Атомная теория — научная теория, согласно которой материя состоит из частиц, называемых атомами. Теория атома берёт своё начало в древней философской традиции, известной как атомизм. Согласно этой идее, если взять кусок материи и разрезать его на все более мелкие части, он в конечном итоге достигнет точки, когда части нельзя будет разрезать на что-либо меньшее. Древнегреческие философы называли эти гипотетические конечные частицы материи атомосом, что означало «неразрезаемый».
В начале 1800-х годов учёный Джон Дальтон заметил, что химические вещества, казалось, объединяются и распадаются на другие вещества по весу. Некоторые предполагали, что каждый химический элемент в конечном итоге состоит из крошечных неделимых частиц постоянного веса. Вскоре после 1850 года некоторые физики разработали кинетическую теорию газов и тепла, которая математически описывала поведение газов, предполагая, что они состоят из частиц. В начале 20 века Альберт Эйнштейн и Жан Перрен доказали, что броуновское движение (беспорядочное движение зёрен пыльцы в воде) вызвано действием молекул воды; эта третья линия доказательств заглушила оставшиеся у учёных сомнения в том, существуют ли атомы и молекулы в реальности. На протяжении девятнадцатого века некоторые учёные предупреждали, что доказательства существования атомов являются косвенными, и поэтому атомы на самом деле могут не быть реальными, а только казаться реальными.
К началу 20 века учёные разработали довольно подробные и точные модели структуры материи, что привело к более строгой классификации крошечных невидимых частиц, составляющих обычную материю. Атом теперь определяется как основная частица, составляющая химический элемент. Примерно на рубеже 20-го века физики обнаружили, что частицы, которые химики назвали «атомами», на самом деле являются скоплениями ещё более мелких частиц (субатомных частиц). Сейчас термин элементарная частица используется для обозначения фактически неделимых частиц, а атомы остаются самыми мелкими частицами, неделимыми химически.
История
Философский атомизм
Идея о том, что материя состоит из отдельных единиц, — очень стара. Она появилась во многих древних культурах, таких как Греция и Индия. Слово «атом» , что означает «неразрезаемый», был придуман досократическим греческим философом Левкиппом и его учеником Демокритом (460—370 до н. э.) . Демокрит учил, что количество атомов бесконечно, они не сотворены и вечны, а качества объекта зависят от типов, составляющих его атомов. Атомизм Демокрита был усовершенствован и развит более поздним греческим философом Эпикуром (341—270 до н. э.) и римским эпикурейским поэтом Лукрецием (99-55 до н. э.). В период раннего средневековья в Западной Европе об атомизме почти забыли. В XII веке он снова стал известен в Западной Европе благодаря ссылкам на него в недавно открытых трудах Аристотеля.
В XIV веке повторное открытие основных работ, описывающих атомистические учения, в том числе De rerum natura Лукреция и О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов Диогена Лаэртского, привело к усилению внимания учёных к этой теме. Тем не менее, поскольку атомизм был связан с философией эпикурейства, которая противоречила ортодоксальным христианским учениям, вера в атомы не считалась приемлемой для большинства европейских философов. Французский католический священник Пьер Гассенди (1592—1655) возродил эпикурейский атомизм с модификациями, утверждая, что атомы были созданы Богом и, хотя их очень много, но не бесконечны. Он был первым, кто использовал термин «молекула» для описания агрегации атомов. Модифицированная теория атомов Гассенди была популяризирована во Франции врачом Франсуа Бернье (1620—1688) и в Англии натурфилософом Уолтером Чарлтоном (1619—1707). Химик Роберт Бойль (1627—1691) и физик Исаак Ньютон (1642—1727) защищали атомизм, и к концу 17 века он был принят частью научного сообщества.
Джон Дальтон Ближе к концу 18 века появились два закона о химических реакциях, не относящиеся к понятию атомной теории. Первым был закон сохранения массы, тесно связанный с работами Антуана Лавуазье, который гласит, что общая масса в химической реакции остаётся постоянной (то есть реагенты имеют ту же массу, что и продукты). Второй — закон постоянства состава. Этот закон, впервые установленный французским химиком Жозефом Прустом в 1797 году, гласит, что если соединение разбито на составляющие его химические элементы, то массы составляющих частей всегда будут иметь одинаковые весовые пропорции, независимо от количества или источника исходного материала.
Джон Дальтон изучил и расширил эту предыдущую работу и защитил новую идею, позже известную как закон кратных отношений: если одни и те же два элемента могут быть объединены, чтобы образовать ряд различных соединений, то соотношение масс двух элементов в их различных соединениях будут представлены небольшими целыми числами. Это обычная картина в химических реакциях, которую наблюдали Дальтон и другие химики того времени.
Пример 1 — оксиды олова: Дальтон идентифицировал два оксида олова. Один из них представляет собой серый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 13,5 частей кислорода. Другой оксид представляет собой белый порошок, в котором на каждые 100 частей олова приходится 27 частей кислорода. 13,5 и 27 образуют соотношение 1:2. Эти оксиды сегодня известны как оксид олова (II) (SnO) и оксид олова (IV) (SnO2) соответственно.
Пример 2 — оксиды железа: Дальтон идентифицировал два оксида железа. Один из них — чёрный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится около 28 частей кислорода. Другой — красный порошок, в котором на каждые 100 частей железа приходится 42 части кислорода, 28 и 42 образуют соотношение 2:3. Эти оксиды сегодня известны как оксид железа (II) (более известный как вюстит) и оксид железа (III) (основной компонент ржавчины). Их формулы — FeO и Fe2O3 соответственно.
