Dengan atom selama berabad-abad - bagian 1

Abad terakhir sering disebut sebagai "zaman atom". Pada waktu yang tidak terlalu lama, keberadaan "batu bata" yang membentuk dunia di sekitar kita akhirnya terbukti, dan kekuatan yang tidak aktif di dalamnya dilepaskan. Gagasan tentang atom itu sendiri, bagaimanapun, memiliki sejarah yang sangat panjang, dan kisah sejarah pengetahuan tentang struktur materi tidak dapat dimulai selain dengan kata-kata yang mengacu pada zaman kuno.

1. Sebuah fragmen fresco Raphael "The School of Athens", menggambarkan Plato (di sebelah kanan, filsuf memiliki fitur Leonardo da Vinci) dan Aristoteles

"Sudah tua..."

… para filsuf sampai pada kesimpulan bahwa semua alam terdiri dari partikel-partikel kecil yang tidak terlihat. Tentu saja, pada saat itu (dan untuk waktu yang lama setelah itu) para ilmuwan tidak memiliki kesempatan untuk menguji asumsi mereka. Mereka hanya mencoba untuk menjelaskan pengamatan alam dan menjawab pertanyaan: "Bisakah materi meluruh tanpa batas waktu, atau adakah akhir dari pembelahan?«

Jawaban diberikan di berbagai kalangan budaya (terutama di India kuno), tetapi perkembangan ilmu pengetahuan dipengaruhi oleh studi para filsuf Yunani. Dalam edisi liburan "Teknisi Muda" tahun lalu, pembaca mempelajari tentang sejarah berabad-abad penemuan elemen ("Bahaya dengan Elemen", MT 7-9/2014), yang juga dimulai di Yunani Kuno. Kembali pada abad ke-XNUMX SM, komponen utama dari mana materi (elemen, elemen) dibangun dicari dalam berbagai zat: air (Thales), udara (Anaximenes), api (Heraclitus) atau bumi (Xenophanes).

Empedocles mendamaikan mereka semua, menyatakan bahwa materi tidak terdiri dari satu, tetapi dari empat elemen. Aristoteles (abad ke-1 SM) menambahkan zat ideal lainnya - eter, yang memenuhi seluruh alam semesta, dan menyatakan kemungkinan transformasi elemen. Di sisi lain, Bumi, yang terletak di pusat alam semesta, diamati oleh langit, yang selalu tidak berubah. Berkat otoritas Aristoteles, teori struktur materi dan keseluruhan ini dianggap benar selama lebih dari dua ribu tahun. Menjadi, antara lain, dasar untuk pengembangan alkimia, dan karena itu dari kimia itu sendiri (XNUMX).

2. Patung Democritus dari Abdera (460-370 SM)

Namun, hipotesis lain juga dikembangkan secara paralel. Leucippus (abad XNUMX SM) percaya bahwa materi terdiri dari: partikel yang sangat kecil bergerak dalam ruang hampa. Pandangan filsuf dikembangkan oleh muridnya - Democritus of Abdera (c. 460-370 SM) (2). Dia menyebut "balok" yang membentuk atom materi (atomos Yunani = tak terpisahkan). Dia berargumen bahwa mereka tidak dapat dibagi dan tidak berubah, dan jumlah mereka di alam semesta adalah konstan. Atom bergerak dalam ruang hampa.

Ketika atom mereka terhubung (dengan sistem kait dan mata) - semua jenis tubuh terbentuk, dan ketika mereka dipisahkan satu sama lain - tubuh dihancurkan. Democritus percaya bahwa ada banyak sekali jenis atom, berbeda dalam bentuk dan ukuran. Ciri-ciri atom menentukan sifat suatu zat, misalnya madu manis tersusun dari atom halus, dan cuka asam tersusun dari atom bersudut; benda putih membentuk atom halus, dan benda hitam membentuk atom dengan permukaan kasar.

Cara suatu bahan bergabung juga mempengaruhi sifat-sifat materi: dalam padatan, atom-atom saling berdekatan satu sama lain, dan dalam benda lunak mereka terletak longgar. Intisari dari pandangan Democritus adalah pernyataan: "Faktanya, hanya ada kekosongan dan atom, yang lainnya adalah ilusi."

