Com um átomo através dos tempos - parte 1

O século passado é muitas vezes referido como a "idade do átomo". Naquele tempo não muito distante, a existência dos “tijolos” que compõem o mundo ao nosso redor foi finalmente comprovada, e as forças adormecidas neles foram liberadas. A ideia do próprio átomo, no entanto, tem uma história muito longa, e a história da história do conhecimento da estrutura da matéria não pode ser iniciada de outra forma que não com palavras referentes à antiguidade.

1. Um fragmento do afresco de Rafael "A Escola de Atenas", representando Platão (à direita, o filósofo tem as feições de Leonardo da Vinci) e Aristóteles

"Já antigo..."

… os filósofos chegaram à conclusão de que toda a natureza consiste em partículas imperceptivelmente pequenas. Claro, naquela época (e por muito tempo depois disso) os cientistas não tiveram a oportunidade de testar suas suposições. Eles eram apenas uma tentativa de explicar as observações da natureza e responder à pergunta: "A matéria pode decair indefinidamente ou há um fim para a fissão?«

As respostas foram dadas em vários círculos culturais (principalmente na Índia antiga), mas o desenvolvimento da ciência foi influenciado pelos estudos dos filósofos gregos. Nas edições de férias do ano passado de "Young Technician", os leitores aprenderam sobre a história secular da descoberta de elementos ("Perigos com os Elementos", MT 7-9/2014), que também começou na Grécia Antiga. No século VII aC, o principal componente a partir do qual a matéria (elemento, elemento) é construído era procurado em várias substâncias: água (Tales), ar (Anaxímenes), fogo (Heráclito) ou terra (Xenófanes).

Empédocles reconciliou todos eles, declarando que a matéria consiste não em um, mas em quatro elementos. Aristóteles (século I aC) acrescentou outra substância ideal - éter, que preenche todo o universo, e declarou a possibilidade de transformação dos elementos. Por outro lado, a Terra, localizada no centro do universo, foi observada pelo céu, que sempre se manteve inalterado. Graças à autoridade de Aristóteles, essa teoria da estrutura da matéria e do todo foi considerada correta por mais de dois mil anos. Tornou-se, entre outras coisas, a base para o desenvolvimento da alquimia e, portanto, da própria química (1).

2. Busto de Demócrito de Abdera (460-370 aC)

No entanto, outra hipótese também foi desenvolvida em paralelo. Leucipo (século XNUMX aC) acreditava que a matéria é composta de partículas muito pequenas movendo-se no vácuo. As opiniões do filósofo foram desenvolvidas por seu aluno, Demócrito de Abdera (c. 460-370 aC) (2). Ele chamou os “blocos” que constituem a matéria de átomos (do grego atomos = indivisível). Ele argumentou que eles são indivisíveis e imutáveis, e que seu número no Universo é constante. Os átomos se movem no vácuo.

Quando átomos eles estão conectados (por um sistema de ganchos e olhos) - todos os tipos de corpos são formados e, quando separados uns dos outros, os corpos são destruídos. Demócrito acreditava que havia infinitos tipos de átomos, variando em forma e tamanho. As características dos átomos determinam as propriedades de uma substância, por exemplo, o mel doce consiste em átomos lisos e o vinagre azedo tem átomos angulares; corpos brancos formam átomos lisos e corpos pretos formam átomos com superfície áspera.

A maneira como um material é unido também afeta as propriedades da matéria: nos sólidos, os átomos estão firmemente adjacentes uns aos outros e, nos corpos moles, estão localizados frouxamente. A quintessência das visões de Demócrito é a afirmação: "Na verdade, há apenas vazio e átomos, todo o resto é uma ilusão."

