Con un atomo attraverso i secoli - parte 1

Il secolo scorso viene spesso definito "l'età dell'atomo". In quel tempo non troppo lontano, l'esistenza dei "mattoni" che compongono il mondo intorno a noi fu finalmente dimostrata e le forze dormienti in essi furono liberate. L'idea stessa dell'atomo, però, ha una storia molto lunga, e il racconto della storia della conoscenza della struttura della materia non può essere iniziato se non con parole riferite all'antichità.

1. Un frammento dell'affresco di Raffaello "La scuola di Atene", raffigurante Platone (a destra, il filosofo ha le sembianze di Leonardo da Vinci) e Aristotele

"Già vecchio..."

... i filosofi sono giunti alla conclusione che tutta la natura è costituita da particelle impercettibilmente piccole. Naturalmente, a quel tempo (e per molto tempo dopo) gli scienziati non hanno avuto l'opportunità di testare le loro ipotesi. Erano solo un tentativo di spiegare le osservazioni della natura e rispondere alla domanda: "La materia può decadere indefinitamente o c'è fine alla fissione?«

Le risposte furono date in vari circoli culturali (principalmente nell'antica India), ma lo sviluppo della scienza fu influenzato dagli studi dei filosofi greci. Nei numeri delle vacanze dell'anno scorso di "Young Technician", i lettori hanno appreso la storia secolare della scoperta degli elementi ("Pericoli con gli elementi", MT 7-9/2014), iniziata anche nell'antica Grecia. Già nel VII secolo aC, la componente principale da cui è costruita la materia (elemento, elemento) veniva ricercata in varie sostanze: acqua (Talete), aria (Anassimene), fuoco (Eraclito) o terra (Senofane).

Empedocle li riconciliò tutti, dichiarando che la materia non consiste di uno, ma di quattro elementi. Aristotele (I secolo aC) aggiunse un'altra sostanza ideale: l'etere, che riempie l'intero universo, e dichiarò la possibilità della trasformazione degli elementi. La Terra, invece, situata al centro dell'universo, era osservata dal cielo, che era sempre immutato. Grazie all'autorità di Aristotele, questa teoria della struttura della materia e dell'insieme fu considerata corretta per più di duemila anni. Divenne, tra l'altro, la base per lo sviluppo dell'alchimia, e quindi della chimica stessa (1).

2. Busto di Democrito di Abdera (460-370 a.C.)

Parallelamente, tuttavia, è stata sviluppata anche un'altra ipotesi. Leucippo (XNUMX secolo aC) credeva che la materia fosse composta particelle molto piccole muovendosi nel vuoto. Le opinioni del filosofo furono sviluppate dal suo allievo - Democrito di Abdera (460-370 aC circa) (2). Chiamò i “blocchi” che compongono la materia atomi (dal greco atomos = indivisibile). Ha sostenuto che sono indivisibili e immutabili e che il loro numero nell'universo è costante. Gli atomi si muovono nel vuoto.

Quando atomi sono collegati (da un sistema di ganci e occhi) - si formano tutti i tipi di corpi e quando sono separati l'uno dall'altro - i corpi vengono distrutti. Democrito credeva che esistessero infiniti tipi di atomi, diversi per forma e dimensione. Le caratteristiche degli atomi determinano le proprietà di una sostanza, ad esempio il miele dolce è costituito da atomi lisci e l'aceto acido è costituito da atomi angolari; i corpi bianchi formano atomi lisci e i corpi neri formano atomi con una superficie ruvida.

Il modo in cui un materiale è unito influisce anche sulle proprietà della materia: nei solidi, gli atomi sono strettamente adiacenti l'uno all'altro e nei corpi molli si trovano liberamente. La quintessenza delle opinioni di Democrito è l'affermazione: "In effetti, c'è solo il vuoto e gli atomi, tutto il resto è un'illusione".

Nei secoli successivi, le opinioni di Democrito furono sviluppate da filosofi successivi, alcuni riferimenti si trovano anche negli scritti di Platone. Epicuro - uno dei successori - lo credette persino atomi sono costituiti da componenti ancora più piccoli (“particelle elementari”). Tuttavia, la teoria atomistica della struttura della materia perse gli elementi di Aristotele. La chiave, anche allora, è stata trovata nell'esperienza. Fino a quando non ci furono strumenti per confermare l'esistenza degli atomi, le trasformazioni degli elementi erano facilmente osservabili.

