Начало всех вещей
Начало всех вещей
Если мы хотим разобраться, насколько было значимо для цивилизации открытие атомной энергии, нам следует обратиться к прошлому и вспомнить, как именно люди познавали микромир.
Процесс этого познания был связан с непосредственным опытом, который мог получить еще доисторический человек. Один из современных популяризаторов даже выдвинул гипотезу, будто бы наши предки, обтесывая камни для производства первых орудий, могли обратить внимание, что даже самый большой камень можно раздробить в пыль, и задавались вопросом: а из чего состоит сама пыль? Такая гипотеза остается на совести ее автора, однако сегодня мы определенно знаем, что по мере совершенствования разума и общества абстрактные вопросы перестают казаться чем-то странным, более того – именно через такие вопросы лежит путь к решению вполне практических задач.
Итак, в какой-то момент мыслители задумались: из чего состоит окружающий мир, то есть всё видимое пространство и материя? Первые идеи о существовании мельчайших частиц вещества зародились в учениях Древнего Востока, Древней Индии и Древнего Китая. До нас дошли сведения, что о них высказывался житель Древнего Востока, финикиянин Мох Сидонский в XII веке до нашей эры. Аналогичную идею можно найти в воззрениях древнеиндийской школы вайшешика. В «Книге перемен» («И-цзын») неизвестный древнекитайский автор утверждал, что в основе всех вещей лежит туманная масса – «тай-цзи», которая состоит из противоположных частиц «ци», а взаимодействие этих частиц обусловливает изменение вещей.
Значительно более глубоко отражены явления природы в учениях древнегреческих философов (V и IV вв. до н. э.). Мы знаем, что они серьезно задумывались над сущностью и происхождением материи. Изначально философы полагали, что природа состоит из первичных неизменных элементов: огня, земли, воздуха и воды. Соединяясь между собой, элементы дают многообразие окружающих нас предметов. Позднее возник более глубокий вопрос: а из чего состоят сами элементы? Первыми его сформулировал милетский философ Левкипп – учитель гениального материалиста Демокрита (460–370 гг. до н. э.). Оба пришли к выводу, что качественного различия первичных элементов не существует, что вся материя состоит из мельчайших частиц вещества, то есть таких, которые разделить уже нельзя. Именно Демокрит и произнес слово «атом» (от греческого «атомос» – «неделимый»), которым мы активно пользуемся по сей день.
Закладывая основы атомистической философии, Демокрит учил, что атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. Они могут быть шаровидными, пирамидальными, крючковатыми. Они неделимы и лишены внутреннего строения. Они являются началом всех вещей. Они не создаются и не уничтожаются. Всякое возникновение или уничтожение вещей – только кажущееся.
В средневековье философия Демокрита была почти забыта. Именно в ту эпоху появилась алхимия, одной из целей которой стало открытие «философского камня» – катализатора, способствующего превращениям веществ (трансмутации). Разумеется, речь прежде всего шла о превращении дешевых металлов в золото. Хотя у алхимиков не было единой теории, они пошли экспериментальным путем, пробуя различные смеси и температурные режимы. В результате своих слепых поисков они все же обнаруживали кое-какие закономерности. Они узнавали, что, например, известь и вода реагируют между собой, медные стружки при нагревании превращаются в черное вещество и тому подобное. Алхимики изобрели порох, научились выделять этиловый спирт, ввели новейшие методы обработки металлов, придумали герметизацию и консервацию, составляли каталоги минералов и лекарственных трав. Однако их бурная деятельность так и не смогла привести к качественному скачку: ведь они опирались на устаревшую еще во времена Демокрита теорию четырех (или пяти, включая «квинтэссенцию») первичных элементов, что не способствовало проникновению в тайны вещества.
Перелом произошел позднее – после того, как европейские мыслители вернулись к атомистическим взглядам. Одним из первых в длинном ряду ученых стал англичанин Роберт Бойль, живший в XVII веке. В результате опытов и рассуждений он пришел к выводу: вещество может находиться в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном. И в каждом состоянии вещество состоит из мельчайших частиц – корпускул, которые механически (то есть при помощи крючочков, зазубрин и так далее) сцепляются между собой.
Оставалось неясным, почему происходят взаимодействия между веществами. Для ответа на этот вопрос немецкий врач Эрнст Шталь, практиковавший в начале XVIII века, предположил, что должно существовать некое вещество, не имеющее ни веса, ни запаха, ни цвета. Это вещество он назвал флогистоном. По мнению Шталя, флогистон должен обуславливать связи и химическое взаимодействие между корпускулами. Например, горят дрова в камине. Видно пламя. Образуются зола и дым. Теория Шталя объясняла этот процесс очень просто: флогистон переходит из одного вещества в другие. Считалось, что флогистон – это нематериальное начало горючести. Особенно много флогистона содержат воспламеняющиеся вещества.
