Alvarez Enrique Joven

Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Enrique Joven Alvarez

Масса атомов. Дальтон. Атомная теория.

Наука. Величайшие теории Выпуск № 22, 2015 Еженедельное издание

Пер. с франц. — М.: Де Агостини, 2015.- 152 с.

ISSN 2409-0069

© Enrique Joven Alvarez, 2012 (текст)

© RB A Collecionables S. A., 2014

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Иллюстрации предоставлены:

Age Fotostock: 35hd, 55, 79hg, 79hd, 111b, 143b; Archives RBA: 17, 27, 35hg, 45hg, 53, 77, 89, 106, 109, 11 lhd, 123, 126; Archives fédérales allemandes: 143hd; bibliothèque du Congrès des États-Unis: 42, 103; Bolckow: 11 lhg; British Museum, Londres: 58; Cockermouth Tourist Information Centre: 45hd; Simon Ledingham: 45b; The Manchester Literary and Philosophical Society: 98; musée d’Histoire de Berne: 143hg; Musée national de Stockholm: 51; National Portrait Gallery, Londres: 21; Marie-Lan Nguyen: 30; The Nobel Foundation: 134, 139; Mike Peel: 35b; Nick Smale: 79b; akg/Science Photo Library.

Введение

Сегодня, наверное, уже не осталось людей, которые никогда не слышали об атоме. Все мы в большей или меньшей степени знаем об этих частицах еще со школьной скамьи. Нам известно, что материя состоит из бесконечного множества крошечных частиц, которые, соединяясь, образуют более сложные структуры. Самые простые из них называются молекулами. Эти молекулы, в свою очередь, образуют еще более сложные структуры, и так далее, вплоть до знакомого нам макромира с его минералами, растениями и животными. Частью этого мира являемся мы сами — существа, наделенные разумом. Из атомов состоит абсолютно все. Мы даже думаем благодаря этим частицам.

Если бы мы ничего не знали об атомах и задались бы вопросом, из чего состоит материя и до какой степени ее можно разделить на составляющие, то оказались бы в затруднении. Частицы пыли, которые мы видим в воздухе невооруженным глазом,— это самые мелкие элементы материи? Или их тоже можно разделить? А как они соединяются? Какие механизмы обеспечивают это соединение? Все ли мельчайшие частицы одинаковы?

На эти и подобные вопросы искали ответы еще древнегреческие философы. Они призывали на помощь логику и в своих поисках дошли до того, что выработали атомистическое учение, согласно которому все в мире состоит из неделимых частиц, то есть деление возможно до определенной степени. Но эти неделимые частицы имеют слишком маленький размер, поэтому их нельзя увидеть невооруженным глазом. Таким образом, наглядно подтвердить атомистическое учение невозможно, и это было его главным подводным камнем.

Существовали и другие соблазнительные теории. Например, некоторые заявляли, что в основе окружающего нас мира лежат четыре основополагающие стихии — воздух, земля, вода и огонь. Это представление гораздо лучше соответствовало человеческим чувствам и ощущениям и потому продержалось около 15 веков. Философия превратилась в религию, а религия, в свою очередь, в догму, и лишь ценой огромных усилий человечеству удалось выбраться на свет. Благодаря астрономам и химикам наука наконец нашла свой путь. Мир не такой, каким мы его себе представляли. Наблюдения и лабораторные опыты все больше расшатывали существующие убеждения. Оказывается, человеку не под силу превращать свинец в золото и читать будущее по звездам.

Астрологи стали астрономами, алхимики — химиками и начали делать собственные выводы. Они выделили элементы, никак не связанные с четырьмя стихиями. Воду можно разделить на кислород и водород, воздух — это просто смесь газов, огонь — продукт горения, да и земля — тоже смесь разных элементов, которые можно отделить друг от друга. Всего было выделено 92 элемента. Каждое новое десятилетие несло удивительные открытия. Частицы материи не исчезают, а лишь меняют форму. Элементы соединяются всегда одним и тем же способом, и их соотношение в соединении измеряется целыми числами. Капризные газы оказались гораздо более предсказуемыми, чем предполагалось. Их температура, давление и объем были тесно связаны друг с другом. Казалось, все забыли об атомах...

По крайней мере, до появления в науке конца XVIII века англичанина Джона Дальтона. Поначалу этот скромный школьный учитель, не получивший университетского образования, не привлек к себе особого внимания. Известно, что он твердо придерживался религиозных убеждений, был невероятно дисциплинирован и отличался редкой способностью размышлять. Между уроками Дальтон погружался в изучение химии и вскоре оказался далеко впереди ученых своего времени. Он утверждал, что химическое поведение газов — и материи вообще — можно объяснить, если представить вещества в виде набора атомов, свойства которых, по его мнению, близки философским представлениям древних греков. Причем на этот раз атомная гипотеза нашла подтверждение в ходе опытов: химические реакции соединений и элементов, открытых Дальтоном, соответствовали ее постулатам. Окрыленный своими открытиями, Дальтон составил первую таблицу атомных весов (или масс). Он показал, что строение материи можно объяснить с помощью атомов, и это объяснение работает, причем очень хорошо. Такой подход позволял понять: несмотря на то что каждое вещество состоит из одинаковых атомов, свойства соединений меняются в зависимости от отношений атомных масс элементарных составных частей. Другими словами, благодаря теории Джона Дальтона химия была признана математически точной наукой. Английский ученый также утверждал, что атомы водорода — самые легкие из всех, которые можно обнаружить в соединении, и это помогло ему установить значение относительной атомной массы других известных элементов. Благодаря этому критерию — относительной атомной массе — Дальтону удалось, наконец, выстроить первую логичную классификацию отдельных элементов, известных в то время. Химические реакции полностью соответствовали этой новой атомной концепции: закон сохранения вещества, который Лавуазье предложил незадолго до этого, нашел теоретическое подкрепление; модель и практика соответствовали друг другу.

Атомная теория Дальтона встретила поддержку несмотря на настороженность и сопротивление некоторых ученых — как среди его современников, так и спустя столетие. Главной причиной неприятия был тот факт, что рассматриваемые элементы — то есть атомы — невидимы. (Хотя теория подкреплялась наблюдениями.) Для многих ученых эта теория, таким образом, оставалась не более чем гипотезой — безусловно, полезной, но ни в коем случае не окончательной.

До начала XX века не было возможным физически проверить существование атомов. «Физическая» проверка, с одной стороны, означала подтверждение реального существования частиц, а с другой — погружение в физику, которое позволило бы завершить путь, пройденный до этого момента учеными-химиками. Независимо от физических результатов — физика в итоге поколебала некоторые постулаты атомной теории Дальтона, в том числе его идею неделимости атомов — химические выводы не изменились. Определяющими стали открытие броуновского движения, радиоактивности и особенно — работы Эрнеста Резерфорда, который доказал существование атомного ядра и описал его природу. Благодаря этому атомному наваждению в начале XX века возникло уникальное поколение ученых — возможно, самое блестящее в истории науки. К сожалению, именно в результате их работы появилось и самое страшное изобретение в истории человечества — атомная бомба. Однако совершенно несправедливо ставить знак равенства между атомами и ядерными взрывами и еще более несправедливо связывать ядерные взрывы с именем человека, сформулировавшего предпосылки для появления атомной теории. Джон Дальтон никогда не помышлял об оружии.

