Рефераты по точным наукам

Времена

Массы тел

Атомы. Появление на свет

От атомов к молекулам

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Стремление постичь тайны времени, пространства, и своё место во Вселенной издавна не давало покоя человеку. Вот и сегодня, как отмечает известный писатель-фантаст Е. И. Парнов, человек снова “стоит на перекрёстке бесконечностей. Одна дорога уводит его в мир галактик, туда, где разлетающееся вещество достигает почти световых скоростей, другая - в микромир с исчезающе малыми масштабами расстояний и длительностей...”

И уже несколько тысячелетий, не зная покоя, человеческая мысль блуждает по этим дорогам. Отправной точкой в её странствиях всегда была Земля. Когда-то и она казалась необозримо большой и граница видимого горизонта считалась краем света. Но в 1521 г. завершилось первое кругосветное плавание португальца Фернандо Магеллана, и люди узнали, что их мир измеряется двумя годами путешествия. А ещё через 440 лет российский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин “уменьшил” его до 89 минут! Размеры Земли перестали казаться фантастически большими, и сама она “превратилась” в рядовую планету, обращающуюся вокруг Солнца, путешествующего по бескрайним просторам Вселенной.

В Средние века люди воспринимали мир как грандиозное представление, главным героем которого был человек. Именно он считался центром Вселенной. “Кто же, - писал французский учёный Анри Пуанкаре, - освободил нас от этой иллюзии? Те, кто показал нам, что Земля есть лишь одна из самых малых планет Солнечной системы и что сама Солнечная система - только незаметная точка в беспредельных пространствах звёздной Вселенной”.

Чтобы осознать своё место в ней, человечеству потребовалось не одно тысячелетие. И лишь в XX столетии люди, наконец, поняли, в каком мире они живут. Открытие пространственно-временной структуры Вселенной явилось величайшим достижением науки.

Ещё в середине XVII в. французский учёный Блез Паскаль писал, что “не огромность мира звёзд вызывает восхищение, а человек, который измерил его”. За прошедшие с тех пор столетия наука обогатилась многими новыми открытиями. Однако чем больше мы узнавали о Вселенной, тем скромнее оценивали своё место в ней. Поэтому, когда Альберта Эйнштейна спросили: “Что бы вы ответили на смертном одре на вопрос: успешной или напрасной была прожитая жизнь?” - великий учёный сказал: “Ни на смертном одре, ни до него подобный вопрос не мог меня интересовать... Я ведь только крошечная частица природы”

РАССТОЯНИЯ

Диаметр нашей планеты составляет около 12800 км, Солнца - в 109 раз больше. Если представить себе Землю в виде крупинки размером 1 мм, то диаметр Солнца окажется равным примерно 11 см. При этом Земля (в выбранном масштабе) будет двигаться вокруг светила по орбите радиусом чуть меньше 12 м. Диаметр же всей Солнечной системы превысит 900 м!

Выйдем за её пределы. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Кентавра находится от нас на расстоянии, почти в 7 тыс. раз превышающем радиус Солнечной системы. Чтобы преодолеть такой путь, свету требуется более четырёх лет. Если же выразить это расстояние в километрах, получится 14-значное число. В астрономии для измерения столь больших расстояний используется специальная единица, называемая парсеком (пк);1 пк = 3,09 10 ¹³ км. Расстояние до Проксимы Кентавра равно 1,31 пк. Космическая станция, движущаяся с третьей космической скоростью (16,67 км/с), доберётся до неё не ранее чем за 70 тыс. лет! А ведь это наша ближайшая “соседка”, остальные звёзды расположены ещё дальше.

За пределами Млечного Пути простираются триллионы других галактик. Все вместе они образуют Метагалактику. Свет даже ближайшей из них (Малого Магелланова Облака) идёт до нас 170 тыс. лет.

Малое Магелланово Облако - это сравнительно небольшая звёздная система, которая наряду с Большим Магеллановым Облаком относится к спутникам Млечного Пути. Значительно дальше находится Туманность Андромеды - ближайшая из числа похожих на нашу Галактику. Свет от неё идет до нас около 2 млн. лет.

