Con un átomo a través de las edades - parte 1

El último siglo se refiere a menudo como la "era del átomo". En ese tiempo no muy lejano, finalmente se probó la existencia de los “ladrillos” que componen el mundo que nos rodea, y se liberaron las fuerzas latentes en ellos. La idea del átomo mismo, sin embargo, tiene una historia muy larga, y la historia de la historia del conocimiento de la estructura de la materia no puede comenzar de otra manera que con palabras que se refieren a la antigüedad.

1. Un fragmento del fresco de Rafael "La escuela de Atenas", que representa a Platón (a la derecha, el filósofo tiene los rasgos de Leonardo da Vinci) y Aristóteles

"Ya viejo..."

… los filósofos llegaron a la conclusión de que toda la naturaleza se compone de partículas imperceptiblemente pequeñas. Por supuesto, en ese momento (y durante mucho tiempo después de eso) los científicos no tuvieron la oportunidad de probar sus suposiciones. Fueron solo un intento de explicar las observaciones de la naturaleza y responder a la pregunta: "¿Puede la materia decaer indefinidamente o la fisión tiene fin?«

Las respuestas se dieron en varios círculos culturales (principalmente en la antigua India), pero el desarrollo de la ciencia estuvo influenciado por los estudios de los filósofos griegos. En las ediciones navideñas del año pasado de "Técnico joven", los lectores aprendieron sobre la historia centenaria del descubrimiento de elementos ("Peligros con los elementos", MT 7-9/2014), que también comenzó en la antigua Grecia. Allá por el siglo VII a. C., se buscaba en diversas sustancias el componente principal a partir del cual se construye la materia (elemento, elemento): agua (Tales), aire (Anaxímenes), fuego (Heraclito) o tierra (Jenófanes).

Empédocles los reconcilió a todos, declarando que la materia consta no de uno, sino de cuatro elementos. Aristóteles (siglo I aC) agregó otra sustancia ideal: el éter, que llena todo el universo, y declaró la posibilidad de la transformación de los elementos. Por otro lado, la Tierra, situada en el centro del universo, era observada por el cielo, que siempre permanecía invariable. Gracias a la autoridad de Aristóteles, esta teoría de la estructura de la materia y del todo fue considerada correcta durante más de dos mil años. Se convirtió, entre otras cosas, en la base para el desarrollo de la alquimia y, por lo tanto, de la química misma (1).

2. Busto de Demócrito de Abdera (460-370 a. C.)

Sin embargo, en paralelo también se desarrolló otra hipótesis. Leucipo (siglo XVI a. C.) creía que la materia está compuesta de partículas muy pequeñas moviéndose en el vacío. Las opiniones del filósofo fueron desarrolladas por su alumno, Demócrito de Abdera (c. 460-370 a. C.) (2). Llamó a los “bloques” que componen la materia átomos (del griego atomos = indivisible). Argumentó que son indivisibles e inmutables, y que su número en el universo es constante. Los átomos se mueven en el vacío.

¿Cuándo átomos están conectados (por un sistema de ganchos y ojos) - se forman todo tipo de cuerpos, y cuando se separan unos de otros - los cuerpos se destruyen. Demócrito creía que hay infinitos tipos de átomos, que difieren en forma y tamaño. Las características de los átomos determinan las propiedades de una sustancia, por ejemplo, la miel dulce se compone de átomos lisos y el vinagre agrio de átomos angulares; los cuerpos blancos forman átomos lisos y los cuerpos negros forman átomos con una superficie rugosa.

La forma en que se une el material también afecta las propiedades de la materia: en los sólidos, los átomos están estrechamente adyacentes entre sí, y en los cuerpos blandos están ubicados de forma suelta. La quintaesencia de las opiniones de Demócrito es la afirmación: "De hecho, solo hay vacío y átomos, todo lo demás es una ilusión".