1766 5 или 6 сентября Джон Дальтон появляется на свет в Иглсфилде, Англия.

1776 Ходит в школу квакеров в Пардшоухолле под руководством Джона Флетчера.

1779 После закрытия школы в Пардшоу-холле квакерская община открывает другую, в Иглсфилде, где Джон Дальтон сам становится учителем.

1781 Помогает своему брату Джонатану, учителю в школе их двоюродного брата, в соседнем городе Кендале.

1785 Вместе с братом после отъезда их кузена покупает школу в Кендале.

1793 Переезжает в Манчестер, где преподает натурфилософию в новой академии, открытой религиозными отступниками. Публикует первую научную работу " Метеорологические наблюдения и этюдыР.

1764 Вступает в Литературно-философское общество Манчестера (Lit & Phil). В том же году представляет свое первое исследование, посвященное дефекту зрения, названному в его честь дальтонизмом.

1800 Назначен секретарем Lit & Phil.

1801 Публикует первые результаты исследований, посвященных газовым смесям и водяным парам. В следующем году открывает закон кратных отношений.

1603 Открывает закон парциального давления газов и составляет первый вариант таблицы атомных масс. В октябре при помощи сэра Гемфри Дэви представляет атомную теорию в Lit & Phil.

1805 Публикация первой таблицы относительных атомных масс, разработанной Джоном Дальтоном.

1808 Публикует первую часть первого тома 4 Новой системы химической философии*. Вторая часть опубликована два года спустя, в ней уточнены некоторые экспериментальные результаты.

1816 Избран членом Французской академии наук. В следующем году становится президентом Lit & Phil.

1822 По приглашению Аркейльского общества посещает Францию и знакомится со своими научными оппонентами и друзьями Клодом Луи Бертолле и Жозефом Луи Гей-Люссаком. Заочно избран членом Королевского Лондонского общества.

1827 Публикует второй том *Новой системы химической философии>.

1837 Дальтона частично парализует после перенесенного инфаркта.

1844 27 июля умирает в Манчестере от второго инфаркта.

ГЛАВА 1

Джон Дальтон, близкий и далекий

После состоявшихся в прошлом веке революций в химии и физике сегодня нелишне задаться вопросом: что должно было произойти, чтобы появилась атомная наука в том виде, в котором мы ее знаем сегодня? История Джона Дальтона в этом смысле невероятно красноречива, ведь наука о "самой маленькой частице" не может быть воспринята вне понятия атома — понятия, которое родилось как обычная философская абстракция.

Джон Дальтон — образец ученого, который совсем не думал о последователях. Он имел весьма скромное происхождение и добровольно подчинил свою жизнь религии — до такой степени, что так никогда и не женился и по собственной воле обрек себя на полное воздержание. Это был неутомимый труженик. У него было мало друзей и вообще не было семьи, так что вся его одинокая жизнь была посвящена исследованиям. Британское общество признало важность открытий Дальтона еще при жизни ученого, а после его смерти в 1844 году удостоило его значительных наград, что случалось в то время нечасто.

Хроники той эпохи гласят, что за гробом Дальтона шло более 40 тысяч человек и похоронная процессия растянулась больше чем на три километра. Как скромный ученый, отказавшийся от наград и почестей, смог собрать на своих похоронах такое количество людей? Чем объяснить их признательность и благодарность? Дальтон не относился к сливкам общества и не обладал властью, он не был популярной персоной в сегодняшнем смысле слова. Если верить свидетельствам его учеников, Дальтона отличал резкий, даже неприятный голос, а его манера читать лекции нагоняла скуку. Он был совершенно бесстрастен и безразличен к жизни. Новости в те годы распространялись не так стремительно, как сейчас, а Нобелевской премии еще не существовало. Она была учреждена в 1901 году и в 1908-м была присуждена новозеландскому ученому Эрнесту Резерфорду (1871-1937), которому удалось расщепить атом — частицу, считавшуюся до этого благодаря Джону Дальтону неделимой. Конечно, исследования Резерфорда относились к области физики, однако он получил Нобелевскую премию по химии, потому что довольно долгое время эти две науки были неотделимы друг от друга, едины — как самая маленькая частица, неизменяемая и неразрушимая, первичный элемент материи, по мнению Джона Дальтона.

Дальтон пользовался в обществе большим уважением, и это трудно объяснить. Вряд ли оно было связано с атомной теорией ученого, представленной главным образом в его объемном труде *Новая система химической философии", который был опубликован между 1808 и 1827 годами. Трудно поверить, что британцы и европейцы вообще стремились ознакомиться с этой теорией и с нетерпением ждали публикации труда Дальтона. Атомы не привлекали большого внимания, и лишь немногие эрудиты в Оксфорде или Кембридже слышали о философских теориях Демокрита и Левкиппа. Современников Дальтона больше волновал хлеб насущный, поскольку его не хватало, их беспокоили известия о наполеоновской экспансии, а радость вызывала новость о том, что войска герцога Веллингтона разбили армию могущественного генерала Жюно под Лиссабоном. Вовсю заявляла о себе в те времена и промышленная революция. В Великобритании практически повсеместно экономика, основанная на тяжелом ручном труде, заменялась экономикой железа и стали. Новые производственные мощности работали на угле высшего качества (антрацит использовался как топливо в США с 1808 года), что было гораздо эффективнее, нежели использование в качестве топлива древесины. Контроль температуры и давления газов был первостепенной необходимостью для первых промышленных машин, особенно для доменных печей и паровых установок. Те, кто разбирался в химии, имели право на уважение, особенно если они не принадлежали к миру академической университетской науки и способны были донести свои знания простым людям. Джон Дальтон был как раз из таких людей: он преподавал, следуя своим твердым религиозным убеждениям, а кроме того, обладал исключительным умом. Дальтон интересовался практически всеми областями научного знания и давал уроки даже самым простым людям.

ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

В конце XVIII — начале XIX века в Англии происходили важные общественные и экономические потрясения. Целый комплекс технологических изобретений, среди которых была паровая машина Джеймса Уатта (1736-1819), привел к модернизации промышленности. Англия вообще и Манчестер в частности были впереди всего мира в сфере практического применения последних научных открытий. Ученые, инженеры и преподаватели сыграли важнейшую роль, привлекая внимание и вызывая восхищение всех социальных классов: и самых угнетенных, для кого новейшие изобретения означали облегчение тяжелого труда, и самых благополучных, кому эти же изобретения сулили значительную выгоду. Социальные перемены повлекли за собой создание рабочих мест, улучшение производства, снижение цен и повышение благосостояния. Так появился средний класс.

Паровая машина

Первая паровая машина была создана Томасом Ньюкоменом, однако изобретение Уатта сделало ее гораздо более производительной. Уатт снабдил паровую машину Ньюкомена системой преобразования кругового движения в линейное. Основным топливом для этих машин был уголь, а Англия являлась его крупнейшим производителем. Вскоре и текстильная промышленность обзавелась подобными изобретениями, такими как ткацкий станок Джона Кея или машины Джеймса Харгривса, Сэмюэля Кромптона или Эдмунда Картрайта. Появились локомотивы, запатентованные Уаттом в 1784 году, а затем, в 1825 году, улучшенные Джорджем Стефенсоном — человеком, который построил первую железнодорожную линию, связавшую Ливерпуль со столь дорогим Дальтону Манчестером. Не заставили себя ждать и пароходы.