Nos séculos posteriores, as visões de Demócrito foram desenvolvidas por sucessivos filósofos, algumas referências também são encontradas nos escritos de Platão. Epicuro - um dos sucessores - chegou a acreditar que átomos eles consistem em componentes ainda menores (“partículas elementares”). No entanto, a teoria atomística da estrutura da matéria perdeu para os elementos de Aristóteles. A chave - já então - foi encontrada na experiência. Até que houvesse ferramentas para confirmar a existência de átomos, as transformações dos elementos eram facilmente observadas.

Por exemplo: quando a água foi aquecida (elemento frio e úmido), o ar foi obtido (vapor quente e úmido) e o solo permaneceu no fundo do vaso (precipitação fria e seca de substâncias dissolvidas na água). As propriedades que faltavam - calor e secura - eram fornecidas pelo fogo, que aqueceu a embarcação.

Invariância e constante número de átomos eles também contradiziam as observações, já que se pensava que os micróbios surgiam "do nada" até o século XIX. As visões de Demócrito não forneceram nenhuma base para experimentos alquímicos relacionados à transformação de metais. Também era difícil imaginar e estudar a infinita variedade de tipos de átomos. A teoria elementar parecia muito mais simples e explicava de forma mais convincente o mundo circundante.

3. Retrato de Robert Boyle (1627–1691) de J. Kerseboom.

Queda e renascimento

Durante séculos, a teoria atômica se destacou da ciência dominante. No entanto, ela não morreu finalmente, suas ideias sobreviveram, chegando aos cientistas europeus na forma de traduções filosóficas árabes de escritos antigos. Com o desenvolvimento do conhecimento humano, os fundamentos da teoria de Aristóteles começaram a desmoronar. O sistema heliocêntrico de Nicolau Copérnico, as primeiras observações de supernovas (Tycho de Brache) surgindo do nada, a descoberta das leis do movimento dos planetas (Johannes Kepler) e das luas de Júpiter (Galileu) fizeram com que nos séculos XVI e XVII séculos, as pessoas deixaram de viver sob o céu inalteradas desde o início do mundo. Na terra, também, foi o fim dos pontos de vista de Aristóteles.

As tentativas seculares dos alquimistas não trouxeram os resultados esperados - eles não conseguiram transformar metais comuns em ouro. Mais e mais cientistas questionaram a existência dos próprios elementos e se lembraram da teoria de Demócrito.

4. A experiência de 1654 com os hemisférios de Magdeburg provou a existência de vácuo e pressão atmosférica (16 cavalos não podem quebrar hemisférios vizinhos de onde o ar foi bombeado!)

Robert Boyle em 1661 deu uma definição prática de um elemento químico como uma substância que não pode ser decomposta em seus componentes por análise química (3). Ele acreditava que a matéria consiste em partículas pequenas, sólidas e indivisíveis que diferem em forma e tamanho. Combinando, eles formam moléculas de compostos químicos que compõem a matéria.

Boyle chamou essas minúsculas partículas de corpúsculos, ou "corpúsculos" (um diminutivo da palavra latina corpus = corpo). As opiniões de Boyle foram indubitavelmente influenciadas pela invenção da bomba de vácuo (Otto von Guericke, 1650) e pelo aperfeiçoamento das bombas de pistão para compressão de ar. A existência de um vácuo e a possibilidade de alterar a distância (como resultado da compressão) entre as partículas de ar testemunharam a favor da teoria de Demócrito (4).

O maior cientista da época, Sir Isaac Newton, também foi um cientista atômico. (5). Com base nas opiniões de Boyle, ele apresentou uma hipótese sobre a fusão de corpos em formações maiores. Em vez do antigo sistema de ilhós e ganchos, sua amarração era - de outra forma - por gravidade.

5. Retrato de Sir Isaac Newton (1642-1727), de G. Kneller.

Assim, Newton uniu as interações em todo o Universo - uma força controlava tanto o movimento dos planetas quanto a estrutura dos menores componentes da matéria. O cientista acreditava que a luz também consiste em corpúsculos.

Hoje sabemos que ele estava “meio certo” – inúmeras interações entre radiação e matéria são explicadas pelo fluxo de fótons.