Ad esempio: quando si riscaldava l'acqua (elemento freddo e umido), si otteneva aria (vapore caldo e umido) e sul fondo della nave rimaneva terra (precipitazione fredda e secca di sostanze disciolte nell'acqua). Le proprietà mancanti - calore e secchezza - erano fornite dal fuoco, che riscaldava la nave.

Invarianza e costante numero di atomi contraddicevano anche le osservazioni, poiché si pensava che i microbi emergessero "dal nulla" fino al XIX secolo. Le opinioni di Democrito non fornivano alcuna base per esperimenti alchemici relativi alla trasformazione dei metalli. Era anche difficile immaginare e studiare l'infinita varietà di tipi di atomi. La teoria elementare sembrava molto più semplice e spiegava in modo più convincente il mondo circostante.

3. Ritratto di Robert Boyle (1627–1691) di J. Kerseboom.

Caduta e rinascita

Per secoli, la teoria atomica si è distinta dalla scienza tradizionale. Tuttavia, alla fine non morì, le sue idee sopravvissero, raggiungendo scienziati europei sotto forma di traduzioni filosofiche arabe di scritti antichi. Con lo sviluppo della conoscenza umana, le basi della teoria di Aristotele cominciarono a sgretolarsi. Il sistema eliocentrico di Nicolaus Copernicus, le prime osservazioni di supernove (Tycho de Brache) provenienti dal nulla, la scoperta delle leggi del moto dei pianeti (Johannes Kepler) e delle lune di Giove (Galileo) fecero sì che nel XVI e XVII secoli, le persone hanno cessato di vivere sotto il cielo immutate dall'inizio del mondo. Anche sulla terra fu la fine delle vedute di Aristotele.

I secolari tentativi degli alchimisti non hanno portato i risultati attesi: non sono riusciti a trasformare i metalli ordinari in oro. Sempre più scienziati hanno messo in dubbio l'esistenza degli elementi stessi e hanno ricordato la teoria di Democrito.

4. L'esperimento del 1654 con gli emisferi di Magdeburgo dimostrò l'esistenza del vuoto e della pressione atmosferica (16 cavalli non possono rompere gli emisferi vicini da cui veniva pompata l'aria!)

Robert Boyle nel 1661 diede una definizione pratica di elemento chimico come sostanza che non può essere scomposta nei suoi componenti mediante analisi chimica (3). Credeva che la materia fosse costituita da particelle piccole, solide e indivisibili che differiscono per forma e dimensione. Combinandosi, formano molecole di composti chimici che compongono la materia.

Boyle chiamò queste minuscole particelle corpuscoli, o "corpuscoli" (un diminutivo della parola latina corpus = corpo). Le opinioni di Boyle furono indubbiamente influenzate dall'invenzione della pompa a vuoto (Otto von Guericke, 1650) e dal miglioramento delle pompe a pistoni per la compressione dell'aria. L'esistenza del vuoto e la possibilità di modificare la distanza (per effetto della compressione) tra le particelle d'aria testimoniano a favore della teoria di Democrito (4).

Il più grande scienziato dell'epoca, Sir Isaac Newton, era anche uno scienziato atomico. (5). Sulla base delle opinioni di Boyle, ha avanzato un'ipotesi sulla fusione del corpo in formazioni più grandi. Invece dell'antico sistema di occhielli e ganci, la loro legatura avveniva - in quale altro modo - per gravità.

5. Ritratto di Sir Isaac Newton (1642-1727), di G. Kneller.

Pertanto, Newton unì le interazioni nell'intero Universo: una forza controllava sia il movimento dei pianeti che la struttura dei più piccoli componenti della materia. Lo scienziato credeva che anche la luce fosse costituita da corpuscoli.

Oggi sappiamo che aveva "per metà ragione" - numerose interazioni tra radiazione e materia sono spiegate dal flusso di fotoni.