En siglos posteriores, los puntos de vista de Demócrito fueron desarrollados por sucesivos filósofos, también se encuentran algunas referencias en los escritos de Platón. Epicuro, uno de los sucesores, incluso creía que átomos consisten en componentes aún más pequeños ("partículas elementales"). Sin embargo, la teoría atomista de la estructura de la materia perdió ante los elementos de Aristóteles. La clave —ya entonces— se encontraba en la experiencia. Hasta que no hubo herramientas para confirmar la existencia de los átomos, las transformaciones de los elementos se observaron con facilidad.

Por ejemplo: cuando se calentaba agua (elemento frío y húmedo), se obtenía aire (vapor caliente y húmedo), y en el fondo del recipiente quedaba tierra (precipitación fría y seca de sustancias disueltas en agua). Las propiedades que faltaban, calor y sequedad, las proporcionaba el fuego, que calentaba la vasija.

Invariancia y constante número de átomos también contradijeron las observaciones, ya que se pensaba que los microbios surgían "de la nada" hasta el siglo XIX. Las opiniones de Demócrito no proporcionaron ninguna base para los experimentos alquímicos relacionados con la transformación de los metales. También fue difícil imaginar y estudiar la infinita variedad de tipos de átomos. La teoría elemental parecía mucho más simple y explicaba de manera más convincente el mundo circundante.

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

Caída y renacimiento

Durante siglos, la teoría atómica se ha mantenido al margen de la ciencia convencional. Sin embargo, finalmente no murió, sus ideas sobrevivieron y llegaron a los científicos europeos en forma de traducciones filosóficas árabes de escritos antiguos. Con el desarrollo del conocimiento humano, los cimientos de la teoría de Aristóteles comenzaron a desmoronarse. El sistema heliocéntrico de Nicolás Copérnico, las primeras observaciones de supernovas (Tycho de Brache) surgidas de la nada, el descubrimiento de las leyes del movimiento de los planetas (Johannes Kepler) y las lunas de Júpiter (Galileo) hicieron que en los siglos XVI y XVII siglos, la gente dejó de vivir bajo el cielo sin cambios desde el principio del mundo. En la tierra también fue el final de las opiniones de Aristóteles.

Los intentos centenarios de los alquimistas no dieron los resultados esperados: no lograron convertir los metales ordinarios en oro. Cada vez más científicos cuestionaron la existencia de los elementos mismos y recordaron la teoría de Demócrito.

4. El experimento de 1654 con los hemisferios de Magdeburg demostró la existencia del vacío y la presión atmosférica (¡16 caballos no pueden romper los hemisferios vecinos de los que se bombea el aire!)

Robert Boyle en 1661 dio una definición práctica de un elemento químico como una sustancia que no puede descomponerse en sus componentes mediante análisis químico (3). Él creía que la materia se compone de partículas pequeñas, sólidas e indivisibles que difieren en forma y tamaño. Al combinarse, forman moléculas de compuestos químicos que forman la materia.

Boyle llamó a estas diminutas partículas corpúsculos, o "corpúsculos" (un diminutivo de la palabra latina corpus = cuerpo). Las opiniones de Boyle sin duda fueron influenciadas por la invención de la bomba de vacío (Otto von Guericke, 1650) y la mejora de las bombas de pistón para comprimir aire. La existencia de un vacío y la posibilidad de cambiar la distancia (como resultado de la compresión) entre las partículas de aire testificó a favor de la teoría de Demócrito (4).

El científico más grande de la época, Sir Isaac Newton, también era un científico atómico. (5). Basado en las opiniones de Boyle, presentó una hipótesis sobre la fusión del cuerpo en formaciones más grandes. En lugar del antiguo sistema de ojales y corchetes, su atado era -cómo si no- por gravedad.

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

Por lo tanto, Newton unió las interacciones en todo el Universo: una fuerza controlaba tanto el movimiento de los planetas como la estructura de los componentes más pequeños de la materia. El científico creía que la luz también se compone de corpúsculos.

Hoy sabemos que tenía "mitad de razón": numerosas interacciones entre la radiación y la materia se explican por el flujo de fotones.