Pada abad-abad berikutnya, pandangan Democritus dikembangkan oleh para filsuf berturut-turut, beberapa referensi juga ditemukan dalam tulisan-tulisan Plato. Epicurus - salah satu penerus - bahkan percaya itu atom mereka terdiri dari komponen yang lebih kecil ("partikel dasar"). Namun, teori atomistik tentang struktur materi kalah dari unsur-unsur Aristoteles. Kuncinya—sudah dulu—ditemukan dalam pengalaman. Sampai ada alat untuk mengkonfirmasi keberadaan atom, transformasi unsur mudah diamati.

Misalnya: ketika air dipanaskan (elemen dingin dan basah), udara diperoleh (uap panas dan basah), dan tanah tetap berada di dasar bejana (presipitasi dingin dan kering zat terlarut dalam air). Properti yang hilang - kehangatan dan kekeringan - disediakan oleh api, yang memanaskan kapal.

Invarian dan konstan jumlah atom mereka juga bertentangan dengan pengamatan, karena mikroba dianggap muncul "dari ketiadaan" sampai abad ke-XNUMX. Pandangan Democritus tidak memberikan dasar apapun untuk eksperimen alkimia yang berhubungan dengan transformasi logam. Juga sulit untuk membayangkan dan mempelajari berbagai jenis atom yang tak terbatas. Teori dasar tampak jauh lebih sederhana dan lebih meyakinkan menjelaskan dunia sekitarnya.

3. Potret Robert Boyle (1627-1691) oleh J. Kerseboom.

Musim gugur dan kelahiran kembali

Selama berabad-abad, teori atom telah berdiri terpisah dari sains arus utama. Namun, dia akhirnya tidak mati, ide-idenya bertahan, mencapai ilmuwan Eropa dalam bentuk terjemahan filosofis Arab dari tulisan-tulisan kuno. Dengan berkembangnya pengetahuan manusia, dasar-dasar teori Aristoteles mulai runtuh. Sistem heliosentris Nicolaus Copernicus, pengamatan pertama supernova (Tycho de Brache) yang muncul entah dari mana, penemuan hukum gerak planet-planet (Johannes Kepler) dan bulan-bulan Jupiter (Galileo) berarti bahwa pada tanggal enam belas dan tujuh belas berabad-abad, orang-orang berhenti hidup di bawah langit tidak berubah sejak awal dunia. Di bumi, juga, adalah akhir dari pandangan Aristoteles.

Upaya para alkemis selama berabad-abad tidak membawa hasil yang diharapkan - mereka gagal mengubah logam biasa menjadi emas. Semakin banyak ilmuwan mempertanyakan keberadaan unsur-unsur itu sendiri, dan mengingat teori Democritus.

4. Eksperimen tahun 1654 dengan belahan Magdeburg membuktikan adanya vakum dan tekanan atmosfer (16 kuda tidak dapat mematahkan belahan tetangga tempat udara dipompa keluar!)

Robert Boyle pada tahun 1661 memberikan definisi praktis tentang unsur kimia sebagai zat yang tidak dapat diuraikan menjadi komponen-komponennya dengan analisis kimia (3). Dia percaya bahwa materi terdiri dari partikel kecil, padat, dan tidak dapat dibagi yang berbeda dalam bentuk dan ukuran. Menggabungkan, mereka membentuk molekul senyawa kimia yang membentuk materi.

Boyle menyebut partikel-partikel kecil ini sel-sel, atau "sel-sel" (sebuah bentuk kecil dari kata Latin corpus = tubuh). Pandangan Boyle tidak diragukan lagi dipengaruhi oleh penemuan pompa vakum (Otto von Guericke, 1650) dan peningkatan pompa piston untuk mengompresi udara. Keberadaan ruang hampa dan kemungkinan perubahan jarak (sebagai akibat dari kompresi) antara partikel udara bersaksi mendukung teori Democritus (4).

Ilmuwan terbesar saat itu, Sir Isaac Newton, juga seorang ilmuwan atom. (5). Berdasarkan pandangan Boyle, ia mengajukan hipotesis tentang peleburan benda menjadi formasi yang lebih besar. Alih-alih sistem lubang tali dan kait kuno, ikatan mereka - bagaimana lagi - oleh gravitasi.

5. Potret Sir Isaac Newton (1642-1727), oleh G. Kneller.

Dengan demikian, Newton menyatukan interaksi di seluruh Semesta - satu kekuatan mengendalikan pergerakan planet-planet dan struktur komponen materi terkecil. Ilmuwan percaya bahwa cahaya juga terdiri dari sel-sel.

Hari ini kita tahu bahwa dia "setengah benar" - banyak interaksi antara radiasi dan materi dijelaskan oleh aliran foton.

