.
Появление науки об атомах
За два столетия современная наука (1600–1800) достигла немалого прогресса: удалось опытным путем установить, что у каждого вещества была мельчайшая единица, отражавшая все его свойства. Эксперименты Роберта Бойля с газами показали, что четыре аристотелевских «элемента» были вовсе не элементарными. Некоторые из них, например воду, можно было разложить на другие вещества – в случае воды на Кислород и Водород; впрочем, разъединить эти составляющие дальше не получалось. Как утверждал Бойль, именно последние вещества следовало называть элементами. В конце XVIII века Антуан Лавуазье, блестящий химик, чей творческий путь оборвала французская гильотина, первым установил, что в ходе химических реакций не происходит потери массы, и это навело его на мысль, что сами реакции представляли собой просто перераспределение вовлеченных элементов. Лавуазье, наряду с Джозефом Пристли, выделил Кислород как особенно химически активный элемент, и к 1789 году (при неизменной поддержке своей жены, Марии-Анны Польз) составил список из тридцати трех элементов, которые не удавалось разложить на составляющие никакими химическими средствами
. Некоторые из элементов в этом списке (например свет и теплород) отражали недостаточное знание физики в ту эпоху, а другие, по сути, оказались сложными структурами из нескольких элементов, в те времена еще не разложенных на составляющие (к таким, например, относились барит, или тяжелый шпат, – минерал, представляющий собой соединение Бария, Серы и Кислорода [BaSO
], и кремнезем [SiO
]). Но указанные у Лавуазье Водород, Углерод, Азот, Кислород, Сера, Фосфор и более десятка металлов украшают Периодическую таблицу и в наши дни.
На заре XIX столетия были сделаны очень важные шаги, направленные на количественное измерение и заложившие основу для современной атомной теории вещества. Джон Дальтон установил, что сложные структуры возникали из сочетаний элементов, соотношения которых всегда были четко зафиксированы в плане веса; иными словами, 2 грамма Водорода всегда сочетались точно с 16 граммами Кислорода для образования воды. Это позволило высчитать относительные веса нескольких известных элементов, и тем самым Дальтон стал главным предвестником создания Периодической таблицы химических элементов, которую разработал Дмитрий Иванович Менделеев (см. гл. 4).
Примерно в то же время Лоренцо Авогадро установил, что равные объемы газов (при одинаковом давлении и температуре) содержат одинаковое количество атомов/молекул. Более того, он постулировал различие между атомами (назвав их «элементарными молекулами») и молекулами, составленными из различных элементов (отличие, которое упустил из виду Дальтон). К середине века Менделеев распределил шестьдесят три элемента, известных в то время (некоторые из тех, в которых прежде сомневались, уже были устранены), в Периодической таблице, что, в свою очередь, позволило предсказать наличие элементов, которые еще только предстояло открыть. 6 марта 1869 года Менделеев представил свою статью «Соотношение свойств с атомным весом элементов» в Русское химическое общество. Так возникли современная химия и атомная модель, лежащая в ее основе.
Но о размерах и массе отдельных атомов химики имели такое же представление, как Левкипп или Лукреций. Ясно было только одно – то, что атомы были слишком маленькими, чтобы их увидеть. И пока большинство химиков продолжали свои поиски, стремясь открыть новые элементы и систематизировать знания о уже известных, многие физики XIX столетия по-прежнему пребывали в убеждении, что атомов не существует. Французский ученый Пьер Эжен Марселен Бертло, занимавший пост министра иностранных дел, зашел так далеко, что запретил преподавание атомной теории во Франции. Даже в 1897 году Эрнст Мах, уроженец Чехии, присутствуя на презентации, где Людвиг Больцман представлял свою кинетическую теорию атомов и молекул в газах, откровенно заявил: «Я не верю, что атомы существуют»
. Впрочем, создается впечатление, что его возражения были в большей степени философскими, а не основанными на физике.
Первые данные о размере и массе атомов появились в 1827 году, и пришли они из источника, который многие сочли бы маловероятным: от шотландского ботаника Роберта Брауна. Проводя исследования по опылению растений, он взвешивал пыльцевые зерна в воде, наблюдал за ними в микроскоп и увидел, что зерна представляли собой «частички… очевидно пребывающие в движении». Вместо того чтобы заключить, что это беспокойное движение было проявлением «жизненной силы», он повторил эксперимент сперва с пыльцевыми зернами, которые на протяжении одиннадцати месяцев выдерживались в алкоголе (после чего можно было с уверенностью сказать, что они мертвы), а потом – с камешками, истолченными в порошок. Одно и то же хаотичное движение наблюдалось во всех случаях. Браун наблюдал не что иное, как совокупный эффект случайных столкновений отдельных молекул воды с взвешенными частицами – несколько дополнительных соударений слева перемещали частичку вправо, а пара толчков снизу, следующих за ними, заставляла ее сдвинуться вверх на предметном стекле
.