Entra in gioco la chimica

Fino quasi alla fine del XIX secolo, gli atomi erano prerogativa dei fisici. Tuttavia, fu la rivoluzione chimica iniziata da Antoine Lavoisier a rendere generalmente accettata l'idea della struttura granulare della materia.

La scoperta della complessa struttura degli elementi antichi - acqua e aria - confuta infine la teoria di Aristotele. Alla fine del XNUMX° secolo, anche la legge di conservazione della massa e la credenza nell'impossibilità della trasformazione degli elementi non suscitavano obiezioni. Le bilance sono diventate apparecchiature standard nel laboratorio chimico.

6. John Dalton (1766-1844)

Grazie al suo utilizzo si è notato che gli elementi si combinano tra loro formando determinati composti chimici in proporzioni di massa costanti (indipendentemente dalla loro origine - naturale o ottenuta artificialmente - e dal metodo di sintesi).

Questa osservazione è divenuta facilmente spiegabile se assumiamo che la materia sia costituita da parti indivisibili che costituiscono un tutto unico. atomi. Il creatore della moderna teoria dell'atomo, John Dalton (1766-1844) (6), ha seguito questa strada. Uno scienziato nel 1808 affermò che:

1. Gli atomi sono indistruttibili e immutabili (questo, ovviamente, escludeva la possibilità di trasformazioni alchemiche).
2. Tutta la materia è composta da atomi indivisibili.
3. Tutti gli atomi di un dato elemento sono uguali, cioè hanno la stessa forma, massa e proprietà. Tuttavia, elementi diversi sono costituiti da atomi diversi.
4. Nelle reazioni chimiche cambia solo il modo di unire gli atomi, da cui vengono costruite le molecole dei composti chimici - in determinate proporzioni (7).

Un'altra scoperta, basata anche sull'osservazione del corso dei cambiamenti chimici, è stata l'ipotesi del fisico italiano Amadeo Avogadro. Lo scienziato è giunto alla conclusione che volumi uguali di gas nelle stesse condizioni (pressione e temperatura) contengono lo stesso numero di molecole. Questa scoperta ha permesso di stabilire le formule di molti composti chimici e di determinare le masse atomi.

7. Simboli atomici usati da Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Solidi platonici - simboli di atomi di antichi "elementi" (Wikipedia, autore: Maxim Pe)

Quante volte tagliare?

L'emergere dell'idea dell'atomo è stato associato alla domanda: "C'è una fine alla divisione della materia?". Prendiamo ad esempio una mela con un diametro di 10 cm e un coltello e iniziamo ad affettare la frutta. Prima, a metà, poi mezza mela in altre due parti (parallele al taglio precedente), ecc. Dopo qualche volta, ovviamente, finiremo, ma nulla ci impedisce di continuare l'esperimento nell'immaginazione di un atomo? Mille, un milione, forse di più?

Dopo aver mangiato una mela affettata (deliziosa!), iniziamo i calcoli (chi conosce il concetto di progressione geometrica avrà meno problemi). La prima divisione ci darà metà della frutta con uno spessore di 5 cm, il taglio successivo ci darà una fetta con uno spessore di 2,5 cm, ecc... 10 battute! Pertanto, il "percorso" verso il mondo degli atomi non è lungo.

*) Utilizzare un coltello con lama infinitamente sottile. In effetti, un tale oggetto non esiste, ma poiché Albert Einstein nella sua ricerca ha considerato i treni che si muovono alla velocità della luce, ci è consentito anche - ai fini di un esperimento mentale - fare l'ipotesi di cui sopra.

Atomi platonici

Platone, una delle più grandi menti dell'antichità, descrisse gli atomi di cui dovevano essere composti gli elementi nel dialogo di Timaco. Queste formazioni avevano la forma di poliedri regolari (solidi platonici). Quindi, il tetraedro era un atomo di fuoco (come il più piccolo e volatile), l'ottaedro era un atomo d'aria e l'icosaedro era un atomo d'acqua (tutti i solidi hanno pareti di triangoli equilateri). Un cubo di quadrati è un atomo della terra e un dodecaedro di pentagoni è un atomo di un elemento ideale: l'etere celeste (8).