Паровая машина Джеймса Уатта.

Билл Брайсон (р. 1951) в своей знаменитой книге "Краткая история почти всего на свете" (изд-во Payot, 2012) рассказывает, что в 1826 году один знаменитый французский химик приехал в Манчестер, чтобы познакомиться с Джоном Дальтоном, чье имя уже гремело по всей Европе. Он ожидал обнаружить ученого в престижном Литературно-философском обществе Манчестера (Дальтон был его председателем с 1817 года до своей смерти) или же за кафедрой блестящего научного собрания, однако застал нашего героя перед детьми в маленькой школе бедного района Манчестера. Запинаясь от смущения, французский химик спросил: "Я имею честь беседовать с господином Джоном Дальтоном?" — настолько он не мог поверить в то, что человек, объясняющий маленькому мальчику элементарные правила, мог быть знаменитым химиком. "Да, это я. Не могли бы вы присесть и подождать, пока я закончу урок арифметики?" — ответил Дальтон.

Эта история напоминает легенду, связанную с именем античного философа Диогена, который утверждал, что секрет счастья заключается в простой жизни в гармонии с природой. Повстречав могущественного Александра Македонского, Диоген попросил того отодвинуться, ибо император заслонял солнечный свет. Мы можем провести некоторую параллель между аскетичной жизнью Дальтона и жизнью древнегреческих мыслителей. В этой биографии мы часто будем возвращаться к античному пониманию слова "атом" — "неделимый". И увидим тот смысл, который вложил в это понятие Дальтон.

ПОД ВЛИЯНИЕМ СТРОГОЙ РЕЛИГИИ

Вся жизнь Джона Дальтона, все его труды отмечены печатью самоотречения и самопожертвования. Дальтон был квакером — членом протестантского движения, известного также как Религиозное общество Друзей. Квакеры проповедовали простую мирную жизнь, они требовали от себя неукоснительной честности, основанной на справедливости, и осудили рабство, едва узнав о нем. Квакеры отказывались от любой роскоши, особенно вне стен церкви. Они обходились без священников, наделенных правом комментировать библейские тексты, и считали, что к Богу можно обращаться напрямую. Вероятно, именно такое почти мистическое чувство, заставляющее трепетать перед силой Божества (по-английски quake — "трепетать"), испытывал Джон Дальтон, совершая каждое из своих многочисленных открытий.

Религиозная семья и крайне скромное происхождение стали слагаемыми — как атомы слагаются в молекулы — трудного детства Джона. Он родился в самой простой семье и вполне мог бы быть главным героем одного из романов своего современника Чарльза Диккенса (1812-1870). Несмотря на исповедуемые принципы и стремление к образованию, между квакерами и остальным обществом лежала пропасть. Членам этого движения, как и другим протестантам, в Великобритании был закрыт доступ в лучшие университеты, и квакеры были вынуждены создавать собственные колледжи благодаря помощи своих более благополучных в общественном и экономическом смысле последователей. Их не интересовало богатство, однако они стремились к лучшему образованию. Джон Дальтон был необыкновенно смышленым и прилежным ребенком, и когда ему исполнилось 12, наставник поручил мальчику обучать более старших детей.

В этом возрасте юный Дальтон уже собирал гербарии и коллекционировал насекомых — бабочек, улиток, червяков. Ненасытная любознательность во многом определила характер будущего ученого. Рассказывают, что он прочитал Principia mathematica Исаака Ньютона (1642-1727) — разумеется, на латыни, — а также кропотливо записывал свои наблюдения за погодой. Эти записи Дальтон будет тщательно вести в течение всей жизни, и в конце концов они приведут его к атомной теории. Из небольшого дневника ученого мы знаем также, что он точно взвешивал все, что ел, чтобы сопоставить потом вес пищи с весом выделений организма.

Возможно, было бы преувеличением считать его необыкновенным ребенком. Нельзя сказать, что он, как, например, Томас Юнг (1773-1829), научился читать в два года, или, как Блез Паскаль (1623-1662), сформулировал теоремы Евклида еще до исполнения 16 лет, или, как Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855), мог в раннем детстве исправить ошибки, допущенные в расчетах его отцом. И все же не стоит забывать, что врожденная любознательность и ум Джона Дальтона шли вразрез с семейными установлениями. Он не мог изучать медицину, хотя хотел этого, не мог поступить в университет, а всего лишь получил доступ в Литературно-философское общество Манчестера (доказав свою состоятельность и упрямство ученого), в котором и представлял свои открытия, а затем стал его председателем. Дальтон много путешествовал по всему Объединенному Королевству, посещал он и Францию, где его работы встречали единодушное признание. К сожалению, больное сердце и слабое здоровье заставили его отказаться от цикла лекций. И несмотря ни на что основы современной атомной теории были заложены. Как мы увидим, всего через полвека появятся такие гении, как Людвиг Больцман (1844-1906), Альберт Эйнштейн ( 1879-1955) и уже упоминавшийся Эрнест Резерфорд, которые экспериментально докажут реальное существование атомов. Дальтону понятие атома через незыблемые, но простые законы помогало объяснить химические взаимодействия и процесс образования молекул. Однако с точки зрения теории это понятие вызывало огромную проблему. По законам физики, особенно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона и электромагнетизма Максвелла, атомы не могли существовать. Резерфорд докажет, что атомы существуют, что они обладают чрезвычайно плотным маленьким ядром и это ядро также состоит из частиц — протонов, которые и есть атом, и нейтронов.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Это явление, открытое в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном (1773-1858), стало первым экспериментальным доказательством существования молекул и, следовательно, атомов. Броун увидел в микроскоп, что плавающие на поверхности воды частицы пыльцы двигаются хаотично. Как ботаник, он сделал вывод: это явление объясняется тем, что зерна пыльцы — живые организмы. Несколькими годами ранее, в 1785 году, Ян Ингенхауз наблюдал похожее явление, растворяя частицы угля в спирте.

Роберт Броун в 1855 году.

Альберт Эйнштейн

В мае 1905 года Альберт Эйнштейн опубликовал статью под названием "О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты*, в которой основывал свои расчеты на статистических методах, используемых в кинетической теории газов. Маленькие частицы пыльцы — Эйнштейн полагал, что их описание может объяснить броуновское движение, — подталкиваются тепловым движением молекул воды (которые в тысячу раз меньше частиц пыльцы). Математические расчеты Эйнштейна были подтверждены и дополнены в ходе опытов шведского ученого Теодора Сведберга (1884-1971) и особенно французского ученого Жана- Батиста Перрена (1870-1942), который за свои исследования в 1926 году был удостоен Нобелевской премии. Перрен не просто подтвердил расчеты Эйнштейна, но поставил точку в спорах о существовании атома, о котором говорил Дальтон. Именно Перрену принадлежит знаменитое высказывание об атомах: "Отныне уже будет трудно защищать разумными аргументами враждебное отношение к молекулярным гипотезам".

