Эволюция учения об атоме. Материалы к уроку
презентация к уроку по физике (11 класс) по теме

                                             “Отыщи всему начало и ты многое поймёшь”. (Козьма Прутков.)

ЭВОЛЮЦИЯ УЧЕНИЯ об АТОМЕ

На протяжении всей истории науки ученые пытались найти ответ на вопрос: что такое материя и из чего она состоит, т.е. познать основы мироздания.

Так в науке древности появились термины элемент и атом. Под элементом (от лат. еlementum – «стихия», «первоначальное вещество»)  в философском смысле понимали простейшую, неразложимую составную часть всех тел.

Древнегреческий философ Эмпедокл (V век до н. э) полагал, что в мире есть четыре основных элемента: земля,  вода, воздух и огонь, которые обладают неизменными свойствами: тепло, влажность, холод, сухость.

Идеи Эмпедокла были развиты в трудах Аристотеля: к 4 стихиям он добавил пятую – эфир. На протяжении двух тысячелетий соперничали между собой идеи Аристотеля, считавшего, что материя непрерывна и учение Левкиппа, Демокрита и Эпикура о том что все в мире состоит из огромного числа частиц. Демокрит назвал эти частицы атомами.

Атом в переводе на русский – неделимый.

Согласно учению Демокрита:

1. все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазом, неделимых частиц-атомов;
2. атомы непрерывно двигаются в пустоте;
3. никто их не создавал, они были всегда;
4. никто не может уничтожить атомы;
5. атомы материальны: имеют вес, размеры, форму;
6. одни атомы имеют крючочки, другие петельки с помощью которых соединяются друг с другом.

Многочисленные подтверждения своим взглядам Демокрит находил в наблюдениях за окружающим миром. Его бессмертное учение навеки запечатлелось в прекрасных  стихах поэмы Лукреция (1 век до н.э.) «О природе вещей».

Противник Демокрита Платон свои взгляды на строение вещей изложил в своем философском сочинении «ТИМЕЙ». Он утверждает, что в основе всего сущего лежат частицы. Эти частицы имеют форму геометрических фигур – треугольников. Элементы мира у Платона– правильные многогранники: тетраэдр  -«частица огня», октаэдр -«частица воздуха», икосаэдр - «частица воды», куб - «частица земли».

На протяжении более чем 20 столетий ученые использовали понятие атома, собирая и накапливая информацию об этом «невидимке».

С момента возникновения атомистическое учение жестоко преследовалось служителями церкви. Последователей Демокрита подвергали гонениям, а их произведения сжигали. В эпоху средневековья атомистические представления были полностью отброшены и в течение более тысячи лет в науке господствовало учение Аристотеля.

В середине XVII в. французский философ и физик Пьер Гассенди (1592—1655) заново пересказал учение Демокрита и Эпикура, дополнив его новым понятием «молекула» для обозначения различного сочетания  атомов друг с другом.

Атом становится  объектом изучения химиков

Во второй половине XVII в. произошло множество открытий в областях физики и химии. Огромную роль в этом сыграли работы выдающихся английских ученых Роберта Бойля (1627—1691) и Исаака   Ньютона   (1643—1727).

После 10 лет эксперимента Р. Бойль написал знаменитую книгу «Химик-скептик», в которой доказал нереальность «начал» Аристотеля и ввел представление о химических элементах как о веществах, не поддающихся дальнейшему разложению. Определив задачей химии изучение элементов и их соединений. Р. Бойль поставил ее на научную основу. Ф. Энгельс отметил эту заслугу исследователя кратко и определенно: «Бойль делает из химии науку».

Огромный вклад в развитие науке об атомах  внес замечательный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711 - 1765).

Он утверждал, что все происходящие в природе химические и физические явления обусловлены внутренним движением частиц вещества. Наделив атомы  массой, шарообразной формой и способностью к движению, ученый высказал ряд важных положений, которые спустя 130 лет легли в основу молекулярно-кинетической теории газов.   MВ Ломоносов   считал знание физики залогом успешной деятельности в   области химии. «Химик без знания физики, — писал он, - подобен человеку, который всего    должен искать ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

М. В. Ломоносова по праву  считают основоположником количественного метода исследования.

Количественный метод исследования к концу XVII в.  являлся  основой химического эксперимента. Ученые стали систематически прибегать к измерению объемов и взвешиванию. Большая заслуга в этом принадлежит также выдающемуся французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743—1794). Основываясь на результатах своих многолетних экспериментальных исследований, А. Лавуазье описал и систематизировал все известные в то время химические элементы. В 1789 г. ученый опубликовал ставший знаменитым «Элементарный учебник химии», в котором блестяще обобщил все достижения химии   того   времени.