А самые далёкие из известных нам космических объектов находятся от Земли на расстоянии 5000 Мпк. Глядя на них сегодня, мы видим их такими, какими они были около 15 млрд. лет назад!

Обратим теперь свой взгляд в обратную сторону - ту, которая уводит нас в глубь материи. “Мир, - писал американский физик Ричард Филлипс Фейнман, - если смотреть на него издали, кажется круглым, гладким, чисто отполированным шариком, но если посмотреть на него вблизи, он оказывается очень сложным: миллиарды крохотных атомов, всевозможные неровности”.

Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть ни в один оптический микроскоп. По своим размерам (примерно 10 ^-10 м) они во столько же раз меньше обыкновенного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара. А число атомов в яблоке так же велико, как и число звезд в наблюдаемой Вселенной.

Ещё меньше протоны и нейтроны, образующие ядро атома. Если попытаться изобразить атом, в котором ядро имеет вид пятнышка диаметром 1 мм, получится рисунок поперечником 100 м!

Протоны и нейтроны, в свою очередь, тоже имеют сложное строение. Они состоят из частиц, называемых кварками. Кварки, а также лептоны, к которым относится, например, электрон, по сегодняшним представлениям, - самые маленькие частицы материи. Их размеры столь малы, что даже не поддаются определению: известно лишь, что они меньше 10 ^-18 м. В теориях, описывающих поведение кварков и лептонов, они рассматриваются как точечные бесструктурные образования.

ВРЕМЕНА

Когда-то Вселенная представлялась людям вечной и неизменной. Одно время так думал даже великий Альберт Эйнштейн. Но в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953) установил, что Вселенная расширяется: галактики и их скопления удаляются друг от друга, причём со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Но если это так, то раньше все галактики располагались ближе друг к другу, чем сейчас. Был, очевидно, и такой момент, когда всё вещество Вселенной находилось в сжатом до бесконечно большой плотности состоянии. Потом оно стало стремительно расширяться, что и происходит до сих пор.

Начало расширения Вселенной в астрономии называется Большим взрывом, а время, прошедшее от Большого взрыва до наших дней, - возрастом Вселенной. По приблизительным оценкам, он составляет около 15 млрд. лет.

Что же произошло за это время в нашей Вселенной? Чтобы легче было проследить эволюцию нашего мира во времени, американский астроном Карл Саган (1934 - 1996-) придумал любопытный способ изложения космической хронологии. Всю историю Вселенной он описал в масштабе, при котором одной “космической секунде” соответствует 500 реальных земных лет. Продолжительность существования нашего мира “сжалась” в результате до одного воображаемого “космического года”. В соответствии с масштабом, выбранным Саганом, первые люди появились “вечером” последнего дня первого “года” в истории Вселенной. Как ни удивительно, но на тот же день приходятся и современные события. Этот день ещё не закончился, до “нового года” осталось около 40 мин. В реальном измерении они истекут через миллион с лишним лет.

Наряду со сверхбольшими интервалами времени, сравнимыми с возрастом Вселенной и даже превышающими его (например, период полураспада изотопа свинца ²⁰⁴ РЬ составляет 1,4ґ 10 ¹⁷ лет), сегодня наука имеет дело и со сверхмалыми временами, поражающими воображение в не меньшей степени, нежели приведённые выше.

Так, солнечный свет достигает Земли примерно за 8 мин. Период колебаний напряжения в розетке осветительной сети составляет лишь 0,02 с. Время же, за которое свет от экрана включённого телевизора доходит до человека, расположившегося в 2 м от него, в 3 млн. раз меньше! Но и это время, измеряемое миллиардными долями секунды, является огромным по сравнению с периодом жизни элементарных частиц, называемых резонансами . Оно составляет порядка 10 ^-22 –10 ^-24 с и приблизительно во столько же раз меньше возраста Вселенной, во сколько размер протона уступает размерам наблюдаемой Вселенной.