НЕНАСЫТНОЕ ЛЮБОПЫТСТВО

Точнее всего Джона Дальтона можно охарактеризовать как безгранично любознательного человека. Наставники препятствовали его склонности к изучению медицины, взывая к ложно истолкованному религиозному смирению, поэтому он с юности посвятил себя бесконечному множеству других наук. То, что атомная теория была выведена из его метеорологических наблюдений, выглядит странным в наших глазах, но не в глазах самого Дальтона (который, кстати, не мог различать некоторые цвета). Под наблюдением одного из своих первых наставников во время учебы в скромной квакерской школе в Кендале, где позже, едва достигнув 20 лет, Дальтон сам будет преподавать, мальчик начал каждый день методично записывать различные метеорологические показатели: температуру, давление, относительную влажность, скорость, силу и направление ветра, облачность и так далее. Из этих наблюдений он заключил, например, что дождь является следствием не изменения атмосферного давления, а понижения температуры. В течение 57 лет, то есть до самой своей смерти, он сделал больше 200 тысяч наблюдений. По целеустремленности и упрямству Дальтона можно сравнить с датским астрономом Тихо Браге (1546-1601), который, наряду с Николаем Коперником, Галилеем и Кеплером, считается основателем астрономии. После учебы в главных европейских университетах 16-летний Браге заявил, что необходимо пересмотреть таблицы расположения звезд, и этой задаче он посвятил 40 лет своей жизни.

Мне понадобилось много лет, чтобы принять почти маниакальную идею о том, что если хочешь достигнуть любопытных результатов, необходимо подчинить себя ежедневной дисциплине.

Джон Дальтон

Метеорология привела ученого к атомной теории. Это был длинный путь, о котором мы постараемся рассказать. Любое, даже самое незначительное явление привлекало внимание ученого. В 1788 году, например, его до такой степени поразило северное сияние, что он увлекся его изучением. Дальтон справедливо считал, что между северным сиянием и магнитным полем Земли есть связь. Он предположил, что в самых верхних слоях атмосферы должен находиться подвижный газ, обладающий теми же свойствами, что и железо. Сегодня мы знаем, что сияние возникает из-за идущих от Солнца заряженных частиц, которые попадают в атмосферу около магнитных полюсов Земли.

Большая часть этих частиц на самом деле является протонами и электронами — элементами, из которых состоит атом. Джон Дальтон был на верном пути.

Погружению в изучение газов, а потом — благодаря газам — и в атомную теорию предшествовало множество работ. Сохранились тексты Джона Дальтона о связи дождя и родников, цвете неба, отражении и преломлении света, о ботанике и других, более отдаленных от науки предметах, например подробное исследование о вспомогательных глаголах английского языка и грамматике. Дальтон был больше преподавателем, чем ученым, для него все было важным. Нет нужды говорить, что он был блестящим математиком и прекрасно разбирался в астрономии, географии и химии газов, а также в гуманитарных науках, в древнегреческом языке и латыни. Он был самоучкой, который, казалось, никогда не отдыхал.

Ничто не теряется, ничто не создается, все трансформируется.

Антуан Лоран де Лавуазье, закон сохранения массы

Хотя всю жизнь Дальтон сожалел о том, что не смог посвятить себя изучению медицины и медицинской практике, с его именем все же связана одна семейная история, имевшая непосредственное отношение к медицине. В 1792 году 26-летний Дальтон решил вместе со своим братом подарить матери на день рождения чулки неяркого синего цвета, подобающие скромной квакерше. К удивлению сыновей, мать оскорбилась и отвергла подарок. На самом деле выбранные Джоном и Джонатаном чулки были ярко-красного цвета — просто братья не отличали красный цвет от синего. Джон Дальтон посвятил исследованию этого явления два года и в 1794 году, будучи членом Литературно-философского общества Манчестера, представил работу "Чрезвычайные факты, связанные с видением цветов". Несмотря на то что ученый предположил неверное объяснение этого явления (по его мнению, неспособность различать красный цвет была связана с аномалией стекловидного тела), метод и причинная связь были разработаны точно. Так что, помимо признания, которое получили последующие исследования Дальтона об атоме, именем ученого было решено назвать и это отклонение — дальтонизм, — от которого он сам страдал и которое тщательно исследовал.

ВОЗДУХ И НЕПРЕОДОЛИМАЯ ТЯГА К ГАЗАМ

Джон Дальтон имеет полное право на титул отца современной химии, хотя так называют его предшественника, Антуана Лорана де Лавуазье (1743-1794). Дальтон прекрасно знал работы французского ученого, особенно его исследования состава воздуха и знаменитый закон сохранения массы.

Мы еще вернемся к этому вопросу, но сейчас напомним, что когда был открыт закон сохранения массы, об атоме еще не знали. Джон Дальтон дополнил незыблемый закон Лавуазье: "Масса вещества в ходе химической реакции не изменяется, масса использованного вещества равна массе полученного продукта". Эта формулировка была усовершенствована век спустя после Дальтона, когда было открыто, наконец, строение атома и стало возможным производить ядерные реакции, для которых необходимо учитывать соотношение массы и энергии. Однако знаменитое уравнение Эйнштейна (Е-тс^2) выходит за рамки нашей книги.

Зато мы можем упомянуть работы Лавуазье и Дальтона о составе воздуха. Лавуазье провел множество революционных для своего времени опытов, большую их часть он осуществил вместе с крупным французским астрономом, физиком и математиком Пьером-Симоном де Лапласом (1749-1827). К сожалению, жизнь Лавуазье завершилась на эшафоте — в годы Французской революции его казнили на гильотине. Ученый не открыл атомов, но ему в числе прочего мы обязаны первой таблицей химических элементов.

ВОЗДУХ

Состав воздуха оставался загадкой на протяжении веков. Многие считали, что это особый газ, соединение разных элементов, главным из которых является способный к горению кислород. Нужно было дождаться работ Антуана Лавуазье (1743-1794), Джозефа Пристли (1733-1804) и, разумеется, Джона Дальтона, чтобы узнать истинный состав воздуха и установить, что воздух — это смесь, а не соединение, поэтому у него нет химической формулы. На рисунке ниже показаны относительный состав воздуха и его составляющие — азот и кислород, а также благородные газы, диоксид углерода и метан. Здесь изображен только состав сухого воздуха, без водяных паров, которые являются переменной величиной.

Он доказал, что вода состоит из кислорода и водорода, и из этого заключил: горение и даже собственно дыхание являются всего-навсего соединением кислорода и еще какого-нибудь элемента. Также Лавуазье предположил, что воздух является не одним элементом, а смесью нескольких. Это открытие имело необыкновенную важность для Джона Дальтона, поскольку он тоже изучал состав воздуха и убедился в том, что воздух является физической смесью газов, а не химическим соединением определенных элементов. Дальтон публиковал результаты этих и других исследований с 1793 года в Манчестере, куда переехал в возрасте 27 лет для преподавания в новом колледже, основанном его религиозной общиной. В тот же год, окончательно поселившись в этом городе, он был принят в престижное Литературно-философское общество Манчестера, более известное под названием Manchester Lit & Phil.