АТОМНАЯ   ТЕОРИЯ   ДАЛЬТОНА

        Новая эпоха начинается в химии с атомистики    (следовательно,   не   Лавуазье,   а    Дальтон — отец   современной   химии)         Ф.  Энгельс

Ученые XVIII в. не смогли связать атомистические представления с учением о химических элементах.

Толчок новым теоретическим исследованиям в области химии дали работы английского учителя Джона Дальтона, который предположил, что атомы различных элементов имеют различную массу. При химических реакциях атомы сближаются и образуют молекулы химического соединения. Масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов. Теория Дальтона отражала наиболее важную для того времени сторону химических превращений — соотношение масс реагирующих   веществ.

Для объяснения имеющихся экспериментальных данных Д. Дальтон наделил атомы тремя свойствами:

1. атомы неизменны и неделимы (обоснование закона сохранения массы веществ при химических реакциях);
2.  все атомы одного и того же элемента тождественны (обоснование закона постоянства состава);
3. атомы способны соединяться   между собой   в  различных   соотношениях (обоснование   закона   кратных   отношений)

Поскольку абсолютные массы атомов невозможно было определить непосредственным взвешиванием веществ, Д. Дальтон предложил рассчитывать относительные атомные массы, приняв массу атома водорода за единицу. На основании данных химического анализа различных соединений он к 1810 г. вычислил относительные атомные массы девятнадцати элементов.

 Д. Дальтон не видел различия между химическим элементом  и простым веществом.  Он ошибочно  полагал, что молекулы всех простых веществ, в том числе и газообразных, состоят из отдельных атомов и категорически отрицал возможность соединения между собой атомов одного элемента.

В 1808 г. французский исследователь Жозеф Луи Гей-Люссак сообщил об открытии закона простых объемных отношений, на основе которого Авогадро выдвинул гипотезу:

 1. Атомы одного и того же элемента могут соединяться в молекулы;

 2. В равных объемах любых газов содержится равное число молекул.

 А. Авогадро установил двухатомность молекул кислорода, водорода, азота, хлора и правильный состав молекул воды Н20, метана СН4, этилена С2Н4. Однако гипотеза Авогадро не была понята его современниками. Пользоваться гипотезой Авогадро для определения молекулярных масс простых и сложных веществ химики начали примерно с середины 50-х годов. Когда она получила теоретическое обоснование. Оказалось, что ее можно вывести как следствие из кинетической теории газов.

В 1860 году состоялся 1 Международный конгресс химиков. Участники конгресса четко разграничили понятия атома и молекулы, установили единую химическую терминологию и приняли новую систему атомных масс, в основе которой лежала гипотеза Авогадро. Достигнутое учеными различных стран единство взглядов по основным спорным вопросам того времени явилось главной предпосылкой возникновения периодической системы элементов.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ   ЗАКОН   И   ПЕРИОДИЧЕСКАЯ   СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ  Д.   И.  МЕНДЕЛЕЕВА

Менделеев, применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще   не   известной   планеты — Нептуна .

Ф. Энгельс

Все вещества построены из атомов различных элементов. А существует ли между химическими элементами какая-нибудь связь?

         В 1815 г. английский ученый Уильям Проут, казалось бы, нашел правильный ответ на этот вопрос. Основываясь на том, что атомная масса водорода почти в точности равна единице и что атомные массы других элементов тоже приближаются к целым числам, У. Проут выдвинул гипотезу о происхождении всех химических элементов из водорода.

Первая попытка научной классификации химических элементов принадлежит немецкому химику Иоганну Вольфгангу Доберейнеру, который сгруппировал некоторые сходные между собой элементы в порядке увеличения их атомных масс. Конечным результатом его исследований была опубликованная в 1829 г, таблица «триад»:  

Li    Са    Р     S     С1   Мп

Na   Sr   As   Se   Br   Cr

К     Ba    Sb   Те   I     Fe

Логическим завершением поисков различных вариантов научной систематики химических элементов явилась периодическая система Дмитрия Ивановича Менделеева, составленная русским ученым в феврале 1869 г. при написании учебника по химии для студентов Петербургского университета. Расположив все химические элементы по возрастанию их атомных масс,       Д. И. Менделеев обнаружил ярко выраженную периодичность в изменении свойств, как самих элементов, так и их соединений.

 Основываясь на этом, он сформулировал закон, согласно которому свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от атомных масс этих элементов.

В 1871 г. ученый разработал новый вариант периодической системы, который уже мало, чем отличался от современного.

Глубоко убежденный в том, что периодический закон является одним из основных законов естествознания, Д. И. Менделеев предсказал на его основе свойства трех ещё не открытых элементов четвертого периода. Все эти элементы были найдены еще при жизни великого ученого.