Пример 3 — оксиды азота: есть три оксида азота, в которых на каждые 140 г азота, содержится 80 г, 160 г, и 320 г кислорода соответственно, что дает соотношение 1:2:4. Это закись азота (N2O), оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2) соответственно.
Этот повторяющийся шаблон предполагает, что химические вещества вступают в реакцию не в произвольном количестве, а в количестве, кратном некоторой базовой неделимой единице массы.
В своих трудах Дальтон использовал термин «атом» для обозначения основной частицы любого химического вещества, а не строго для элементов, как это принято сегодня. Дальтон не использовал слово «молекула»; вместо этого он использовал термины «составной атом» и «элементарный атом». Дальтон предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов одного уникального типа, и, хотя они не могут быть изменены или разрушены химическими средствами, они могут объединяться в более сложные структуры с образованием химических соединений. Это ознаменовало собой первую по-настоящему научную теорию атома, поскольку Дальтон пришёл к своим выводам путём экспериментов и изучения результатов эмпирическим путем.
В 1803 году Дальтон сослался на список относительных атомных масс для ряда веществ в своём выступлении перед Манчестерским литературно-философским обществом о растворимости различных газов, таких как диоксид углерода и азота, в воде. Дальтон не указал, как он получил относительные веса, но первоначально предположил, что изменение растворимости было связано с различиями в массе и сложности частиц газа — идея, от которой он отказался к тому времени, когда статья была наконец опубликована в 1805 годуDalton, John. «On the Absorption of Gases by Water and Other Liquids », in Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester. 1803. Retrieved on August 29, 2007.. На протяжении многих лет несколько историков связывали развитие атомной теории Дальтона с его изучением газовой растворимости, но недавнее исследование записей его лабораторной записной книжки показывает, что он разработал химическую атомную теорию в 1803 году, чтобы согласовать аналитические данные Кавендиша и Лавуазье о составе азотной кислоты, а не для объяснения растворимость газов в воде.
Томас Томсон опубликовал первое краткое изложение теории атома Дальтона в третьем издании своей книги «Система химии». В 1808 году Дальтон опубликовал более полный отчёт в первой части «Новой системы химической философии». Однако только в 1811 году Дальтон обосновал свою теорию множественных пропорций.
Дальтон оценил атомные веса в соответствии с массовыми отношениями, в которых они складывались, с атомом водорода, принятым за единицу. Однако Дальтон не предполагал, что некоторые элементы представляют собой атомы в молекулах — например, чистый кислород существует в виде O2. Он также ошибочно полагал, что простейшим соединением между любыми двумя элементами всегда является состояние с одним атомом каждого элемента (поэтому он думал, что вода — это HO, а не H2O). Это, в дополнение к неточности его оборудования, испортило его результаты. Например, в 1803 году он считал, что атомы кислорода в 5,5 раз тяжелее атомов водорода, поскольку в воде он измерял 5,5 граммов кислорода на каждые 1 грамм водорода и считал, что формула воды — HO. Получив более точные данные, в 1806 году он пришел к выводу, что атомный вес кислорода должен быть на самом деле 7, а не 5,5, и он сохранил этот вес на всю оставшуюся жизнь. Другие учёные в то время уже пришли к выводу, что атом кислорода должен весить 8 по отношению к водороду, равному 1, если принять формулу Дальтона для молекулы воды (HO), или 16, если принять современную формулу воды (H2O).
Авогадро Недостаток теории Дальтона был исправлен в 1811 году Амедео Авогадро. Авогадро предположил, что равные объёмы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул (другими словами, масса частиц газа не влияет на объём, который он занимает). Закон Авогадро позволил ему установить двухатомную природу многих газов, изучая объёмы, при которых они реагировали. Например: поскольку два литра водорода вступают в реакцию всего с одним литром кислорода с образованием двух литров водяного пара (при постоянном давлении и температуре), это означает, что одна молекула кислорода разделяется на две части, чтобы образовать две частицы воды. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомной массы кислорода и различных других элементов и провести чёткое различие между молекулами и атомами.
Броуновское движение В 1827 году британский ботаник Роберт Броун заметил, что частицы пыли внутри зёрен пыльцы, плавающих в воде, постоянно колеблются без видимой причины. В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что это броуновское движение было вызвано молекулами воды, непрерывно толкающими частицы, и разработал гипотетическую математическую модель для его описания. Эта модель была экспериментально подтверждена в 1908 году французским физиком Жаном Перреном, что обеспечило дополнительное подтверждение теории частиц (и, соответственно, теории атома).
Открытие субатомных частиц
Атомы считались наименьшим структурным элементом материи до 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон открыл электрон в своей работе над катодными лучами.
Трубка Крукса — это герметичный стеклянный контейнер, в котором два электрода разделены вакуумным промежутком. Когда на электроды подаётся напряжение, генерируются катодные лучи, создавая светящееся пятно там, где они попадают в стекло на противоположном конце трубки. Путём экспериментов Томсон обнаружил, что лучи могут отклоняться электрическим полем (в дополнение к уже известным магнитным полям). Он пришёл к выводу, что эти лучи не являются формой света, а состоят из очень лёгких отрицательно заряженных частиц, которые он назвал «корпускулами» (позже другие учёные переименовали их в электроны). Он измерил отношение массы к заряду и обнаружил, что оно в 1800 раз меньше, чем у водорода, самого маленького атома. Эти корпускулы были частицами, не похожими ни на какие другие известные ранее.