Теория Шталя выглядела очень стройной и стала первой теорией научной химии, отделив последнюю от алхимии. Она получила широкое распространение, и слово «флогистон» не сходило со страниц научных трудов. Никто из ученых не сомневался в его существовании. И даже когда опыты указывали на то, что в этой теории концы не сходятся с концами, ученые упорно старались ее усовершенствовать. Кстати, раньше остальных отказался от нее наш выдающийся соотечественник Михаил Ломоносов.
В 1770-х годах теория флогистона была все-таки опровергнута благодаря работам Антуана Лавуазье. Старую теорию сменила другая – кислородная теория горения. Новые идеи встретили сопротивление европейских ученых. Одним из таких был естествоиспытатель Ричард Кирван, возглавлявший Ирландскую академию в Дублине. В 1792 году Кирван официально заявил: «Я вижу теперь ясно, что нет ни одного надежного опыта, который бы доказывал образование „фиксируемого воздуха“ из флогистона и кислорода, а при этих обстоятельствах невозможно далее считать справедливой флогистическую систему».
Следующий шаг сделал ученый-самоучка из Манчестера – учитель математики и химии Джон Дальтон. На свои средства он оборудовал лабораторию, стал проводить опыты. Он задумывался над механизмом превращения веществ и постепенно сформулировал собственную теорию химического взаимодействия. Дальтон отказался от общеупотребимого термина «корпускула», вернувшись к античному «атому», что, по его мнению, лучше всего подчеркивало элементарность неделимой частицы вещества.
В 1808 году Джон Дальтон опубликовал первый том «Нового курса химической философии», в которой изложил основы созданной им теории. В этой книге он описывал атомы как упругие и неподвижные в обычном состоянии шарики. Дальтон пришел к выводу, что в природе существуют простые вещества, названные им элементами, и сложные, которые состоят из этих элементов. Каждый элемент складывается из атомов, характерных только для него, со строго определенными свойствами.
Главным выводом из теории Дальтона стал закон кратных отношений, который гласит, что атомы веществ образуют более сложное вещество только в простейшей пропорции. Другими словами, в химических реакциях могут соединяться только целые атомы, но ни в коем случае не их части. Дальтон впервые ввел в практику понятие «атомного веса» (или «атомной массы») элемента. В его времена взвесить атом было принципиально невозможно, поэтому ученый предложил оперировать относительными величинами. Скажем, если принять вес атома водорода за единицу, то можно будет посчитать вес атомов других элементов по отношению к атому водорода.
Чтобы установить атомный вес тех или иных элементов, Дальтон проводил множество опытов. Например, он брал водород с хлором и получал хлористый водород. При этом Дальтон установил, что новое вещество получается из одной весовой части водорода и приблизительно тридцати пяти весовых частей хлора. И сделал правильный вывод: атомный вес водорода в тридцать пять раз меньше атомного веса хлора. Тем не менее его теория приводила и к ошибкам. Дальтон взял водород с кислородом и нашел, что вода получается из одной весовой части водорода и восьми весовых частей кислорода. Ученый пришел к выводу, что атомный вес кислорода должен быть равен восьми. Однако в действительности атомный вес кислорода вдвое больше. Дело в том, что Дальтон полагал, будто бы атомы элементов соединяются друг с другом в пропорции один к одному. В действительности они могут образовывать сложные молекулы: та же молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Ошибку Дальтона исправили итальянский физик Амедео Авогадро и шведский химик Иоганн Берцелиус. Последний также установил, что элементы не соединяются в простых отношениях. Заданное количество водорода на самом деле чуть меньше, чем восьмикратная масса кислорода. Получалось, что если атомный вес водорода предположительно составляет 1, то атомный вес кислорода должен быть не 16, а 15,87. Чтобы проводить дальнейшие исследования атомного веса элементов, показалось более удобным определить атомный вес кислорода, в отличие от атомного веса водорода, как целое число. В частности, такую попытку предпринял сам Берцелиус, опубликовав в 1828 году свою таблицу атомных весов. Вначале он определил атомный вес кислорода как 100, затем решил уменьшить цифры и установил атомный вес кислорода 16 единиц. В этом случае атомный вес водорода должен немного превышать 1, то есть стал равным 1,008. Введенная Берцелиусом система просуществовала почти полтораста лет.
На протяжении всего XIX века химики продолжали интенсивно работать над проблемой определения атомного веса. К началу XX века им удалось определить атомный вес большинства известных элементов, многих с точностью до двух знаков, а иных даже до трех. Некоторые элементы имеют атомный вес, выраженный в числах, которые близки к целым (по стандарту кислород равен 16). Атомный вес алюминия, скажем, составляет около 27, кальция около 40, углерода около 12, золота около 197. Однако выяснилось, что у некоторых элементов атомный вес очень далек от целых чисел. Атомный вес хлора – 35,5, меди 63,5, железа 55,8, серебра – 107,9 и так далее.
Химики не знали, почему у одних веществ атомный вес составляет целые числа, а у других нет. Они просто проводили опыты и публиковали результаты. Ответы на очередные вопросы были получены только тогда, когда был достигнут прогресс в исследовании электричества.