         В 1895 г. шведский исследователь Юлиус Томсен, после открытия аргона, проанализировав периодичность изменения свойств элементов в системе Менделеева, пришел к выводу, что наряду с аргоном должна существовать целая плеяда химически инертных элементов с атомными массами 4 (гелий), 20, 36 (аргон), 84, 132, 212, 292, причем все они должны помещаться в конце каждого периода.

Открытие в 1898 г. трех химически неактивных элементов: неона, криптона и ксенона — подтвердило правильность этих предсказаний.

В конце XIX — начале XX в. ученые предприняли попытки подвести под Периодическую систему математический фундамент. И это им, в некоторой степени удалось.

Периодический закон можно выразить в общем виде   уравнением:

У= f(А)

у — некоторое свойство элемента; А — его атомная масса;

 f(x)—периодическая функция.

В 1885 г. шведский исследователь Иоганн Роберт Ридберг высказал мнение, что атомная масса А также есть функция некоторого числа N, которое -ученый назвал порядковым числом элемента.

А= f(N)

В 1897 г. И. Ридберг сформулировал правило, согласно которому атомная масса элемента, а следовательно, и другие его свойства находятся в периодической зависимости от числа N. Блестящим подтверждением взглядов И. Ридберга явилась открытая французским исследователем           Д. Винсентом общая формула для атомных   масс  элементов:

A=N1,21

где N — целое положительное число, принимающее значения от 1 для водорода до 92 для урана.

В 1906 г. И. Ридберг заметил, что в периодической системе химических элементов важную роль играют числа 2, 8 и 18.

Представив эти числа как 2 = 2·12, 8=2·22, 18 = 2·32, он продолжил полученный ряд дальше: 2·42 = 32, 2·52 = 50 и сделал вывод, что период, начинающийся после ксенона, будет состоять из 32 элементов.

Периодическая таблица химических элементов, созданная на основе периодического закона, открытого русским ученым ДИ Менделеевым стала научным венцом атомной химии.

 Математический анализ периодической системы элементов приводил к правильным выводам, но физический смысл периодического закона оставался при этом совершенно неясным. Причину периодичности необходимо было искать в особенностях строения атомов элементов.

Эту задачу могла решить только  физика. Физика как «эстафетную палочку» приняла атом из рук химиков.

На этом этапе развития естествознания атом полностью переходит в руки физиков. Однако начинать пришлось в трудных условиях. Несмотря на то, что об атомах вещества в науке была собрана огромная информация, их все еще никто не видел. Поэтому реальность существования атомов и молекул вновь подверглась  сомнению.

Ярым противником атомно-молекулярного учения в конце XIX в. выступил известный немецкий естествоиспытатель Вильгельм Оствальд. Он утверждал, что атомы и молекулы существуют только в сознании человека и что атомистические представления — всего лишь удобный способ отображения реально протекающих во времени и в пространстве энергетических процессов. Он настаивал, чтобы химики по возможности не пользовались атомистической теорией.

Разрешить спор между сторонниками и противниками атомно-молекулярного учения мог только эксперимент. И такой эксперимент был вскоре поставлен.

И открытия не заставили себя ждать.

В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун, рассматривая под микроскопом взвешенные в воде частицы цветочной пыльцы, обнаружил, что самые маленькие из них находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения.

Был сделан  вывод: броуновское движение обусловлено столкновением взвешенных частиц с молекулами жидкости. Этот вывод позднее был теоретически обоснован Эйнштейном, а затем экспериментально французским исследователем Жаном Перреном. Перрен на основе своих опытов рассчитал значение постоянной Авогадро.

Она оказалось равной 6,022*1021моль-1.

После работ Ж. Перрена В. Оствальд вынужден был признать, что «атомистическая гипотеза сделалась научной, прочно обоснованной теорией».

В дальнейшем и до настоящего времени факт существования атомов и молекул не подвергается сомнению. С помощью электронного микроскопа ученым удалось получить отчетливые фотографии частиц и отдельных, наиболее крупных молекул. Также были определены основные характеристики  атомов и молекул: размеры, масса, объем.

Таким образом  идея атомистического строения вещества утвердилась в науке окончательно, благодаря развитию химии и физики.

Однако атомистика конца 19 века объявила атом неизменным, отрицая возможность превращения атомов одного элемента в атомы другого.

Но у физиков того времени были на этот счет другие мнения.

Воспользовавшись идеей  Проута о том что в состав атома входят атомы водорода, т.е.  что атом может из чего-то состоять, ученые стали работать над проблемой как разрушить атом?

Так как атом является химически неделимым, то нужно было найти способ  деления атома на составные части физически.