A química entra em jogo

Até quase o final do século XNUMX, os átomos eram prerrogativa dos físicos. No entanto, foi a revolução química iniciada por Antoine Lavoisier que tornou a ideia da estrutura granular da matéria geralmente aceita.

A descoberta da estrutura complexa dos elementos antigos - água e ar - finalmente refutou a teoria de Aristóteles. No final do século XVIII, a lei da conservação da massa e a crença na impossibilidade da transformação dos elementos também não causaram objeções. As balanças tornaram-se equipamento padrão no laboratório químico.

6. John Dalton (1766-1844)

Graças ao seu uso, percebeu-se que os elementos se combinam entre si para formar determinados compostos químicos em proporções de massa constantes (independentemente de sua origem - natural ou obtida artificialmente - e do método de síntese).

Esta observação tornou-se facilmente explicável se assumirmos que a matéria consiste em partes indivisíveis que compõem um único todo. átomos. O criador da moderna teoria do átomo, John Dalton (1766-1844) (6), seguiu esse caminho. Um cientista em 1808 afirmou que:

1. Os átomos são indestrutíveis e imutáveis ​​(isso, é claro, descartou a possibilidade de transformações alquímicas).
2. Toda a matéria é composta de átomos indivisíveis.
3. Todos os átomos de um determinado elemento são iguais, ou seja, têm a mesma forma, massa e propriedades. No entanto, elementos diferentes são compostos de átomos diferentes.
4. Nas reações químicas, muda apenas a forma como os átomos se unem, a partir da qual se constroem as moléculas dos compostos químicos - em certas proporções (7).

Outra descoberta, também baseada na observação do curso das mudanças químicas, foi a hipótese do físico italiano Amadeo Avogadro. O cientista chegou à conclusão de que volumes iguais de gases nas mesmas condições (pressão e temperatura) contêm o mesmo número de moléculas. Esta descoberta tornou possível estabelecer as fórmulas de muitos compostos químicos e determinar as massas átomos.

7. Símbolos atômicos usados ​​por Dalton (New System of Chemical Philosophy, 1808)

8. Sólidos platônicos - símbolos de átomos de "elementos" antigos (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

Quantas vezes cortar?

O surgimento da ideia do átomo foi associado à pergunta: "Existe um fim para a divisão da matéria?". Por exemplo, vamos pegar uma maçã com um diâmetro de 10 cm e uma faca e começar a fatiar a fruta. Primeiro, ao meio, depois metade de uma maçã em mais duas partes (paralelamente ao corte anterior), etc. Depois de algumas vezes, é claro, vamos terminar, mas nada nos impede de continuar o experimento na imaginação de um átomo? Mil, um milhão, talvez mais?

Depois de comer uma maçã fatiada (deliciosa!), vamos começar os cálculos (quem conhece o conceito de progressão geométrica terá menos dificuldade). A primeira divisão nos dará metade da fruta com uma espessura de 5 cm, o próximo corte nos dará uma fatia com uma espessura de 2,5 cm, etc... 10 batidas! Portanto, o "caminho" para o mundo dos átomos não é longo.

*) Use uma faca com lâmina infinitamente fina. De fato, tal objeto não existe, mas como Albert Einstein em sua pesquisa considerou trens se movendo à velocidade da luz, também podemos - para fins de um experimento mental - fazer a suposição acima.

Átomos platônicos

Platão, uma das maiores mentes da antiguidade, descreveu os átomos dos quais os elementos deveriam ser compostos no diálogo Timachos. Essas formações tinham a forma de poliedros regulares (sólidos platônicos). Assim, o tetraedro era um átomo de fogo (como o menor e mais volátil), o octaedro era um átomo de ar e o icosaedro era um átomo de água (todos os sólidos têm paredes de triângulos equiláteros). Um cubo de quadrados é um átomo da terra, e um dodecaedro de pentágonos é um átomo de um elemento ideal - o éter celeste (8).