Elements – des himmlischen Äthers (8).