Демокрит был первым, кто предположил, что объекты состоят из так называемых атомов. Демокрит был древнегреческим философом, слово «атомы» происходит от греческого слова «атом», что означает «индивидуальный». Демокрит жил примерно между 460 и 370 годами до нашей эры и далее пришел к выводу, что атомы представляют собой твердые сферы и не могут быть разделены дальше.
Потом Аристотель, который также был древнегреческим философом, предположил, что предметы состоят из «элементов». Он сказал, что элементами являются земля, ветер, огонь и вода, а также свойства, которые им сопутствуют, например, сухость, холод, жара, влажность. Что-то можно сделать, комбинируя элементы, превратить их в другие вещи, добавив другие элементы. Атомная теория Аристотеля заключалась в том, чтобы показать, что все, что сделано из огня, может быть горячим или сухим, а если что-то сделано из земли, то оно может быть либо сухим, либо холодным.
В то время аргументы основывались мыслью, разумом и спорами, экспериментов не было, потому что эксперименты считались вульгарными. Поскольку Аристотель был богатым человеком и к нему относились как к знаменитости, его объяснения основывались на известном опыте, выводы он делал на основе увиденного, например, снег и огонь, соединенные вместе, образуют воду. В то время Демокрит не был так популярен, и никто не хотел ему верить, потому что его теория гласила, что атомы нельзя увидеть. По сути, теория Аристотеля была основой понятия атомов до средневековья.
Далее, Роберт Бойль с 1627 по 1691 год изучал газы и указывал на вероятность существования атомов. Он предсказал, что элементы состоят из так называемых «колбочек-телец». Он заявил, что атомы организованы в группы, и что разные группы представляют собой разные химические вещества. В его время стали появляться эксперименты.
Долее, Исаак Ньютон был еще одним ученым, который около 1643–1727 годов также изучал газы. Он известен открытием гравитации. Он предложил механическую вселенную, в которой движутся твердые массы. Также то, что атомы/частицы не являются стационарными.
Далее, Антуан Лавуазье, живший примерно в 1627–1691 годах, стал известен как отец современной химии. Он был превосходным экспериментатором и поэтому собрал точные весы для исследований окисления. Он показал, что при окислении вещества увеличение его массы равно массе, теряемой окружающим воздухом. Он сформулировал один из самых фундаментальных законов науки — закон сохранения массы, и заявил, что материя не может быть ни создана, ни уничтожена.
Кроме того, Джон Дальтон жил с 1766 по 1844 год и предложил атомную теорию, согласно которой элементы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами. Атомы одного и того же элемента схожи, тогда как атомы разных элементов различаются по размеру, массе и другим свойствам. Атомы нельзя разделить, создать или уничтожить. Соединения (молекулы) образуются при соединении различных элементов в целочисленных соотношениях. В химической реакции атомы соединяются, разделяются или перестраиваются.
В 19 веке люди стремились найти новые элементы, и к 1860 году было открыто 60 новых элементов. Затем у ученого Дмитрия Менделеева, жившего примерно в 1834–1907 годах, возникла концепция классификации элементов. Он переставил элементы в порядке возрастания атомного веса, обнаружил закономерности и изобрел таблицу, позволяющую предсказать наличие множества элементов. Современная версия таблицы Менделеева упорядочивает элементы по «атомному номеру». Атомный номер — это количество протонов, добавляемое к числу нейтронов. Изменения, которые вносятся в современную таблицу Менделеева, заключаются в положениях некоторых элементов.
Кроме того, в 1857 году Генрих Гейслер экспериментировал над тем, сможет ли электричество распространяться, если удалить воздух. Поэтому, когда большая часть воздуха была выкачена, трубка все еще светилась. Это связано с небольшим количеством воздуха, оставшегося в трубке. Он обнаружил, что разные газы излучают разные цвета света. Людям они очень нравились, и они использовали их для развлечения, например, неоновые огни. Энергосберегающие лампочки являются примером газоразрядной трубки.
Затем другой ученый по имени Крукс сделал вакуумную трубку, и он сделал вакуумную трубку лучше, чем Генрих Гейслер, потому что она высасывает больше воздуха. В результате свечения в трубке нет, но стекло на конце трубки светится зеленым. На экране появился крест и тень. В вакуумной лампе все, что вызвало ток, движется по прямой. Крукс сконструировал легкое колесо, чтобы проверить, можно ли заставить колесо вращаться. Методика опыта заключалась в подаче напряжения на аппарат, но свет не хотел вращать это колесо. Катодные лучи, должно быть, представляют собой какую-то маленькую частицу.
