Amb un àtom a través dels segles - part 1

El segle passat es coneix sovint com l'"edat de l'àtom". En aquell moment no gaire llunyà, finalment es va demostrar l'existència dels "maons" que conformen el món que ens envolta, i es van alliberar les forces adormides en ells. La idea de l'àtom mateix, però, té una història molt llarga, i la història de la història del coneixement de l'estructura de la matèria no es pot començar d'una altra manera que amb paraules referides a l'antiguitat.

1. Un fragment del fresc de Rafael "L'escola d'Atenes", que representa Plató (a la dreta, el filòsof té els trets de Leonardo da Vinci) i Aristòtil

"Ja vell..."

… els filòsofs van arribar a la conclusió que tota la natura consta de partícules imperceptiblement petites. Per descomptat, en aquell moment (i durant molt de temps després) els científics no van tenir l'oportunitat de provar les seves hipòtesis. Només eren un intent d'explicar les observacions de la natura i respondre la pregunta: "La matèria pot decaure indefinidament, o hi ha fi a la fissió?«

Les respostes es van donar en diversos cercles culturals (principalment a l'antiga Índia), però el desenvolupament de la ciència va ser influenciat pels estudis dels filòsofs grecs. En els números de vacances de l'any passat de "Jove tècnic", els lectors van conèixer la història centenària del descobriment d'elements ("Perills amb els elements", MT 7-9/2014), que també va començar a l'antiga Grècia. Ja al segle VII aC, el component principal a partir del qual es construeix la matèria (element, element) es buscava en diverses substàncies: aigua (Tales), aire (Anaxímenes), foc (Heràclit) o ​​terra (Xenòfanes).

Empèdocles els va reconciliar tots, declarant que la matèria no consta d'un, sinó de quatre elements. Aristòtil (segle I aC) va afegir una altra substància ideal: l'èter, que omple tot l'univers, i va declarar la possibilitat de la transformació dels elements. D'altra banda, la Terra, situada al centre de l'univers, era observada pel cel, que sempre es va mantenir inalterat. Gràcies a l'autoritat d'Aristòtil, aquesta teoria de l'estructura de la matèria i del conjunt es va considerar correcta durant més de dos mil anys. Es va convertir, entre altres coses, en la base per al desenvolupament de l'alquímia i, per tant, de la pròpia química (1).

2. Bust de Demòcrit d'Abdera (460-370 aC)

Tanmateix, també es va desenvolupar una altra hipòtesi paral·lelament. Leucip (segle XIX aC) creia que la matèria es compon de partícules molt petites movent-se en el buit. Les opinions del filòsof van ser desenvolupades pel seu alumne - Demòcrit d'Abdera (c. 460-370 aC) (2). Va anomenar els "blocs" que formen àtoms de matèria (en grec atomos = indivisible). Va argumentar que són indivisibles i inalterables, i que el seu nombre a l'univers és constant. Els àtoms es mouen en el buit.

Quan àtoms estan connectats (mitjançant un sistema de ganxos i ulls) -es formen tot tipus de cossos, i quan es separen entre ells- els cossos es destrueixen. Demòcrit creia que hi ha una infinitat de tipus d'àtoms, diferents en forma i mida. Les característiques dels àtoms determinen les propietats d'una substància, per exemple, la mel dolça està formada per àtoms llisos, i el vinagre agre està format per angulars; els cossos blancs formen àtoms llisos i els cossos negres formen àtoms amb una superfície rugosa.

La manera com s'uneix el material també afecta les propietats de la matèria: en els sòlids, els àtoms estan estretament adjacents entre si, i en els cossos tous estan situats de manera fluixa. La quintaessència de les opinions de Demòcrit és l'afirmació: "De fet, només hi ha buit i àtoms, tota la resta és una il·lusió".