МАССЫ ТЕЛ

Наименьшей массой во Вселенной обладают элементарные частицы. Масса электрона равна 0,9ґ 10 ^-30 кг. Примерно в 1800 раз тяжелее протон и нейтрон. В состав Земли входит около 3,5ґ 10 ⁵¹ протонов и нейтронов, а 1,2ґ 10 ⁵⁷ этих частиц образуют Солнце. Следовательно, масса Земли приблизительно равна 6ґ 10 ²⁴ кг, а масса Солнца - 2ґ 10 ³⁰ кг, т. е. в 300 тыс. раз больше.

Основная масса живого вещества на Земле сосредоточена в растениях - это 2400 млрд. т. Что касается людей, их общая масса составляет около 300 млн. т.

Масса Галактики равна примерно 1,5ґ 10 ¹¹ массы Солнца. Чтобы оценить массу всей наблюдаемой Вселенной, следует учесть, что она содержит более 10 ²³ звёзд. Если считать Солнце типичной звездой средней величины, то масса всего звёздного вещества во Вселенной составит 10 ⁵³ кг – 10 ⁵⁴ кг.

Приведённые данные стали известны лишь в XX столетии. И хотя они приблизительны, тем не менее, как заметили авторы знаменитого Берклиевского курса физики, “самое замечательное в этих числах - это то, что мы их вообще знаем”.

Родоначальник античной науки, древнегреческий философ Фалес (около 625 - около 547 до н. э.), такой первоосновой считал воду. Уплотняясь, она образует твёрдые тела, испаряясь - воздух. Всё произошло из воды, говорил Фалес, и Земля плавает на воде, подобно куску дерева.

Впоследствии Эмпедокл из Агригента (около 490 - около 430 до н. э.) довёл количество элементов, являющихся первоначалами мира, до четырёх. При горении дерева, рассуждал он, сначала поднимается дым (воздух), а затем возникает пламя (огонь). При этом на холодной поверхности, оказавшейся рядом с пламенем, образуется влага (вода), а после сгорания дерева остаётся зола (земля). И потому основными элементами мира (или “корнями”, как он их называл) следует считать огонь, воздух, воду и землю. К ним Эмпедокл добавил два “возбудителя движения” - любовь, стремящуюся соединить разнородные элементы, и вражду, разделяющую их.

Не всех удовлетворяло сведение всего существующего к проявлению четырёх стихий. Является ли образующая мир материя непрерывной? Существует ли пустота, где нет никакой материи? Не состоят ли и эти четыре стихии из каких-то первичных сущностей? Что получится, если делить, например, ту же воду на всё более и более мелкие капли? Будет ли такое деление бесконечным или, дойдя до какой-либо мельчайшей частицы, мы уже не сможем далее продолжить его? Над этими вопросами размышляло не одно поколение философов.

В V в. до н. э. древнегреческим учёным Левкиппом. а затем его учеником из города Абдера (Фракия) Демокритом (около 460 - 371 до н. э.) была выдвинута атомистическая гипотеза. В соответствии с ней всё в мире состоит из атомов, различающихся своей формой, порядком и ориентацией в теле; между атомами находится пустота.

По легенде, идея о существовании атомов возникла у её автора, когда он разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части? Мысль о том, что существует предел такого деления, и побудила назвать мельчайшие (далее уже неделимые) частицы материи атомами (в буквальном переводе с языка древних греков слово “атом” означает “неразрезаемый”, “нерассекаемый”).

Развивая атомистические идеи Левкиппа, Демокрит создал всеобъемлющую научную систему, включающую в себя учение о космосе, теорию познания, логику, этику, математику, биологию и психологию. Согласно его учению, в природе существуют лишь два начала - пустота и атомы. Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения. Философ был настолько убеждённым атомистом, что даже человеческую душу и богов представлял в виде комбинаций атомов.