Kimia ikut bermain

Sampai hampir akhir abad XNUMX, atom adalah hak prerogatif fisikawan. Namun, itu adalah revolusi kimia yang diprakarsai oleh Antoine Lavoisier yang membuat gagasan tentang struktur granular materi diterima secara umum.

Penemuan struktur kompleks unsur purba – air dan udara – akhirnya menyanggah teori Aristoteles. Pada akhir abad ke-XNUMX, hukum kekekalan massa dan keyakinan akan ketidakmungkinan transformasi elemen juga tidak menimbulkan keberatan. Timbangan sudah menjadi perlengkapan standar di laboratorium kimia.

6. John Dalton (1766-1844)

Berkat penggunaannya, diketahui bahwa unsur-unsur tersebut bergabung satu sama lain, membentuk senyawa kimia tertentu dalam proporsi massa yang konstan (terlepas dari asalnya - diperoleh secara alami atau buatan - dan metode sintesisnya).

Pengamatan ini menjadi mudah dijelaskan jika kita berasumsi bahwa materi terdiri dari bagian-bagian yang tidak dapat dibagi yang membentuk satu kesatuan. atom. Pencipta teori atom modern, John Dalton (1766-1844) (6), mengikuti jalan ini. Seorang ilmuwan pada tahun 1808 menyatakan bahwa:

1. Atom tidak dapat dihancurkan dan tidak dapat diubah (ini, tentu saja, mengesampingkan kemungkinan transformasi alkimia).
2. Semua materi terdiri dari atom yang tidak dapat dibagi lagi.
3. Semua atom dari unsur tertentu adalah sama, yaitu memiliki bentuk, massa, dan sifat yang sama. Namun, unsur yang berbeda terdiri dari atom yang berbeda.
4. Dalam reaksi kimia, hanya cara penggabungan atom yang berubah, dari mana molekul senyawa kimia dibangun - dalam proporsi tertentu (7).

Penemuan lain, juga berdasarkan pengamatan terhadap jalannya perubahan kimia, adalah hipotesis fisikawan Italia Amadeo Avogadro. Ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa volume gas yang sama di bawah kondisi yang sama (tekanan dan suhu) mengandung jumlah molekul yang sama. Penemuan ini memungkinkan untuk menetapkan rumus banyak senyawa kimia dan menentukan massa atom.

7. Simbol atom yang digunakan oleh Dalton (Sistem Baru Filsafat Kimia, 1808)

8. Padatan Platonis - simbol atom "elemen" kuno (Wikipedia, penulis: Maxim Pe)

Berapa kali dipotong?

Munculnya gagasan tentang atom dikaitkan dengan pertanyaan: "Apakah ada akhir dari pembagian materi?". Sebagai contoh, mari kita ambil sebuah apel dengan diameter 10 cm dan pisau dan mulailah mengiris buahnya. Pertama, menjadi dua, lalu setengah apel menjadi dua bagian lagi (sejajar dengan potongan sebelumnya), dll. Setelah beberapa kali, tentu saja, kita akan menyelesaikannya, tetapi tidak ada yang menghalangi kita untuk melanjutkan eksperimen dalam imajinasi satu atom? Seribu, sejuta, mungkin lebih?

Setelah makan apel yang diiris (lezat!), Mari kita mulai menghitung (mereka yang tahu konsep deret geometri tidak akan kesulitan). Pembagian pertama akan memberi kita setengah buah dengan ketebalan 5 cm, potongan berikutnya akan memberi kita irisan dengan ketebalan 2,5 cm, dst. ... 10 yang dipukuli! Oleh karena itu, "jalan" menuju dunia atom tidaklah panjang.

*) Gunakan pisau dengan mata pisau yang sangat tipis. Sebenarnya, objek seperti itu tidak ada, tetapi karena Albert Einstein dalam penelitiannya menganggap kereta api bergerak dengan kecepatan cahaya, kami juga diizinkan - untuk tujuan eksperimen pemikiran - untuk membuat asumsi di atas.

Atom Platonis

Plato, salah satu pemikir terbesar zaman kuno, menggambarkan atom-atom yang unsur-unsurnya akan disusun dalam dialog Timachos. Formasi ini berbentuk polihedra beraturan (padatan Platonis). Jadi, tetrahedron adalah atom api (sebagai yang terkecil dan paling mudah menguap), oktahedron adalah atom udara, dan ikosahedron adalah atom air (semua padatan memiliki dinding segitiga sama sisi). Kubus persegi adalah atom bumi, dan segi lima segi lima adalah atom elemen ideal - eter langit (8).