En segles posteriors, les opinions de Demòcrit van ser desenvolupades per filòsofs successius, també es troben algunes referències als escrits de Plató. Epicur -un dels successors- fins i tot ho creia àtoms consten de components encara més petits (“partícules elementals”). Tanmateix, la teoria atomista de l'estructura de la matèria es va perdre als elements d'Aristòtil. La clau —ja aleshores— es trobava en l'experiència. Fins que no hi havia eines per confirmar l'existència dels àtoms, les transformacions dels elements s'observaven fàcilment.

Per exemple: quan s'escalfava aigua (element fred i humit), s'obtenia aire (vapor calent i humit) i quedava terra al fons del recipient (precipitació freda i seca de substàncies dissoltes a l'aigua). Les propietats que faltaven -calor i sequedat- van ser proporcionades pel foc, que va escalfar el vaixell.

Invariància i constant nombre d'àtoms també contradiuen les observacions, ja que es pensava que els microbis sorgien "del no-res" fins al segle XIX. Les opinions de Demòcrit no van proporcionar cap base per als experiments alquímics relacionats amb la transformació dels metalls. També era difícil imaginar i estudiar la varietat infinita de tipus d'àtoms. La teoria elemental semblava molt més senzilla i explicava de manera més convincent el món circumdant.

3. Retrat de Robert Boyle (1627–1691) de J. Kerseboom.

Caiguda i renaixement

Durant segles, la teoria atòmica s'ha apartat de la ciència convencional. No obstant això, finalment no va morir, les seves idees van sobreviure, arribant als científics europeus en forma de traduccions filosòfiques àrabs d'escrits antics. Amb el desenvolupament del coneixement humà, els fonaments de la teoria d'Aristòtil van començar a enfonsar-se. El sistema heliocèntric de Nicolau Copèrnic, les primeres observacions de supernoves (Tycho de Brache) sorgides del no-res, el descobriment de les lleis del moviment dels planetes (Johannes Kepler) i les llunes de Júpiter (Galileo) van fer que als segles XVI i XVII segles, la gent va deixar de viure sota el cel sense canvis des del començament del món. A la terra també va ser el final de les opinions d'Aristòtil.

Els intents centenaris dels alquimistes no van donar els resultats esperats: no van aconseguir convertir els metalls ordinaris en or. Cada cop més científics qüestionaven l'existència dels mateixos elements, i recordaven la teoria de Demòcrit.

4. L'experiment de 1654 amb els hemisferis de Magdeburg va demostrar l'existència del buit i la pressió atmosfèrica (16 cavalls no poden trencar els hemisferis veïns dels quals es bombejava aire!)

Robert Boyle el 1661 va donar una definició pràctica d'un element químic com una substància que no es pot descompondre en els seus components mitjançant anàlisi química (3). Creia que la matèria es compon de partícules petites, sòlides i indivisibles que es diferencien en forma i mida. Combinant-se, formen molècules de compostos químics que formen la matèria.

Boyle va anomenar aquestes partícules diminutes corpuscles, o "corpúscles" (un diminutiu de la paraula llatina corpus = cos). Les opinions de Boyle es van veure, sens dubte, influenciades per la invenció de la bomba de buit (Otto von Guericke, 1650) i la millora de les bombes de pistó per a comprimir l'aire. L'existència d'un buit i la possibilitat de canviar la distància (com a conseqüència de la compressió) entre les partícules d'aire van testimoniar a favor de la teoria de Demòcrit (4).

El més gran científic de l'època, Sir Isaac Newton, també va ser un científic atòmic. (5). A partir de les opinions de Boyle, va proposar una hipòtesi sobre la fusió del cos en formacions més grans. En comptes de l'antic sistema d'ulls i ganxos, el seu lligament era, si no, per gravetat.

5. Retrat de Sir Isaac Newton (1642-1727), de G. Kneller.

Així, Newton va unir les interaccions a tot l'Univers: una força controlava tant el moviment dels planetes com l'estructura dels components més petits de la matèria. El científic creia que la llum també consta de corpuscles.

Avui sabem que tenia "mitja raó": nombroses interaccions entre la radiació i la matèria s'expliquen pel flux de fotons.

