История возникновения атомистики
В учении Эмпедокла (490-430 гг. до н.э.) были обобщены взгляды предшественников и утверждалось, что за первичные начала всех вещей необходимо принять огонь, воздух, воду и землю.
Одновременно с Эмпедоклом возникло и другое учение - древнегреческая атомистика. Основоположниками этого учения считаются древнегреческий философ Левкипп (500-440 гг. до н.э.) и его ученик и друг Демокрит (470-360 гг. до н.э.). По их мнению, все вещи состоят из мельчайших частиц, далее уже неделимых - атомов [от греческого атомос (atomos) "нерассекаемый", "неделимый"]. Сочинения Левкиппа и Демокрита до нас не дошли, но согласно пересказу их работ в трудах других древнегреческих философов, Демокрит так высказывался об атомном строении тел: "Начала вселенной - атомы и пустота. Все же остальное существует лишь во мнении... Атомы не поддаются никакому воздействию, которое бы изменило их, и они неизменяемы вследствие твердости..., деление материи останавливается на атомах [далее неделимых] и не идет в бесконечность. Атомы суть всевозможные маленькие тела, пустота же некоторое место, в котором все эти тела в течение всей вечности, носясь вверх и вниз, или сплетаются каким-нибудь образом между собой, или наталкиваются друг на друга и отскакивают, расходятся и сходятся снова между собой в такие соединения, и таким образом они производят и все прочие сложные и наши тела, и их состояния и ощущения".
Учение Левкиппа и Демокрита развил Эпикур (341-271 гг. до н.э.). Труды Эпикура дошли до нас в поэтическом изложении в виде поэмы Тита Лукреция (99-55 гг. до н.э.) "О природе вещей". Сначала мы приведем некоторые мысли автора в вольном изложении, а чуть ниже - достаточно большую цитату: "Вселенная вечна, так как атомы, из которых состоят все тела мира, вечны и неистребимы, поэтому из ничего не может возникнуть мир даже по Божьей воле. Атомы различных веществ различаются по форме, этим объясняется разнообразие в свойствах тел. Так, горькие на вкус вещества состоят из атомов, обладающих острыми и колючими углами. Тела состоят либо из одинаковых частиц (атомов), либо из различных первичных частиц, которые не в состоянии разрушить никакая сила". Иногда утверждают, что древнегреческая натурфилософия была плодом философских рассуждений, не связанных с окружающими явлениями. Древнегреческие философы действительно не ставили прямых экспериментов, но они были внимательными наблюдателями явлений в окружающем их мире. Теперь посмотрим, как выглядит фрагмент из книги "О природе вещей":
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; Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах, В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя, Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь. Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно Первоначала вещей в пустоте необъятной мечутся. Так о великих вещах помогают составить понятье Малые вещи, пути намечая для их постиженья...
Поэма Лукреция оказала большое влияние на последующее развитие материалистических учений в естествознании и философии.
Древнегреческая атомистика легла в основу естественно-научного материализма. В IV веке один из виднейших идиологов христианства блаженный Августин объявил учение Левкиппа и Демокрита языческим и несовместимым с догматами христианства. С утверждением господства в Европе римско-католической церкви преследования атомистов сделались особенно жестокими. Так, философ-материалист Джордано Бруно (1548-1600), развивавший учение об атомах (минимальных) как субстанции всех вещей, 17 февраля 1600 г. римско-католической инквизицией был сожжен на костре в Риме. Церковь разрешала следовать только взглядам Аристотеля. Но даже и те ученые, кто боялся порвать с религией, иногда обращались к древнегреческой атомистике. Так, Пьер Гассенди (1592 - 1655) - французский философ и физик - в своих трудах критиковал учение Аристотеля и по-своему пересказывал учение атомистов, говоря, что Бог сотворил определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых составлены все тела мира, атомы различаются по размеру и весу, возникновение и уничтожение тел объясняется лишь соединением атомов и распадом этих тел на исходные атомы, атомы непрерывно движутся в пространстве и сталкиваются друг с другом, тела состоят не из первичных атомов, а из соединений, которые он назвал "молекулами" (от слова moles масса). По мнению Гассенди, "невесомые флюиды" - теплота и свет - также состоят из атомов.