Интерес Джона Дальтона к метеорологии нашел свое применение в исследованиях воздуха, необходимых для понимания климата. Вступление в общество Lit & Phil сыграло решающую роль в распространении работ ученого. Уже в 1793 году, когда Дальтон только переехал в Манчестер, он опубликовал свои "Метеорологические наблюдения и этюды*, но этот труд, несмотря на всю его оригинальность и глубину, практически не встретил отклика. Но вступление в Lith & Phil все изменило. При этом Джон Дальтон никогда не отказывался от поприща преподавателя для небогатых учеников: внутри Литературнофилософского общества, равно как и за его стенами, ученый всегда оставался убежденным квакером, он жил в скромном викторианском доме, который делил со священником.

Начало самого плодотворного периода в жизни Дальтона знаменует 1802 год. В это время химическое научное сообщество было очаровано идеями молодого блестящего Гемфри Дэви (1778-1829). Несмотря на то что оба ученых восхищались трудами Лавуазье, Дэви был противоположностью Дальтона. Он собирал огромную аудиторию на своих выступлениях. Ему удалось путем электролиза получить барий, стронций, кальций, калий, натрий, алюминий и еще дюжину новых веществ, тогда как его предшественникам были известны не более 50 элементов. Дэви пошел еще дальше: вместе с другом Томасом Уэджвудом (1771-1805) ему удалось в 1802 году сделать первый фотографический отпечаток, проявив его с помощью нитрата серебра. Дэви — а, вернее, сэр Гемфри Дэви, поскольку под конец жизни он стал председателем Королевского общества, — был богат и знаменит, однако он восхищался Джоном Дальтоном так же, как и блестящий ученик Дэви, Майкл Фарадей (1791-1867). Фарадей открыл электромагнитную индукцию и благодаря этому изобрел генератор и электродвигатель. Дэви поначалу относился к экспериментам Дальтона в его скромной лаборатории довольно сдержанно, не доверяя их точности. И действительно, многие историки науки утверждают, что приборы Джона Дальтона уступали оборудованию, которым пользовался Дэви, однако его эксперименты были состоятельны. Сам Дэви признавал, что Дальтон компенсировал нехватку технических средств, вызванную главным образом скромными доходами ученого, тем, что полагался на пытливый ум, а не на лабораторные испытания. Даже если результат не оправдывал ожиданий, Дальтон вновь и вновь воспроизводил опыты, которые удались его коллегам.

МАНЧЕСТЕР

Джон Дальтон почти всю жизнь прожил в Манчестере. Этот английский город в то время переживал промышленный подъем и значительный демографический рост. Благодаря технологической революции, вдохновленной такими инженерами, как Джеймс Уатт, и такими учеными, как Джон Дальтон, Манчестер стал первым мировым центром изготовления хлопчатобумажных изделий. В 1835 году, в расцвет викторианской эпохи, он без преувеличения считался производственной столицей мира, причем не только в текстильной отрасли, но и в тяжелой промышленности. Именно здесь происходили революционные нововведения. Помимо первой пассажирской железной дороги между Манчестером и Ливерпулем, можно упомянуть строительство судоходного канала, завершенное в 1894 году. Для этого реки Ирвелл и Мерсей были оснащены системой каналов, которая позволяла преодолеть 58 километров, отделяющих их от эстуария реки Мерсей, и выйти к порту Ливерпуля.

Колыбель профсоюзов

В те же годы в Манчестере шла и идейная революция. С1842 года в этом городе жил Фридрих Энгельс, именно в Манчестере сформировались синдикалисты масштаба Роберта Оуэна (1771-1858), который и рекомендовал Дальтона в Литературно-философское общество. В те годы население Манчестера приближалось к 100 тысячам. Такой демографический рост означал и увеличение преступности. Именно высокая преступность, а также задымление, выбросы заводов, рабочие бараки стали причиной дурной славы города. Да и сам Джон Дальтон рассказывал брату в 1817 году, что стал жертвой преступников.

Текстильная фабрима МcConnel & Со, Манчестер (1820). Акварель.

И хотя внимание общества было сконцентрировано главным образом на Дэви, с 1802 года Дальтон регулярно публиковал результаты своих исследований. Его самый ранний крупный вклад в химию касается, как мы уже говорили, исследований состава воздуха. Коллеги ученого полагали, что воздух является еще одним химическим соединением, однако Дальтон вслед за Лавуазье заявил: воздух — это механическая система, а давление воздуха есть результат давления каждого отдельного газа, входящего в его состав. Ученый приписал это свойство всем газам вообще, а не только тем, которые входят в состав воздуха. Уже через год, то есть в 1803 году, этот научный принцип стал широко известен под названием закона парциального давления газов, или закона Дальтона.

Знаменитый сэр Гемфри Дэви поначалу отнесся к этому новому закону со скепсисом. Однако Дальтон объяснил, что толчки, производимые давлением, действуют только на атомы одного типа, и атомы, содержащиеся в смеси газов, могут обладать разным весом и структурой.

Общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельности.

Джон Дальтон, закон парциального давления газов

В этом дополнительном замечании Дальтон — возможно, неосознанно — ввел понятие атома: если элементы различаются, атомы тоже различаются.

Увлеченность Дальтона газами, происходящая из его неугасающего интереса к воздуху и метеорологии, естественным образом распространилась на все известные состояния материи: твердое, жидкое, газообразное.

Ученый утверждал, что любой элемент независимо от состояния, в котором он находится, состоит из атомов. Атомы — крошечные, неделимые и неизменные частицы — являются характеристикой каждого определенного элемента с определенной массой. Чтобы обозначить эти элементарные частицы, он прибег к предложенному еще Демокритом Абдерским термину атом ("неделимый"). Однако на этот раз существование атомов не только основывалось на логических рассуждениях, но и подтверждалось опытами.

Дальтону не удалось доказать, что атомы физически присутствуют в элементах, он говорил лишь о том, что их соединения подчиняются точным законам, связанным с их относительной массой. Так, зная, что водород является самым легким элементом, ученый присвоил ему атомную массу, равную единице, и, отталкиваясь от этой единицы, установил атомную массу более тяжелых элементов в зависимости от их вхождения в состав различных известных соединений. Дальтон опубликовал в 1803 году в Lit & Phil первую таблицу относительных атомных масс некоторых известных к тому времени элементов.

"НОВАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКОЙ ФИЛОСОФИИ"

Атомная теория Дальтона, основанная на относительной атомной массе известных элементов, была окончательно оформлена в одном из его самых известных сочинений — "Новая система химической философии*. Первая часть этого трактата была опубликована в 1808 году. На 900 страницах Джон Дальтон убеждает читателя в том, что атомы различных природных элементов можно различить по их массе. Кроме того, атомы нельзя ни создать, ни разрушить. В подтверждение Дальтон приводит закон сохранения массы Лавуазье: до и после химической реакции атомы не меняются, поэтому масса материи неизменна.

ДЕМОКРИТ АБДЕРСКИЙ

Демокрит (ок. 460-370 до н.э.) является отцом атомистической теории. Он родился в Абдерах и был воспитанником Левкиппа из Милета (ок. 500-440 до н.э.), о котором практически ничего неизвестно, а сам учил Протагора из Абдер и Эпикура из Самоса. Большинство произведений Демокрита и Эпикура не сохранились, однако их идеи дошли до наших дней благодаря длинной назидательной латинской поэме De rarum natura ("О природе вещей") Тита Лукреция Кара (99-55 до н.э.). Известно, что Демокрит (от греческого "избранный народом") получил знания об астрологии и теологии от халдейских ученых мужей. Он объездил практически весь Средний Восток — особенно Египет, но также Персию, Вавилон и Месопотамию, — чтобы изучить философию, геометрию и астрономию.

