Атомистическая теория: история создания и развития

Удивительна судьба атомистической гипотезы! Представление о неделимых атомах возникло у Демокрита (460-371 гг. до н.э.). Но вскоре после его смерти гипотеза была отвергнута благодаря авторитету Артистотеля, который полагал, что первооснову мира составляет непрерывная материя. Впоследствии католическая церковь превратила учение Аристотеля в догму, противников же вынуждала к отречению от своих взглядов, а труды их сжигала. Лишь в XIII-XIV веках вновь появились отдельные сторонники атомизма, но они преследовались церковью. Французский парламент в начале XVII века запрещал распространение учения об атомах под страхом смертной казни! И все же атомистическую гипотезу поддерживали многие ученые XVII века и начала XVIII (Фрэнсис Бэкон, Декарт, Ньютон и другие). Даниил Бернулли в 1738 году совершенно верно объяснил давление газов движением молекул.

В XVIII веке многие ученые отвернулись от атомизма, но, наперекор общему мнению, учение о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Ломоносов, а французский химик Лавуазье (1743-1794), погибший на гильотине во время французской революции, впервые разделил все вещества на химические элементы (атомы) и химические соединения (молекулы).

В начале XIX века большой шаг вперед сделал английский химик и физик Джон Дальтон. Он впервые сравнил массы атомов друг с другом, определив, при каких весовых отношениях их химическая реакция протекает без остатка. Он также придумал символы для обозначения атомов различных химических элементов и составил таблицу относительных атомных масс — она вышла в свет в 1803 году. Так впервые человек смог измерить невидимое. Но подчеркнем, что определить удалось лишь относительные массы атомов — до их реального «взвешивания» было еще очень далеко.

Идеи атомизма еще очень долго не были общепризнанными в ученом мире — до самого начала ХХ века, до 1912 года!

В одном из учебников 1885 года написано: «Твердый атом живёт в виде невероятной, но всё ещё не опровергнутой гипотезы и поднесь... Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя непрерывна». Противники атомизма говорили, что атомная гипотеза является примитивной тенденцией видеть за всеми явлениями природы механическую модель.

Очень важную роль в судьбе атомизма сыграло незаметное на первый взгляд открытие английского ботаника Роберта Брауна (или Броуна), сделанное в 1827 году. Наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, он обнаружил беспорядочное непрерывное движение частиц взвеси. Лишь полвека спустя было высказано предположение, что это движение вызвано ударами молекул воды.

Первая количественная теория броуновского движения на основе молекулярной гипотезы была создана Эйнштейном в 1905 году (и это было первое появление его имени на арене большой науки). Но опыты по проверке этой теории требовали настолько большой точности, что сам ученый сомневался в их осуществимости. И всё же такие эксперименты провёл французский физик Жан Батист Перрен в 1908-1913 годах. Полученные им результаты столь хорошо согласовались с предсказаниями теории Эйнштейна, что были признаны как решающее подтверждение существования молекул. «Патриарх» физики Лоренц говорил в лекции 1912 года, что реальность молекул стала фактом, почти что наблюдаемым непосредственно.

В этих же опытах Перрена впервые удалось «сосчитать» молекулы — измерить число Авогадро, благодаря чему появилась возможность вычислить их массы. Наконец-то стало ясно, насколько они малы.

Число Авогадро — количество атомов или молекул в одном моле вещества.

Для воды 1 моль — это 18 грамм.

Число Авогадро равно 64023 (23 нуля после цифры 6).

Три символа огромных чисел: число звёзд во всей видимой Вселенной, число песчинок на всех пляжах Земли и число молекул в стакане воды. Чего же больше?

Оказалось, молекул воды в стакане больше.

На втором месте — звёзды.

Между прочим, к этому времени уже был открыт периодический закон Менделеева (1869 г.), закон радиоактивного распада атомов (1903 г.) — то есть нарушение постулата об их неделимости, а Резерфорд в 1911 году уже завершил свои знаменитые опыты, сделав в итоге вывод о существовании атомного ядра. Наглядный пример того, что наука не развивается поступательно, шаг за шагом. Революционные идеи вызревают в недрах старой научной парадигмы и в конце концов ломают её.

Размеры атомов — десятые доли нанометра. Разрешение лучших электронных микроскопов достигает нескольких сотых долей нанометра. На современных электронных фотографиях можно видеть отдельные атомы кристаллических решеток.

Эта история весьма поучительна. С одной стороны, поражает консервативность научной элиты — физики не торопятся признавать новые открытия, пока нет 100% уверенности в подтверждении их на опыте. Зато оборотная сторона этой «упертости» — гарантия научной обоснованности и вечная ценность физических теорий.