Выдающийся вклад в "корпускулярную" теорию внес Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Вместо слова "молекула" в XVIII веке говорили "корпускула", а вместо слова "атом" чаще говорили "элемент", считали, что атомы и молекулы настолько малы, что человек с помощью органов чувств непосредственно ощутить их не может, но тем не менее, все вещества состоят из корпускул (молекул), представляющих собой собрание элементов (атомов), а также что простые вещества состоят из "однородных" корпускул, которые содержат одинаковое число одних и тех же элементов, а сложные вещества состоят из "разнородных" корпускул. Ломоносов использовал корпускулярную теорию для объяснения на ее основе ряда физических и химических явлений. Ломоносов отрицал, что теплота состоит из "невесомых флюидов", разработал молекулярно- кинетическую теорию теплоты: "Теплота состоит во внутреннем движении материи", поэтому он пришел к выводу о существовании абсолютного нуля температур, о самопроизвольном переходе тепла от нагретого тела к холодному (основная идея второго начала термодинамики) и определил причины испарения жидкостей и растворения в них твердых тел. Все это позволило Ломоносову сформулировать следующий Закон: "Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает". В 1756 г. М.В.Ломоносов экспериментально доказал справедливость этого закона. Независимо от него в 1789 г. на основе проделанных опытов А.Лавуазье подтвердил справедливость Закона сохранения массы веществ при протекании химических реакций. Сейчас этот Закон формулируют так:
"Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех веществ, образовавшихся в результате реакции".
Химическая атомистика
Конец XVIII века ознаменовался активным использованием в химии количественных методов исследования веществ при их анализе и при изучении их превращений. Так, изучая взаимодействие кислот и оснований с образованием солей, немецкий ученый И.Рихтер (1762-1807) составил ряды относительных весовых количеств кислот, которые необходимы для нейтрализации определенного количества какой-либо щелочи и, наоборот, щелочей, необходимых для нейтрализации какой-либо кислоты. Так было введено в химию понятие "стехиометрия" (от "стихия" и "мера"). Основной труд И.Рихтера назывался "О применении математики в химии". Однако И.Рихтер ошибочно полагал, что при расположении чисел в рядах нейтрализации в порядке их возрастания, они должны увеличиваться в порядке арифметической или геометрической прогрессии.
Французский ученый Ж.Пруст (1754-1826), работая в прекрасно оборудованной лаборатории в Мадридском университете, исследовал количественный состав солей олова, меди, железа, никеля, сурьмы, кобольта, серебра и золота (1799-1806) и пришел к выводу: "Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав. Природа, даже через посредство людей, не производит соединения иначе, как с весами в руках, - по мере и весу. От одного полюса Земли к другому соединения имеют тождественный состав. Никакой разницы мы не видим между окисью железа южного полушария и северного; японская киноварь имеет тот же состав, как испанская киноварь; хлористое серебро совершенно тождественно, происходит ли оно из Перу или из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра, одна сернокальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ подтверждает эти факты на каждом шагу". Сейчас Закон постоянства состава формулируется так:
"Каждое индивидуальное химическое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение независимо от способа его получения".
Этот Закон утверждался Ж.Прустом в жесткой борьбе с соотечественником, признанным авторитетом того времени в химии - К.Бертолле (1748-1822). Научная дискуссия помогла химикам четко осознать различие между понятиями "соединение" и "смесь". Смеси веществ действительно могут иметь переменный состав.
Изучая соотношения между азотом и кислородом в различных окислах азота, английский ученый (физик и химик) Джон Дальтон (1766-1844) пришел к выводу, который и составил основное содержание Закона кратных отношений:
"Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа".
Пусть у нас имеются данные о процентном содержании азота и кислорода в трех оксидах: N2O, NO и NO2. Рассчитаем, сколько весовых частей кислорода приходится на одну весовую часть азота в этих соединениях: в N2O это 16/28, в NO - 16/14 или 32/28 и в NO2 - 32/14 или 64/28. Между собой эти величины относятся как 1:2:4. Можно было бы таким же образом рассчитать весовые части азота, приходящиеся на одну весовую часть кислорода в этих окислах. Взяв их отношения, мы получим 4:2:1. Используя данные о процентном содержании углерода и кислорода в окислах CO и CO2, легко получить, что отношения весовых частей кислорода, приходящиеся на одну весовую часть углерода в этих оксидах, равно 1:2. Самое простое и естественное объяснение этим фактам дала атомная теория. Так как важнейшие исходные данные - процентное содержание химических элементов в рассматриваемых соединениях - были получены на основе химического анализа, а выводы касались атомного строения химических соединений, то все это учение получило название химической атомистики. Основные положения этой теории Д.Дальтон сформулировал так :
1) материя состоит из мельчайших первичных частиц или атомов; 2) атомы неделимы и не могут создаваться или разрушаться; 3) все атомы данного элемента одинаковы и имеют один и тот же неизменный вес; 4) атомы разных элементов обладают различным весом; 5) частица или соединение сформированы из определенного числа атомов, состоящих из них элементов; 6) вес сложной частицы представляет собой сумму весов составляющих ее атомов".
Д.Дальтон предложил первые химические формулы для некоторых простейших химических соединений. Не имея экспериментальных данных о числе атомов в молекуле, Д.Дальтон был вынужден принять простейшие, как он считал, отношения, что в молекуле воды на один атом водорода приходится один атом кислорода, в аммиаке на один атом азота приходится один атом водорода. Д.Дальтон рассчитал относительные атомные веса для некоторых элементов, приняв атомный вес водорода за единицу.
см. также