Легенда о Демокрите гласит, что он вырвал себе глаза незадолго до самоубийства — а ему было уже больше 100 лет, — чтобы вид прекрасного сада не отвлекал его от философских размышлений. Философ основывал свою этику на внутреннем равновесии и контроле над эмоциями. К удовольствию надо стремиться, а неудовольствий — избегать, однако счастье возникает из правильного различения и разграничения удовольствий, поскольку удовольствие может перейти в страдание.

•Демокрит, размышляющий о месте души·, статуя Леона-Александра Деломма.

Атомы согласно Демокриту

Демокрит считал, что любая материя состоит из атомов. Они вечны, неделимы, невидимы и различаются лишь размерами. Свойства материи меняются в зависимости от соединения атомов. Помимо материи и атомов ("то, что есть"), в природе существует и пустота ("то, чего нет"). По Демокриту, "в основе всех вещей — атомы и пустота, все остальное — только предположение". Он отрицал и физическое существование Бога: "Бог есть дух, помещающийся в огненной сфере, которая есть душа мира".

Изучение самых известных химических реакций дало необходимое обоснование этой новой атомной теории и доказало ее достоверность: элементы (атомы) соединяются с другими элементами (атомами) по правилу наибольшей простоты, и это отрицает любую возможность атомного деления. Атомы разных элементов в соединении соотносятся между собой как простые целые числа. Дальше мы рассмотрим связанные с этим примеры, однако уже сейчас можем объяснить это явление словами самого Джона Дальтона, произнесенными в 1802 году:

"Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества".

Этот способ соединения атомов вскоре утвердился под общим названием закона кратных отношений, актуального и по сей день.

В своем главном труде Джон Дальтон установил очень простую классификацию соединений: кратные двум, трем, четырем и так далее, в зависимости от необходимого соотношения. Если атом элемента А соединяется с атомом элемента Б, возникает бинарное соединение. Если же для образования соединения атому элемента А нужно два атома элемента Б, то получится тройное соединение, и так далее. Самые простые предложения и самые короткие уравнения всегда являются наиболее верными. Джон Дальтон во всем следовал этому неписаному научному закону. Он добавил к своему предыдущему тексту правило наибольшей простоты, согласно которому...

"...когда атомы соединяются только в одном соотношении, это говорит об образовании ими двойного соединения, и вряд ли можно доказать, что произойдет обратное".

Этот принцип не нашел обоснования с точки зрения современной химии, которая рассматривает молекулу как "электрически нейтральную частицу, образованную из двух или более связанных ковалентными связями атомов". Понятие ковалентности и ковалентной связи предполагает знание о субатомных частицах и особенно о поведении электронов и значении минимальной энергии, которым в 1808 году Дальтон не располагал. Поэтому неудивительно, что, основываясь на правиле наибольшей простоты, Дальтон допустил несколько ошибок, которые сегодня показались бы нам странными. Например, он записал формулу воды упрощенно НО (вместо Н_2О), а аммиака — NH (вместо NH_3).

Открытие электрона было еще впереди. Только в 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856-1940), лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, осуществил свой знаменитый опыт с катодными лучами. Его последователем в изучении субатомных частиц был уже неоднократно упоминавшийся Эрнест Резерфорд, директор лаборатории Кавендиша в Кембридже и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года. Резерфорд и его ученик Нильс Бор (1885-1962), лауреат Нобелевской премии по физике 1922 года, в XX веке осуществили нужные опыты и сформулировали положения, необходимые для понимания структуры атома. И хотя потом выяснилось, что атомы, образующие молекулы, способны делиться на другие частицы (протоны и нейтроны, сосредоточенные внутри маленького плотного атомного ядра, и электроны, находящиеся на его периферии), атомная теория Дальтона заложила солидную основу для этих исследований. Как замечают многие авторы, в области химии атом по-прежнему неделим. И только современная физика, изучающая ядерный распад, а также существование изотопов — разновидности атомов, ядерный состав которых и масса меняются в зависимости от количества нейтронов, — частично опровергли огромное наследие Джона Дальтона.

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

В 1909 году Ханс Гейгер (1882- 1945) и Эрнест Марсден (1889- 1970), ассистенты Резерфорда в Манчестере, осуществили опыт с золотой фольгой. Они разместили естественный источник радиоактивного излучения — полоний Марии Кюри, элемент, все 33 изотопа которого радиоактивны, особенно изотоп 210Ро, — в свинцовую полость ^РЬ. Источник испускал альфа-частицы (ядра гелия), направленный пучок которых попадал через прорезь на золотую фольгу перпендикулярно ее поверхности. В качестве детектора для обнаружения вспышек альфа-частиц исследователи использовали сферический экран из сульфата цинка. Если модель Томсона была правильной и атом являлся однородной структурой, то альфа-частицы не должны были сильно отклоняться. Однако некоторые частицы отклонялись, а одна из восьми тысяч даже отскакивала назад. "Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар", — заметил по этому поводу Резерфорд. Из поведения альфа-частиц он заключил, что атом состоит из пустоты и невероятно плотной, крошечной, положительно заряженной центральной зоны.

НАУЧНОЕ ПРИЗНАНИЕ ДАЛЬТОНА

Ученый продолжал исследования газов и химических соединений до самой смерти в 1844 году, но ни один из его трудов не стал таким же важным, как знаменитая "Новая система химической философии". Став президентом Lit & Phil в 1817 году, Дальтон написал и представил более 120 научных работ. За исключением сэра Гемфри Дэви в первые годы, никто из химиков того времени не ставил под сомнение его атомную теорию, и даже Дэви, похоже, в итоге отказался от своих возражений и предложил Дальтону вступить в Лондонское Королевское общество, президентом которого он являлся. Это был коварный подарок. Дэви знал, что ученый не сможет нести расходы, связанные с этим членством, и откажется. Так и вышло. Однако Дальтон не предполагал, что он будет избран членом общества, даже несмотря на отказ: ученый пользовался все большим уважением, и правительство назначило ему пожизненное денежное содержание, которое существенно облегчило его научные исследования. После смерти Дэви Французская академия наук предложила его пост Дальтону, который до этого, в 1822 году, ненадолго приехал в Париж для встреч с некоторыми авторитетными коллегами. Дальтон испытывал глубокое уважение к Лавуазье, своему несчастному учителю. Кроме того, получив признание, он читал лекции в Оксфорде, Бристоле, Дублине и других городах. К сожалению, слабое сердце вынудило ученого вернуться в промышленный Манчестер, где 27 июля 1844 года он скончался в одиночестве — как, впрочем, и жил. Незадолго до смерти земляки Дальтона в знак признания воздвигли ему огромный памятник. Об удивительных примерах восхищения и признательности жителей Манчестера после смерти Дальтона мы уже говорили в начале этой главы.

Дальтон, возможно, единственный ученый, удостоенный памятника при жизни.

