Читаем Дальтон. Атомная теория онлайн бесплатно

Наука. Величайшие теории Выпуск № 22, 2015 Еженедельное издание

Пер. с франц. — М.: Де Агостини, 2015.- 152 с.

ISSN 2409-0069

© Enrique Joven Alvarez, 2012 (текст)

© RB A Collecionables S. A., 2014

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Иллюстрации предоставлены:

Age Fotostock: 35hd, 55, 79hg, 79hd, 111b, 143b; Archives RBA: 17, 27, 35hg, 45hg, 53, 77, 89, 106, 109, 11 lhd, 123, 126; Archives fédérales allemandes: 143hd; bibliothèque du Congrès des États-Unis: 42, 103; Bolckow: 11 lhg; British Museum, Londres: 58; Cockermouth Tourist Information Centre: 45hd; Simon Ledingham: 45b; The Manchester Literary and Philosophical Society: 98; musée d’Histoire de Berne: 143hg; Musée national de Stockholm: 51; National Portrait Gallery, Londres: 21; Marie-Lan Nguyen: 30; The Nobel Foundation: 134, 139; Mike Peel: 35b; Nick Smale: 79b; akg/Science Photo Library.

Сегодня, наверное, уже не осталось людей, которые никогда не слышали об атоме. Все мы в большей или меньшей степени знаем об этих частицах еще со школьной скамьи. Нам известно, что материя состоит из бесконечного множества крошечных частиц, которые, соединяясь, образуют более сложные структуры. Самые простые из них называются молекулами. Эти молекулы, в свою очередь, образуют еще более сложные структуры, и так далее, вплоть до знакомого нам макромира с его минералами, растениями и животными. Частью этого мира являемся мы сами — существа, наделенные разумом. Из атомов состоит абсолютно все. Мы даже думаем благодаря этим частицам.

Если бы мы ничего не знали об атомах и задались бы вопросом, из чего состоит материя и до какой степени ее можно разделить на составляющие, то оказались бы в затруднении. Частицы пыли, которые мы видим в воздухе невооруженным глазом,— это самые мелкие элементы материи? Или их тоже можно разделить? А как они соединяются? Какие механизмы обеспечивают это соединение? Все ли мельчайшие частицы одинаковы?

На эти и подобные вопросы искали ответы еще древнегреческие философы. Они призывали на помощь логику и в своих поисках дошли до того, что выработали атомистическое учение, согласно которому все в мире состоит из неделимых частиц, то есть деление возможно до определенной степени. Но эти неделимые частицы имеют слишком маленький размер, поэтому их нельзя увидеть невооруженным глазом. Таким образом, наглядно подтвердить атомистическое учение невозможно, и это было его главным подводным камнем.

Существовали и другие соблазнительные теории. Например, некоторые заявляли, что в основе окружающего нас мира лежат четыре основополагающие стихии — воздух, земля, вода и огонь. Это представление гораздо лучше соответствовало человеческим чувствам и ощущениям и потому продержалось около 15 веков. Философия превратилась в религию, а религия, в свою очередь, в догму, и лишь ценой огромных усилий человечеству удалось выбраться на свет. Благодаря астрономам и химикам наука наконец нашла свой путь. Мир не такой, каким мы его себе представляли. Наблюдения и лабораторные опыты все больше расшатывали существующие убеждения. Оказывается, человеку не под силу превращать свинец в золото и читать будущее по звездам.

Астрологи стали астрономами, алхимики — химиками и начали делать собственные выводы. Они выделили элементы, никак не связанные с четырьмя стихиями. Воду можно разделить на кислород и водород, воздух — это просто смесь газов, огонь — продукт горения, да и земля — тоже смесь разных элементов, которые можно отделить друг от друга. Всего было выделено 92 элемента. Каждое новое десятилетие несло удивительные открытия. Частицы материи не исчезают, а лишь меняют форму. Элементы соединяются всегда одним и тем же способом, и их соотношение в соединении измеряется целыми числами. Капризные газы оказались гораздо более предсказуемыми, чем предполагалось. Их температура, давление и объем были тесно связаны друг с другом. Казалось, все забыли об атомах...