Как ни удивительно, Лукреций предвидел этот исход и его интерпретацию, предполагающую участие атомов, еще примерно за две тысячи лет до описываемых событий, и отразил это в книге «О природе вещей»:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света…
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора…
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,
Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств, и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит
.
Рис. 2.1. Случайное блуждание иногда называют «прогулкой пьяницы», вызывая в воображении образ опьяневшего завсегдатая бара, который выходит за порог заведения, спотыкается на каждом шагу и падает, но каждый раз поднимается и бредет неизвестно куда. Для случайных блужданий характерен тот факт, что расстояние от изначальной точки возрастает пропорционально квадратному корню из числа шагов. В данном случае «клиент» находится в трех метрах от начала пути после 5 шагов и в 6 метрах от начала после 5
= 25 шагов
Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн интерпретировал этот феномен в количественном отношении и вычислил размер и массу атомов. Частички, которые наблюдал Браун, испытывали примерно 100 триллионов столкновений в секунду, так что здесь требовался статистический подход. Эйнштейн показал, что, несмотря на равную вероятность, с которой частичка могла двинуться влево или вправо, общее расстояние, которое она проходит от начальной точки, возрастает пропорционально квадратному корню из величины прошедшего времени (рис. 2.1). Исходя из этого результата, он рассчитал число Авогадро – постоянное количество частичек газа в стандартном объеме этого газа, постулированное самим Авогадро примерно столетием ранее. Нам наконец-то удалось «увидеть» атом.
Более того, в последние несколько лет XIX века и в первое десятилетие XX столетия наблюдался стремительный прогресс в установлении физических свойств атомов, а кроме того, мы смогли опровергнуть их «неделимость» и открыть их составляющие части. В 1897 году Джозеф Джон Томпсон открыл электроны, показав, что они намного уступали атомам по размеру и массе
. В 1909 году Эрнст Резерфорд и его сотрудники обнаружили атомное ядро, в котором пребывает положительный заряд и большая часть атомной массы
. А после этого в течение нескольких лет появилась модель атома, которую разработал Нильс Бор. К современной форме этой модели мы и будем обращаться на протяжении всей данной книги (см. гл. 3)
. Тем временем в 1901 году Макс Планк ввел новую концепцию, которая описывала взаимоотношения между светом и веществом
, а немногим позже, в 1905 году, Эйнштейн расширил эту идею, объяснив фотоэлектрический эффект
. Эти события стали непосредственной причиной того, что в 1920-х годах расцвела квантовая механика – теория, описывающая поведение материального мира на атомном и меньшем уровне. Сегодня, спустя столетие, эта научная модель остается наиболее точной из всех когда-либо созданных и предоставляет нам прочную основу для того, чтобы воссоздать нашу историю, атом за атомом.
Глава 3
Атом: утилитарный взгляд
Фундаментальный принцип научного мировоззрения гласит, что существует материальная реальность, не зависимая ни от наших впечатлений, ни от наших попыток измерить и интерпретировать эти впечатления. Наука – это процесс, при помощи которого мы строим фальсифицируемые модели этой реальности, а затем проверяем, насколько точно они соответствуют природе. Его характер итеративен, и прогресс часто достигается не благодаря очередной гениальной догадке, а вследствие того, что нам удается доказать неправильность той или иной модели.
Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем стремлении воссоздать историю.
В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.
Иерархия вещества
Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ
.
Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – это твердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).
С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают; жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.
И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите. Газ просто рассеивается.
Давайте на минутку станем на точку зрения Демокрита и вообразим, что для каждого рода этих веществ существует мельчайшая единица – назовем ее пока что «частицей», – которая сохраняет свойства самого вещества. Как нам представить взаимодействие этих мельчайших единиц?
В твердом теле эти частички, должно быть, прочно закреплены на своем месте, поскольку, когда вы толкаете твердое тело, тянете его на себя или сжимаете, оно сохраняет форму. Конечно же, если приложить достаточную силу, вы можете вызвать перемену – согнуть ложку из Серебра и сломать пластмассовую, – но этим вы меняете не сам объем предмета, а только его форму. В твердых телах частички касаются друг друга – вы не можете силой приблизить их, и много сил уходит даже на то, чтобы изменить их взаимную ориентацию.
Поскольку сжать жидкость тоже нелегко
, ее частицы, по всей видимости, тоже соприкасаются. Но между жидкостью и твердым телом есть явное различие. Первая способна легко менять свою форму – более того, она делает это, как только вы переносите ее из одного контейнера в другой. Это позволяет предположить, что, хотя ее частички по-прежнему находятся в соприкосновении, они могут свободно проскальзывать друг над другом и занимать относительно друг друга любые положения, в зависимости от того, какие из этих положений оказываются наиболее удобными.
И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.
Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 ? 2 ? 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 ? 10 ? 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 10
кг/м