Высказывание неизвестного современника ученого

В дальнейшем некоторые ученые сомневались в существовании атомов. Наибольшую критику высказывал австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838-1916), открывший отношение скорости тела к скорости звука. Этот философ-позитивист заявил: "Атомы не подвластны ни одному из органов чувств, они являются лишь плодом разума". Мах утверждал, что в науке следует принимать во внимание лишь то, что можно проверить эмпирически, поэтому отрицал понятия материи, необходимости и казуальности. Атомы Дальтона необходимы для объяснения молекулы, однако сами молекулы являются мыслительными конструктами, и их существование не может быть проверено прямым наблюдением, потому их Мах также не признавал. Эта категоричная точка зрения была распространена среди немецких интеллектуалов, хотя ученый из Вены Людвиг Больцман (1844-1906) ее не разделял.

Джон Дальтон, гравюра Джозефа Аллена (1814).

Дальтон первым исследовал дефект, которым страдал сам и который позже был назван дальтонизмом. Он завещал науке собственные глаза —они изображены на рисунке вместе с очками и прядью волос.

Современное здание Религиозного общества Друзей в Манчестере.

Больцман и Мах не были близки ни в личном, ни в профессиональном плане. Больцман основывал свои работы — прежде всего в области статистической механики и термодинамики — на существовании атомов. Это его убеждение полностью разделяли такие признанные ученые, как Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) и особенно шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), создатель теории электромагнитного поля. Он работал вместе с Больцманом над кинетической теорией газов, которая сегодня называется статистикой Максвелла — Больцмана. Критика оппонентов, сначала одного его наставника, Эрнста Маха, а затем и второго, Вильгельма Оствальда (1853- 1932), так сильно повлияла на Людвига Больцмана, что он погрузился в депрессию и покончил с собой в 1906 году. Почти в то же время было доказано существование атомов — еще до их бомбардировок частицами, осуществленных Эрнестом Резерфордом. Доказательство представил начинающий исследователь Альберт Эйнштейн (в статье о броуновском движении атомов, опубликованной в 1905 году), а также Жан Батист Перрен в работах по изучению коллоидов, которые позволили подтвердить научную состоятельность постоянной Больцмана и постоянной Авогадро. Постоянная Авогадро — это величина, равная числу структурных элементов (атомов или молекул) в 1 моле вещества. Она не зависит ни от вещества, ни от рассматриваемой частицы и названа в честь итальянца Амедео Авогадро (1776-1856) — странного угрюмого человека, который в 1811 году открыл, что при одинаковых температуре и давлении в равных объемах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. Так, 1 моль водорода (Н_2, 2,012 грамма) или 1 моль углерода (С, 12 граммов, взятых как образец) содержат 6, 0221367 х 10^23 молекул или атомов. Исходя из этих данных можно измерить размер и массу атомов. Так, две бутылки одинакового размера, одна из которых наполнена кислородом, а другая — гелием, содержат одинаковое количество молекул. Таким образом, число атомов кислорода в два раза больше, поскольку его молекула состоит из двух атомов, тогда как молекула гелия, инертного газа, состоит из одного атома.

После того как Дальтон нашел способ измерить атомную массу, его часто называли "тем, кто взвесил атомы". Эти исследования не только изменили мышление его современников и новых поколений ученых, но и произвели революцию в химии того времени. Сначала труды француза Лавуазье, а позднее — англичанина Дальтона разделили химическую науку на до и после. Специалисты называют это время началом современной химии. Мы лишь кратко упомянем блестящих ученых, таких как Лавуазье, Лаплас, Джоуль, Дэви, Авогадро, Фарадей, Больцман, Максвелл, Перрен, а также атомных физиков XX века Томсона, Кюри, Резерфорда, Чедвика, Эйнштейна, Планка, Бора, а позднее — Шрёдингера, Гейзенберга, Ферми и Паули, и это лишь самые знаменитые. Все они обязаны своими открытиями необыкновенным исследованиям и самоотверженности Джона Дальтона, который первым предположил, что все в природе начинается с основной неделимой частицы — атома.

АТОМНАЯ МАССА

Атомная масса измеряется сегодня в атомных единицах массы (а.е.м.), которые мало чем отличаются оттого, что предлагал Джон Дальтон, — разве лишь тем, что в качестве единицы измерения атомной массы сегодня принята 1/12 часть массы атома нейтрального углерода-12 (то есть атома, ядро которого содержит 6 протонов и 6 нейтронов), а не атом водорода. Эта единица равна 1,66х10-27. Самым легким является атом водорода, а самым тяжелым среди стабильных атомов — свинец-208, атомная масса которого равна 207, 98 а.е.м. Если мы примем моль за единицу массы (что часто происходит в химии), то установим общее правило, согласно которому масса одного моля какого-либо элемента примерно равна атомной массе этого элемента.

ГЛАВА 2

Начало: трудные годы

Ученые, как и другие люди, принадлежат времени и месту, в котором живут, а также событиям, которые происходят в годы их жизни. Биография Джона Дальтона, почти такая же строгая, как и он сам, таит много неожиданностей. Но особенно ярко она раскрывает упрямый, решительный характер и безграничную склонность к науке, а также свидетельствует об упорстве, интуиции и уме Дальтона.

Джон Дальтон родился в маленьком городе Иглсфилде в графстве Камберленд, на северо-западе Англии. Камберленд (или Камбрия) славится живописными местами — здесь находится знаменитый национальный парк Лейк-Дискрит, один из красивейших британских островов. Дальтон родился 5 или 6 сентября 1766 года: точная дата неизвестна, поскольку квакеры не ведут таких записей. У родителей Джона — Джозефа и Деборы Дальтон — уже было два ребенка: Джонатан и Мэри.

Дальтоны жили в Камберленде по крайней мере с конца XVI века. На момент рождения Джона семья владела небольшой фермой (вероятно, полученной в качестве приданого Деборы Дальтон-Гринап), Джозеф работал ткачом. Жили они довольно скромно. Джозеф, как младший в семье, не имел никаких прав на наследство и получил совсем немного денег лишь после смерти старшего брата в 1786 году. Предположительно глава семейства, Джозеф Дальтон, обратил семью в доктрину Джорджа Фокса, основателя квакерской общины. Позже Джон разделил участь своего отца: он также не мог претендовать на наследство, и то немногое, чем владела семья, перешло к его старшему брату Джонатану. Только после смерти в 1834 году Джонатана, оставшегося неженатым, значительно возросшее семейное состояние перешло к Джону Дальтону, финансовые дела которого к тому времени и так были неплохи. Ученый мог жить, не думая о деньгах, поскольку был неженат и воздержан на грани скупости в том, что касалось личных расходов.