Последователем Левкиппа и Демокрита был Эпикур (341-270 до н. э.). Их учение о существовании частиц противоречило другой идее - идее о бесконечной делимости материи философа Анаксагора (около 500 - 428 до н. э.) из города Клазомены в Малой Азии. Аргументы в пользу атомистического учения можно найти в знаменитой поэме древнеримского поэта и философа Тита Лукреция Кара (I в. до н. э.) “0 природе вещей”.

Удивительна судьба атомистической гипотезы! Уже через несколько десятилетий после смерти Демокрита она была подвергнута серьёзной критике со стороны Аристотеля из Стагиры (384-322 до н.э.). Если атомы - это мельчайшие и неделимые частицы, то, как они могут отличаться друг от друга? Разве можно говорить о форме и ориентации того, что не имеет частей? “У неделимого, - подчёркивает Аристотель, - нет ни края, ни какой-либо другой части”. Впрочем, отмечает философ, не правы и те, кто верит в бесконечную: делимость материи. Ибо что останется после такого деления? Не имеющие размеров точки? Но это –“ничто”. “Значит, - пишет Аристотель, - ничего не осталось бы и тело уничтожилось бы, превратившись в [нечто] бестелесное. И тогда оно вновь могло бы возникнуть или из точек, или вообще ни из чего. Но разве это возможно?.. Ведь хотя бы даже все точки сложились вместе, всё равно они не составили бы никакой величины”.

Согласно Аристотелю, основу мира составляет некая первичная материя. Она непрерывна: ни атомов, ни пустоты в ней не существует. Первичная материя может принимать форму какой-либо из четырёх стихий - огня, воздуха, воды или земли. Вступая во всевозможные соединения, они образуют различные вещества.

Впоследствии Католическая церковь превратила учение Аристотеля в догму, в которую следовало лишь слепо верить, не пытаясь, что-либо менять. В XI в. кардинал Пётр Дамиани (10071072) объявил науку “служанкой теологии”. Существование атомов не укладывалось в систему религиозных представлений о мире (если Бог построен из атомов, то кто и когда создал атомы?), и о мельчайших частицах материи надолго забыли.

“Мы были свидетелями гибели учёных, - писал в XI в. персидский и таджикский поэт, и естествоиспытатель Омар Хайям (настоящее имя Гиясаддин Абу-ль-Фатх Омар ибн Ибрахим; около 1048 – после 1122), - от которых осталась малочисленная, но многострадальная кучка людей. Суровость судьбы в эти времена препятствует им всецело отдаться совершенствованию и углублению своей науки. Большая часть из тех, кто в настоящее время имеет вид учёных, одевает истину ложью и, не выходя в науке за пределы подделки и лицемерия, использует тот запас знаний, которыми они обладают, только для низменных, плотских целей”.

Лишь в XIII и XIV вв. вновь появляются отдельные сторонники атомизма. Например, французский учёный Никола из Отрекура (около 1300 - после 1350) считал, что в явлениях природы нет ничего, кроме движения, соединения и разъединения атомов. Но и он в 1347 г. был вынужден публично отречься от своих взглядов, а его сочинение, осуждённое Церковью, было публично сожжено.

Потребовалось ещё 300 лет, прежде чем, наконец, появился учебник “Наставления физики” (1638 г.) Иоганна Шперлинга (1603-1658), в котором решительно утверждалось:

“Учение об атомах не столь ужасно, как это кажется многим. Позорной язвой нашего века являются осмеяние, освистание, осуждение всего, о чём не сразу можно высказать своё мнение... Ничего не стоит сказать, что Эпикур бредил, что Демокрит безумствовал, что древние были дураки”.

В начале XVII в. французский учёный Пьер Гассендй (1592-1655) для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов, впервые вводит термин “молекула” (что в переводе с латинского означает “маленькая масса”). Атомно-молекулярные представления начинают привлекать внимание химиков и физиков. Однако до реабилитации Демокрита было ещё далеко: Церковь упорно придерживалась взглядов Аристотеля и карала каждого инакомыслящего.