По крайней мере, до появления в науке конца XVIII века англичанина Джона Дальтона. Поначалу этот скромный школьный учитель, не получивший университетского образования, не привлек к себе особого внимания. Известно, что он твердо придерживался религиозных убеждений, был невероятно дисциплинирован и отличался редкой способностью размышлять. Между уроками Дальтон погружался в изучение химии и вскоре оказался далеко впереди ученых своего времени. Он утверждал, что химическое поведение газов — и материи вообще — можно объяснить, если представить вещества в виде набора атомов, свойства которых, по его мнению, близки философским представлениям древних греков. Причем на этот раз атомная гипотеза нашла подтверждение в ходе опытов: химические реакции соединений и элементов, открытых Дальтоном, соответствовали ее постулатам. Окрыленный своими открытиями, Дальтон составил первую таблицу атомных весов (или масс). Он показал, что строение материи можно объяснить с помощью атомов, и это объяснение работает, причем очень хорошо. Такой подход позволял понять: несмотря на то что каждое вещество состоит из одинаковых атомов, свойства соединений меняются в зависимости от отношений атомных масс элементарных составных частей. Другими словами, благодаря теории Джона Дальтона химия была признана математически точной наукой. Английский ученый также утверждал, что атомы водорода — самые легкие из всех, которые можно обнаружить в соединении, и это помогло ему установить значение относительной атомной массы других известных элементов. Благодаря этому критерию — относительной атомной массе — Дальтону удалось, наконец, выстроить первую логичную классификацию отдельных элементов, известных в то время. Химические реакции полностью соответствовали этой новой атомной концепции: закон сохранения вещества, который Лавуазье предложил незадолго до этого, нашел теоретическое подкрепление; модель и практика соответствовали друг другу.

Атомная теория Дальтона встретила поддержку несмотря на настороженность и сопротивление некоторых ученых — как среди его современников, так и спустя столетие. Главной причиной неприятия был тот факт, что рассматриваемые элементы — то есть атомы — невидимы. (Хотя теория подкреплялась наблюдениями.) Для многих ученых эта теория, таким образом, оставалась не более чем гипотезой — безусловно, полезной, но ни в коем случае не окончательной.

До начала XX века не было возможным физически проверить существование атомов. «Физическая» проверка, с одной стороны, означала подтверждение реального существования частиц, а с другой — погружение в физику, которое позволило бы завершить путь, пройденный до этого момента учеными-химиками. Независимо от физических результатов — физика в итоге поколебала некоторые постулаты атомной теории Дальтона, в том числе его идею неделимости атомов — химические выводы не изменились. Определяющими стали открытие броуновского движения, радиоактивности и особенно — работы Эрнеста Резерфорда, который доказал существование атомного ядра и описал его природу. Благодаря этому атомному наваждению в начале XX века возникло уникальное поколение ученых — возможно, самое блестящее в истории науки. К сожалению, именно в результате их работы появилось и самое страшное изобретение в истории человечества — атомная бомба. Однако совершенно несправедливо ставить знак равенства между атомами и ядерными взрывами и еще более несправедливо связывать ядерные взрывы с именем человека, сформулировавшего предпосылки для появления атомной теории. Джон Дальтон никогда не помышлял об оружии.

1766 5 или 6 сентября Джон Дальтон появляется на свет в Иглсфилде, Англия.

1776 Ходит в школу квакеров в Пардшоухолле под руководством Джона Флетчера.

1779 После закрытия школы в Пардшоу-холле квакерская община открывает другую, в Иглсфилде, где Джон Дальтон сам становится учителем.

1781 Помогает своему брату Джонатану, учителю в школе их двоюродного брата, в соседнем городе Кендале.

1785 Вместе с братом после отъезда их кузена покупает школу в Кендале.

1793 Переезжает в Манчестер, где преподает натурфилософию в новой академии, открытой религиозными отступниками. Публикует первую научную работу " Метеорологические наблюдения и этюдыР.

1764 Вступает в Литературно-философское общество Манчестера (Lit & Phil). В том же году представляет свое первое исследование, посвященное дефекту зрения, названному в его честь дальтонизмом.

1800 Назначен секретарем Lit & Phil.

1801 Публикует первые результаты исследований, посвященных газовым смесям и водяным парам. В следующем году открывает закон кратных отношений.

1603 Открывает закон парциального давления газов и составляет первый вариант таблицы атомных масс. В октябре при помощи сэра Гемфри Дэви представляет атомную теорию в Lit & Phil.

1805 Публикация первой таблицы относительных атомных масс, разработанной Джоном Дальтоном.