В XVIII веке ученые прямо-таки восхищались свойствами электричества. В то время его представляли как очень легкую и подвижную жидкость, которая беспрепятственно проходит через материальные тела. Однако электричество могло не только проходить сквозь тела, но и вызывать в них значительные изменения. Уже в первые годы XIX века исследователи обнаружили, что поток электричества в жидкости заставлял различные атомы или группы атомов двигаться в противоположных направлениях.
В 1832 году английский физик Майкл Фарадей заметил, что определенное количество электричества, проходящее через разные вещества, освобождает одно и то же количество атомов. Правда, в некоторых случаях освобождалась только половина, а иногда и треть ожидаемого количества атомов. Стремясь объяснить это явление, ученые высказали предположение, что электричество, так же как и материя, может состоять из крошечных частиц и при расщеплении молекул «единица электричества» прикрепляется к каждому атому. В этом случае некоторое количество электричества, содержащее одно и то же число единиц, способно освободить одно и то же количество атомов.
Со временем стало ясно, что электричество существует как бы в двух разновидностях, которые назвали положительным и отрицательным зарядами. Соответственно, если с атомом связан положительный заряд электричества, то под действием электрического напряжения он должен притягиваться в одном направлении; если же атом обладает отрицательным электрическим зарядом, то он должен притягиваться в другом направлении.
Поскольку изучать единицы электричества было гораздо труднее, чем атомные единицы материи, на протяжении XIX века они даже не имели названия. Только в 1891 году ирландский физик Джордж Стоуни предложил назвать предполагаемую единицу электричества электроном.
Как известно, электрический ток всегда течет по замкнутой цепи проводников – например, по металлической проволоке. Полюс батареи или другого источника электрического напряжения, от которого начинается движение тока, назвали положительным (анодом), а другой – отрицательным (катодом). Если возникает разрыв в цепи, то движение электрического тока прекращается. Однако в том случае, когда разрыв невелик, а напряжение достаточно высоко, ток может просочиться через разрыв в виде искры. Возникающая при этом вспышка света и треск являются результатом взаимодействия электрического тока с молекулами воздуха и их нагрева. Но свет и звук – не электричество. Для того чтобы обнаружить само электричество, ток следует пропустить через промежуток между электродами, находящимися в вакууме. Для этого два электрода впаивают в стеклянную трубку, из которой откачивают почти весь воздух.
Такая сложная технологическая операция была выполнена далеко не сразу. Только в 1854 году ее удалось осуществить немецкому стеклодуву и изобретателю Генриху Гейсслеру. Оказалось, что, если пропустить через его трубку достаточно высокое напряжение, ток пойдет и через вакуум.
В 1858 году немецкий физик Юлиус Плюккер заметил, что, когда электрический ток проходит через трубку Гейсслера, над катодом возникает зеленоватое свечение. Исследователи продолжали изучать это свечение, пока наконец другой немецкий физик Ойген Гольдштейн в 1876 году не пришел к выводу, что существуют невидимые лучи, которые испускает отрицательно заряженный электрод и которые заканчиваются у противоположного конца трубки. Он назвал их «катодными лучами» и полагал, что они представляют собой искомый электрический ток, движущийся внутри металлических проводов. Гольдштейн задумался: можно ли считать, что катодные лучи обладают теми же волновыми свойствами, что и видимый свет, или они являются потоком частиц, обладающих массой?
Существовали как сторонники, так и противники указанных точек зрения. Однако в 1885 году английский физик Уильям Крукс сумел направить катодные лучи на колесо с лопатками, и они заставили его поворачиваться. Его опыт показал, что катодные лучи обладают массой и, следовательно, представляют собой поток частиц, аналогичных атомам, а не поток волн, не имеющих массы. Больше того, Крукс продемонстрировал, что поток катодных лучей можно отклонять при помощи магнита (аналогично проводнику, помещенному в магнитное поле). Всё это означало, что, в отличие от света или обыкновенных атомов, катодные лучи содержат электрический заряд.
Представление о катодных лучах как о потоке заряженных частиц подтвердили работы английского физика Джозефа Томсона, который в 1897 году обнаружил, что поток катодных лучей может искривляться также под действием электрически заряженных предметов. По направлению их отклонения Томсон определил, что катодные лучи должны состоять из отрицательно заряженных частиц. Для их наименования и стали использовать название, предложенное Джорджем Стоуни. Другими словами, стали говорить, что катодные лучи состоят из потока электронов.
Степень отклонения катодных лучей под влиянием магнита или электрически заряженных предметов зависит от массы электрона и величины электрического заряда или магнитного поля, воздействующего на них. Измеряя это отклонение в разных условиях, ученые смогли определить свойства частиц. Казалось, что масса электрона примерно соответствует массе атома водорода. Однако Джозеф Томсон сумел доказать, что в действительности электрон гораздо легче, чем атом водорода, который считался самым легким из всех атомов. Получается, что электрон – первая «субатомная частица», открытая человеком.
Таким образом, к 1897 году физики сумели описать только два типа «неделимых» частиц, обладающих массой: атомы, образующие обычное вещество, и электроны, образующие электрический ток. Самое интересное было впереди.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.