Летом 1624 г. группа французских учёных решила организовать в Париже публичный диспут, на котором предполагалось подвергнуть учение Аристотеля резкой критике. 14-й тезис подготовленной программы возрождал атомистическую гипотезу. Однако этому диспуту не суждено было состояться. В назначенный день одного из его устроителей, де Клава, арестовали, а другому, Виллону, пришлось скрыться. Остальным участникам диспута было предписано покинуть Париж в 24 часа. При этом французский парламент принял постановление, по которому организация подобной полемики и распространение учения об атомах впредь запрещались под страхом смертной казни.

Прошло ещё почти 100лет, прежде, чем идеи о мельчайших частицах вещества стал развивать Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Различая два вида “нечувствительных частиц” материи, он даёт им названия “элементы” (равные понятию “атом”) и “корпускулы” (равные понятию “молекула”). По Ломоносову, “элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличных между собою тел”; корпускула есть собрание элемента в одну небольшую массу”.

Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано английскому учёному Джону Дальтону (1766-1844), который впервые предпринял попытку количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных химических элементов.

Но тот же Дальтон ввёл в химию представление о “сложных атомах”, итальянский физик и химик Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья эди Черрето (1776 - 1856) - понятие об “элементарных молекулах”. Возникшая путаница в понятиях и отсутствие единой общепринятой терминологии стали затруднять дальнейшее развитие химии. Важную роль в уточнении используемых понятий сыграл Международный химический конгресс в Немецком городе Карлсруэ, собравший в 1860 г. 140 учёных из разных стран. После блестящего и “воодушевлённого” (по словам Дмитрия Ивановича Менделеева) доклада итальянского химика Станислао Каннилццаро (1826-1910) конгресс путем голосования принял решение о различии понятий “атом” и “молекула”, раз и навсегда покончив с существовавшей ранее путаницей.

Между тем многие учёные и после этого продолжали считать атомы и молекулы не реально существующими частицами, а лишь рабочими гипотезами, придуманными ради удобства. Например, немецкий физикохимик Вильгельм Фридрих Оствальд (1853-1932) утверждал, что “атомы будут существовать только в пыли библиотек”. Другой известный учёный, австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838-1916), на все доводы в пользу существования атомов обычно отвечал: “А вы видели хотя бы один атом?”.

Иной точки зрения придерживался австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман (1844 - 1906). Несмотря на дружбу с Оствальдом и огромное уважение, которое он испытывал к Маху, сам Больцман, в отличие от них, был страстным и убеждённым сторонником атомно-молекулярного учения и много сделал для его развития. Однажды во время обсуждения атомистической теории в Венской академии наук он вдруг услышал, как Мах лаконично заметил: “Я не верю в существование атомов”. “От этого высказывания, - вспоминал впоследствии Людвиг Больцман, - у меня голова пошла кругом.”

Учёный не дожил до того времени, когда были осуществлены решающие опыты, неопровержимо доказавшие реальность существования атомов. Он тяжело переживал разногласия с коллегами-современниками и, в частности, поэтому в 1906 г. покончил с собой. “То, на что жалуется поэт, - писал Больцман, - верно и для теоретика: творения его написаны кровью его сердца, и высшая мудрость граничит с высшим безумием”.

Сегодня никто уже не сомневается в существовании атомов, однако, реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже Больцман по этому поводу писал: “В неделимость атома не верит в настоящее время ни один физик”.

Однако установить истинную структуру атома удалось лишь спустя пять лет после его смерти, когда на основе продолжительных и кропотливых экспериментов английский физик Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) пришёл к выводу, что атом представляет собой положительно заряженное ядро, окружённое электронной оболочкой.

Обнаружение этой структуры ознаменовало третье рождение атома. Так из умозрительной гипотезы он превратился в реальную и осязаемую единицу материи.

ОТ АТОМОВ К МОЛЕКУЛАМ

Означает ли многообразие веществ, существующих в природе, что и число различных видов атомов также бесконечно велико?