La química entra en joc

Fins gairebé a finals del segle XIX, els àtoms eren prerrogativa dels físics. No obstant això, va ser la revolució química iniciada per Antoine Lavoisier la que va fer acceptar generalment la idea de l'estructura granular de la matèria.

El descobriment de la complexa estructura dels elements antics -aigua i aire- va finalment refutar la teoria d'Aristòtil. A finals del segle XVIII, la llei de conservació de la massa i la creença en la impossibilitat de la transformació dels elements tampoc no van provocar objeccions. Les bàscules s'han convertit en equipament estàndard al laboratori químic.

6. John Dalton (1766-1844)

Gràcies al seu ús, es va notar que els elements es combinen entre si, formant determinats compostos químics en proporcions de massa constants (independentment del seu origen -natural o obtingut artificialment- i del mètode de síntesi).

Aquesta observació s'ha tornat fàcilment explicable si suposem que la matèria consta de parts indivisibles que formen un sol tot. àtoms. El creador de la teoria moderna de l'àtom, John Dalton (1766-1844) (6), va seguir aquest camí. Un científic el 1808 va afirmar que:

1. Els àtoms són indestructibles i immutables (això, per descomptat, descartava la possibilitat de transformacions alquímiques).
2. Tota la matèria està formada per àtoms indivisibles.
3. Tots els àtoms d'un element determinat són iguals, és a dir, tenen la mateixa forma, massa i propietats. Tanmateix, diferents elements estan formats per àtoms diferents.
4. En les reaccions químiques, només canvia la manera d'unir els àtoms, a partir de la qual es construeixen molècules de compostos químics, en determinades proporcions (7).

Un altre descobriment, basat també en l'observació del curs dels canvis químics, va ser la hipòtesi del físic italià Amadeo Avogadro. El científic va arribar a la conclusió que volums iguals de gasos en les mateixes condicions (pressió i temperatura) contenen el mateix nombre de molècules. Aquest descobriment va permetre establir les fórmules de molts compostos químics i determinar les masses àtoms.

7. Símbols atòmics utilitzats per Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Sòlids platònics - símbols dels àtoms dels "elements" antics (Viquipèdia, autor: Maxim Pe)

Quantes vegades cal tallar?

L'aparició de la idea de l'àtom es va associar amb la pregunta: "Hi ha fi a la divisió de la matèria?". Per exemple, agafem una poma de 10 cm de diàmetre i un ganivet i comencem a tallar la fruita. Primer, per la meitat, després mitja poma en dues parts més (paral·lel al tall anterior), etc. Al cap d'unes quantes vegades, és clar, acabarem, però res no ens impedeix continuar l'experiment en la imaginació d'un àtom? Mil, un milió, potser més?

Després de menjar una poma a rodanxes (deliciosa!), comencem els càlculs (els que coneguin el concepte de progressió geomètrica tindran menys problemes). La primera divisió ens donarà la meitat de la fruita amb un gruix de 5 cm, el següent tall ens donarà una llesca amb un gruix de 2,5 cm, etc... 10 batuts! Per tant, el "camí" cap al món dels àtoms no és llarg.

*) Utilitzeu un ganivet amb una fulla infinitament prima. De fet, aquest objecte no existeix, però com que Albert Einstein en la seva investigació considerava que els trens es mouen a la velocitat de la llum, també se'ns permet -a efectes d'un experiment mental- fer el supòsit anterior.

Àtoms platònics

Plató, una de les ments més grans de l'antiguitat, va descriure els àtoms dels quals s'havien de compondre els elements en el diàleg de Timachos. Aquestes formacions tenien forma de poliedres regulars (sòlids platònics). Així doncs, el tetraedre era un àtom de foc (com el més petit i volàtil), l'octaedre era un àtom d'aire i l'icosaedre era un àtom d'aigua (tots els sòlids tenen parets de triangles equilàters). Un cub de quadrats és un àtom de la terra, i un dodecaedre de pentàgons és un àtom d'un element ideal: l'èter celeste (8).