Джей Джей Томсон, живший примерно в 1856–1940 годах, хотел проверить, могут ли частицы отклоняться под действием магнита, а также приложено ли к трубке другое напряжение. Он разработал вакуум, даже лучший, чем вакуумные трубки Крукса и Генриха Гейсслера. Он заметил, что лучи отскакивали к положительной пластине. Частицы заряжены отрицательно. Он предположил, что эти частицы являются частью атома. «…атомы элементов состоят из множества отрицательно наэлектризованных частиц, заключенных в сферу равномерной положительной электризации,…» [Томсон, 1904]. В то время это сравнивали с британским десертом, поэтому оно стало известно как модель сливового пудинга.
Эрнест Резерфорд жил в 1871–1937 годах и был ответственным за открытия в области радиоактивности и ядерной физики. Он был учеником Дж.Дж. Томсон и хотел определить размер атома. Он выпустил положительно заряженную частицу в тонкую золотую фольгу. Он ожидал, что положительно заряженные частицы не будут отклоняться, проходя через положительную сферу. Резерфорд действительно заметил, что примерно две из каждых семи положительных частиц отклоняются назад. «Это было самое невероятное событие, которое когда-либо случалось со мной в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выпустили 15-дюймовый снаряд в кусок папиросной бумаги, а он вернулся и попал в вас». Эрнест Резерфорд [Резерфорд, 1964]. Он открыл альфа- и бета-лучи, которые открыли законы радиоактивного распада, и признал альфа-частицы ядрами гелия. Это показало, что в центре атома что-то есть, и оно содержит большую часть атомной массы. Резерфорд уточнил свои результаты, заявив, что атомы состоят в основном из пустого пространства, они маленькие, плотные, и что в центре есть положительная сфера, известная как ядро. Положительно заряженные частицы перенаправляются, если они находятся достаточно близко к ядру, а также если электроны вращаются вокруг ядра.
Существует теория, известная как электромагнитная теория, которая утверждает, что любая заряженная частица на круговой орбите излучает электромагнитную энергию. Электрон теряет энергию при движении вокруг ядра. Радиус его орбиты уменьшается с уменьшением энергии. Электрон должен двигаться по спирали к ядру. Электрон должен излучать электромагнитные волны, поскольку он теряет энергию на смеси частот в определенном диапазоне. Спектры излучения не были непрерывными. Спектры излучения невозможно было решить с помощью модели Резерфорда, и никто толком не понимал, почему формула работает. Ученый по имени Дж.Дж. Бальмер изучил спектр излучения нескольких элементов. Спектры других элементов можно предсказать с помощью формулы. Математическая модель может быть построена на основе наблюдений за водородом.
Нильс Бор, живший в 1885–1962 годах, выдвинул революционное предложение, согласно которому энергия вращающегося по орбите атома квантована, то есть разрешены только определенные типы энергий. Энергии должны быть кратны базовой единице. Он также предположил, что электроны могут прыгать между орбитами. Он был пионером квантовой теории. Модель Бора показывает, что электроны вращаются в оболочках определенной энергии. Если электрон переходит из более высокого энергетического состояния в более низкое, изменение энергии пропорционально частоте f испускаемого фотона. Энергия выделяется как фотон определенной энергии. Это связывает линейчатый спектр с моделью атома. Энергия высвобождается только тогда, когда электроны переходят в состояние с более низкой энергией. Фотон представляет собой «запасную энергию».
Планк предположил, что свет распространяется дискретными порциями энергии, то есть квантами. Кванта – это фотоны. Фотоны движутся со скоростью света и имеют соответствующую частоту. Чтобы электрон излучал свет, требуется минимальная энергия. Квантовая теория объясняет фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна E = mc2 связывает материю и энергию.
В заключение отметим, что атомная структура и сам атом настолько интересны для изучения, что на их изучение можно потратить тысячелетия. Атом проложил путь к радиоактивности, рентгеновскому лечению, частицам материи и антиматерии, даже темной материи, состоящей только из атомов. Это новаторская нанотехнология и большинство вещей, которые мы видим сегодня. Теория относительности могла бы быть каким-то образом связана с этим, потому что атомы были причиной всех теорий, которые мы видим сегодня. Ричард Фейнман, ставший одним из самых известных учёных в мире, рассматривает атом в следующем утверждении: «Если бы все научные знания были уничтожены и только одно предложение передалось следующему поколению существ, какое утверждение содержало бы больше всего информация в минимальном количестве слов? Я считаю, - атомная гипотеза состоит в том, что все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые перемещаются в постоянном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, и отталкиваясь, когда они сжаты вместе. В этом одном предложении, как вы видите, содержится огромное количество информации о мире, если применить лишь немного воображения и мысли…» [Фейнман, 1998] эта цитата показывает, насколько интересны атомы. настолько интересен, что люди будут изучать их даже на протяжении тысячелетий.
Comments