La química entra en juego

Hasta casi finales del siglo XIX, los átomos eran prerrogativa de los físicos. Sin embargo, fue la revolución química iniciada por Antoine Lavoisier la que hizo que la idea de la estructura granular de la materia fuera generalmente aceptada.

El descubrimiento de la estructura compleja de los elementos antiguos, agua y aire, finalmente refutó la teoría de Aristóteles. A finales del siglo XVIII, la ley de conservación de la masa y la creencia en la imposibilidad de la transformación de los elementos tampoco suscitaron objeciones. Las básculas se han convertido en equipo estándar en el laboratorio químico.

6. John Dalton (1766-1844)

Gracias a su uso, se notó que los elementos se combinan entre sí, formando ciertos compuestos químicos en proporciones de masa constantes (independientemente de su origen -natural u obtenido artificialmente- y del método de síntesis).

Esta observación se vuelve fácilmente explicable si asumimos que la materia consta de partes indivisibles que forman un todo único. átomos. El creador de la teoría moderna del átomo, John Dalton (1766-1844) (6), siguió este camino. Un científico en 1808 declaró que:

1. Los átomos son indestructibles e inmutables (esto, por supuesto, descartaba la posibilidad de transformaciones alquímicas).
2. Toda la materia está formada por átomos indivisibles.
3. Todos los átomos de un elemento dado son iguales, es decir, tienen la misma forma, masa y propiedades. Sin embargo, diferentes elementos están formados por diferentes átomos.
4. En las reacciones químicas, solo cambia la forma de unir los átomos, a partir de los cuales se construyen las moléculas de los compuestos químicos, en ciertas proporciones (7).

Otro descubrimiento, también basado en la observación del curso de los cambios químicos, fue la hipótesis del físico italiano Amadeo Avogadro. El científico llegó a la conclusión de que volúmenes iguales de gases en las mismas condiciones (presión y temperatura) contienen el mismo número de moléculas. Este descubrimiento hizo posible establecer las fórmulas de muchos compuestos químicos y determinar las masas átomos.

7. Símbolos atómicos usados ​​por Dalton (Nuevo Sistema de Filosofía Química, 1808)

8. Sólidos platónicos: símbolos de átomos de "elementos" antiguos (Wikipedia, autor: Maxim Pe)

¿Cuántas veces hay que cortar?

El surgimiento de la idea del átomo estuvo asociado con la pregunta: "¿Hay un final para la división de la materia?". Por ejemplo, tomemos una manzana con un diámetro de 10 cm y un cuchillo y comencemos a cortar la fruta. Primero, por la mitad, luego media manzana en dos partes más (paralelas al corte anterior), etc. Después de algunas veces, por supuesto, terminaremos, pero ¿nada nos impide continuar el experimento en la imaginación de un átomo? ¿Mil, un millón, tal vez más?

Después de comer una manzana en rodajas (¡delicioso!), comencemos los cálculos (los que conocen el concepto de progresión geométrica tendrán menos problemas). La primera división nos dará la mitad de la fruta de 5 cm de grosor, el siguiente corte nos dará una rodaja de 2,5 cm de grosor, etc... ¡10 batidos! Por lo tanto, el "camino" al mundo de los átomos no es largo.

*) Use un cuchillo con una hoja infinitamente delgada. De hecho, tal objeto no existe, pero dado que Albert Einstein en su investigación consideró trenes moviéndose a la velocidad de la luz, también se nos permite, a los efectos de un experimento mental, hacer la suposición anterior.

átomos platónicos

Platón, una de las mentes más grandes de la antigüedad, describió los átomos de los que debían estar compuestos los elementos en el diálogo de Timachos. Estas formaciones tenían la forma de poliedros regulares (sólidos platónicos). Entonces, el tetraedro era un átomo de fuego (como el más pequeño y volátil), el octaedro era un átomo de aire y el icosaedro era un átomo de agua (todos los sólidos tienen paredes de triángulos equiláteros). Un cubo de cuadrados es un átomo de la tierra, y un dodecaedro de pentágonos es un átomo de un elemento ideal: el éter celestial (8).