1808 Публикует первую часть первого тома 4 Новой системы химической философии*. Вторая часть опубликована два года спустя, в ней уточнены некоторые экспериментальные результаты.

1816 Избран членом Французской академии наук. В следующем году становится президентом Lit & Phil.

1822 По приглашению Аркейльского общества посещает Францию и знакомится со своими научными оппонентами и друзьями Клодом Луи Бертолле и Жозефом Луи Гей-Люссаком. Заочно избран членом Королевского Лондонского общества.

1827 Публикует второй том *Новой системы химической философии>.

1837 Дальтона частично парализует после перенесенного инфаркта.

1844 27 июля умирает в Манчестере от второго инфаркта.

После состоявшихся в прошлом веке революций в химии и физике сегодня нелишне задаться вопросом: что должно было произойти, чтобы появилась атомная наука в том виде, в котором мы ее знаем сегодня? История Джона Дальтона в этом смысле невероятно красноречива, ведь наука о "самой маленькой частице" не может быть воспринята вне понятия атома — понятия, которое родилось как обычная философская абстракция.

Джон Дальтон — образец ученого, который совсем не думал о последователях. Он имел весьма скромное происхождение и добровольно подчинил свою жизнь религии — до такой степени, что так никогда и не женился и по собственной воле обрек себя на полное воздержание. Это был неутомимый труженик. У него было мало друзей и вообще не было семьи, так что вся его одинокая жизнь была посвящена исследованиям. Британское общество признало важность открытий Дальтона еще при жизни ученого, а после его смерти в 1844 году удостоило его значительных наград, что случалось в то время нечасто.

Хроники той эпохи гласят, что за гробом Дальтона шло более 40 тысяч человек и похоронная процессия растянулась больше чем на три километра. Как скромный ученый, отказавшийся от наград и почестей, смог собрать на своих похоронах такое количество людей? Чем объяснить их признательность и благодарность? Дальтон не относился к сливкам общества и не обладал властью, он не был популярной персоной в сегодняшнем смысле слова. Если верить свидетельствам его учеников, Дальтона отличал резкий, даже неприятный голос, а его манера читать лекции нагоняла скуку. Он был совершенно бесстрастен и безразличен к жизни. Новости в те годы распространялись не так стремительно, как сейчас, а Нобелевской премии еще не существовало. Она была учреждена в 1901 году и в 1908-м была присуждена новозеландскому ученому Эрнесту Резерфорду (1871-1937), которому удалось расщепить атом — частицу, считавшуюся до этого благодаря Джону Дальтону неделимой. Конечно, исследования Резерфорда относились к области физики, однако он получил Нобелевскую премию по химии, потому что довольно долгое время эти две науки были неотделимы друг от друга, едины — как самая маленькая частица, неизменяемая и неразрушимая, первичный элемент материи, по мнению Джона Дальтона.

Дальтон пользовался в обществе большим уважением, и это трудно объяснить. Вряд ли оно было связано с атомной теорией ученого, представленной главным образом в его объемном труде *Новая система химической философии", который был опубликован между 1808 и 1827 годами. Трудно поверить, что британцы и европейцы вообще стремились ознакомиться с этой теорией и с нетерпением ждали публикации труда Дальтона. Атомы не привлекали большого внимания, и лишь немногие эрудиты в Оксфорде или Кембридже слышали о философских теориях Демокрита и Левкиппа. Современников Дальтона больше волновал хлеб насущный, поскольку его не хватало, их беспокоили известия о наполеоновской экспансии, а радость вызывала новость о том, что войска герцога Веллингтона разбили армию могущественного генерала Жюно под Лиссабоном. Вовсю заявляла о себе в те времена и промышленная революция. В Великобритании практически повсеместно экономика, основанная на тяжелом ручном труде, заменялась экономикой железа и стали. Новые производственные мощности работали на угле высшего качества (антрацит использовался как топливо в США с 1808 года), что было гораздо эффективнее, нежели использование в качестве топлива древесины. Контроль температуры и давления газов был первостепенной необходимостью для первых промышленных машин, особенно для доменных печей и паровых установок. Те, кто разбирался в химии, имели право на уважение, особенно если они не принадлежали к миру академической университетской науки и способны были донести свои знания простым людям. Джон Дальтон был как раз из таких людей: он преподавал, следуя своим твердым религиозным убеждениям, а кроме того, обладал исключительным умом. Дальтон интересовался практически всеми областями научного знания и давал уроки даже самым простым людям.