“В мире существует бесконечное число атомов... Атомы обладают бесконечным числом форм. Число форм бесконечно, потому что в природе нет оснований, чтобы оно было ограничено определённым значением, чтобы оно было таким, а не иным”. Так, по свидетельству философа Симплиция (VI в.), отвечал на этот вопрос Левкипп, а вслед за ним его друг и ученик Демокрит.

Однако уже Аристотель заметил, что для объяснения наблюдаемых явлений не обязательно допускать существование бесконечного числа различных атомов, ибо и на основе их “ограниченного числа можно было доказать всё то же самое”.

Здесь Аристотель оказался прав. В настоящее время известно, что число различных атомов действительно ограниченно, - их лишь немногим более 100. Большинство же веществ построено из молекул - разнообразных сочетаний этих атомов. Например, молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода (СО ₂ ), молекула воды - из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н ₂ О) и т. д. Но это мы знаем сейчас. В конце XVIII в., когда английский физик, химик и метеоролог Джон Дальтон приступал к исследованию свойств мельчайших частиц вещества, об атомах и молекулах знали почти столько же, сколько за 2 тыс. лет до этого. Тем не менее, учёный не побоялся бросить вызов природе, взявшись “взвесить” то, что увидеть было невозможно.

Возможно ли определить массу того или иного конкретного атома? Никому раньше в голову не приходило, что такое реально. Да и сами атомы – существуют ли они? У Дальтона на этот счёт сомнений не возникало. Он был настолько убеждён в существовании атомов, что иногда ему казалось: он их видит воочию.

Следующим шагом в развитии молекулярных представлений было определение состава молекул различных соединений, в частности воды. Для этого Авогадро воспользовался экспериментальным фактом, установленным несколькими годами ранее французским химиком и физиком Жозёфом Луи Гей-Люссаком (1778-1850). В 1808 г. он обнаружил, что для образования водяного пара объемом 2V нужно, чтобы в реакции участвовали водород такого же объёма и кислород объёма V. Схематически это можно изобразить следующим образом:

До открытия закона Авогадро этот факт мало о чём говорил. Ведь частицы газообразного водорода могли быть расположены вдвое дальше друг от друга, чем атомы газообразного кислорода, и потому обнаруженная разница в объёмах могла не иметь никакого отношения к числу молекул. Однако после того, как закон был установлен, ситуация резко изменилась. Равные объёмы газов (при одинаковых условиях) содержат одинаковые количества молекул. Пусть в объёме V находится N молекул, тогда в объёме 2 V будет содержаться 2 N молекул и приведённое выше уравнение примет вид:

или (после сокращения на N)

Проанализировав полученное соотношение, Авогадро пришёл к выводу, что молекулы водорода и кислорода двухатомны. Если бы это было не так и молекулы водорода и кислорода были одноатомными, то имело бы место следующее уравнение:

Но здесь образуется лишь одна молекула воды, в то время как на самом деле их должно быть две. Если молекулы водорода и кислорода содержат по два атома, то мы сразу приходим к правильному уравнению:

Так Авогадро впервые установил, из скольких атомов состоят молекулы водорода, кислорода и воды. Впоследствии им, а затем и другими учёными была определена структура всех остальных известных молекул. Оказалось, что число атомов в молекулах может достигать нескольких десятков, а в отдельных случаях даже сотен и тысяч (у некоторых витаминов и белков).

Наука не стоит на месте. Появляются сканирующие микроскопы, в которых датчиком наблюдательного устройства является остро заточенная игла, перемещающаяся над изучаемой поверхностью и реагирующая на изменение силы притяжения к её атомам или молекулам. Их разрешающая способность может составлять уже сотые доли нанометра. Наблюдение структур с масштабами порядка нанометра и менее делает возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. Роль проводов в подобных структурах выполняют химические связи, а элементами таких “молекулярных компьютеров” становятся соединённые этими связями фрагменты молекул. Нанометрия становится основой будущей технологии - нанотехнологии XXI столетия.