РЕЛИГИОЗНОЕ ОБЩЕСТВО ДРУЗЕЙ

Основателем Религиозного общества Друзей является английский религиозный отступник Джордж Фокс (1624-1691). С тех пор квакеры, как их называли, и существуют в качестве отдельной общины. Ее название происходит от английского слова quake ("трепетать"), поскольку во время процесса Фокс призвал суд "трепетать перед Словом Господним". Набожный с детства Фокс и сам хотел стать пастором, но он часто критиковал своих учителей, которые были не прочь приложиться к бутылке. Он много путешествовал по Англии в поисках собственного пути, выстраивая свои идеи, навеянные чтением Библии. В 1648 году Фокс начал проповедовать, призывая следовать Писанию, общественной справедливости, нравственности и благовоспитанности. В 1650 году он был заключен в тюрьму по обвинению в богохульстве. Позже ему вменяли также отказ взяться за оружие. Пока Фокс был в тюрьме, число его последователей росло. После освобождения его речи приняли более острый характер, Фокс выступал не только против англиканской церкви, но и против католической, преобладающей в Ирландии. В 1671 году он уехал в Америку, где уже появились общины квакеров, а после возвращения путешествовал с проповедями по Северной Европе.

Джордж Фокс.

Люди мира

У квакеров вместо официального символа веры — множество разных доктрин. Но все они — "люди мира". У них нет священников, пасторов, таинств, они исповедуют простую, честную и мирную жизнь. Их богослужением являются молчаливые собрания, прерываемые комментариями Библии. Сегодня по всему миру рассеяно 300 тысяч квакеров. Религиозное общество Друзей в 1947 году получило Нобелевскую премию мира.

КВАКЕРЫ И ОБРАЗОВАНИЕ

Сведения о финансовом состоянии семьи Джона Дальтона могут показаться читателю излишними, как и информация о его религиозных взглядах, но мы все же упомянем об этом, потому что трудно понять работы и открытия ученого, не зная ничего о его детстве, которое определило образование и характер Джона. Единственной его целью было усвоение и распространение знаний — именно этим было обусловлено добровольное заточение ученого в Манчестере. Его редко можно было встретить на улицах этого города, за исключением посещений общества Lit & Phil, центральной библиотеки или непременной игры в кегли по четвергам в закусочной The Dog and the Partridge Inn ("Собака и куропатка"). Камберленд был в те времена процветающим промышленным центром с несколькими крупными торговыми портами, через которые шла торговля с Америкой, провозгласившей независимость в 1776 году (в 1783-м эта независимость была признана Великобританией). Религиозные взгляды и строгость Джорджа Фокса были встречены здесь с энтузиазмом. Более того, ученый обратил в свою веру многие семьи и даже целые деревни. Кстати, торговые интересы вполне соответствовали его модели общества и этике — до такой степени, что через общины Религиозного общества Друзей устанавливались прочные связи с квакерами из процветающего промышленного Мидленда, успешными торговцами из Лондона, состоятельными жителями Филадельфии. Кроме того, многих членов общины объединял живой интерес к образованию и натурфилософии. Эти связи играют важную роль для понимания образовательной среды, в которой вырос и сформировался Джон Дальтон.

Вслед за Джимом Уайтингом и Мэрилом Морано, биографами Джона Дальтона, некоторые авторы, например Элизабет Паттерсон, утверждают, что...

"[...] квакеры испытывали настоятельную нужду отделиться от других религий, и это чувство исключительности, призванное защитить их собственные верования, трансформировалось в особое внимание к воспитанию самых юных. Отсюда происходит желание квакеров иметь собственные школы и собственных учителей".

Это мышление определило всю жизнь Дальтона. Его обучение началось в маленькой школе Пардшоу-холл, куда он ходил каждый день вместе со своим братом Джонатаном, преодолевая пешком более трех километров. В тот период промышленного расцвета, когда детский труд был распространен повсеместно, а читать умел один англичанин из 200, сама возможность ходить в школу считалась почти что привилегией. В своем скромном классе Дальтон быстро привлек внимание учителя, Джона Флетчера, который и увлек мальчика наукой. Джон с восторгом читал все книги, которые приносил ему Флетчер. К сожалению, вскоре учитель покинул школу, и она закрылась.

Взамен община открыла другую школу, в Иглсфилде, располагалась она в скромном амбаре, а роль учителя доверила Дальтону, которому было всего 12 лет. Мальчик оказался перед классом, который составляли ученики гораздо старше его, и Джон часто наталкивался на грубость и язвительность. С большим трудом ему удалось заставить некоторых ребят выучить алфавит. Это был довольно суровый опыт, и о нем свидетельствуют несколько историй, возможно выдуманных. Якобы Дальтон запирал учеников в темноте до тех пор, пока они не выучат урок, а спор с одним из учеников будто бы дошел до драки. Рассказывают также, что он подвергал своих учеников телесным наказаниям. Однако этот обычный в ту эпоху в Англии метод воспитания вызывает удивление, когда речь идет о нашем герое. Возможно, Джона спутали с его старшим братом Джонатаном, который преподавал несколькими годами позже в соседнем городе Кендале.

В то время любознательность Дальтона привлекла внимание видного члена Религиозного общества Друзей Элиу Робинсона (1734-1809) — натурфилософа, имевшего склонность к литературе и метеорологии. Он заразил юного Дальтона этим увлечением, которое осталось с ученым на всю жизнь. Дальтон настолько восхищался Робинсоном, что по собственной воле переписал слово в слово целое издание, посвященное философии и математике. Они вместе участвовали в математических конкурсах, объявленных разными журналами, и получали за это скромное, но не ничтожное вознаграждение. Джон Дальтон вспоминает в дневнике — вообще осталось очень мало его рукописей — свое восхищение и благоговение перед Робинсоном, в библиотеке которого он провел столько часов отрочества.

Джон Дальтон, репродукция портрета кисти Бенджамина Ролиисона Фолкнера (1787-1849), написанного в 1841 году для Королевского общества.

Памятная доска на доме, в котором родился Джон Дальтон в Иглсфилде, графство Камберленд, Англия.

Пардиюу-холл — школа, в которой учился Джон Дальтон.

ДАЛЬТОН-ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

В 1781 году старший брат Джонатан попросил Джона, которому в ту пору было 15 лет, помочь ему преподавать в новой квакерской школе в Кендале, богатом городке в 60 километрах от их родного Иглсфилда. Школой управлял их двоюродный брат Джордж Бьюли, и благодаря покровителям она была хорошо оснащена — здесь имелись телескоп, хороший микроскоп и несколько гидравлических машин; кроме того, преподавателям платили более чем достойное жалованье. Джон Дальтон охотно принял это предложение. Через четыре года братья Дальтоны купили эту школу у Бьюли на деньги, которые получил их отец по закладной за земли. К братьям присоединилась и сестра Мэри, которая управляла школой и занималась учениками-пансионерами. Дела шли хорошо, в самые удачные годы в школе насчитывалось до 60 учеников, не считая тех, кто оплачивал индивидуальные занятия. В небольшом рекламном объявлении братья Дальтоны так представляли свою школу:

"Воспитанники обучаются английскому языку, латыни, греческому и французскому, а также письму, арифметике, счетоводству и математике. По желанию за умеренную плату возможно проживание в доме учителей..."

Помимо преподавания в школе, неутомимый Джон Дальтон читал лекции и участвовал в публичных дебатах в таких областях, как механика, оптика, пневматическая химия и астрономия, используя для этого материалы, приобретенные школой на пожертвования благотворителей. Как это было принято в квакерской общине, Дальтон присутствовал на семинарах, проводимых его единоверцами, которые заезжали в Кендал. Знания юноши росли, как и его любознательность.

Джон Дальтон продолжал педагогическую деятельность в Кендале до смерти отца, после чего Джонатан вынужден был вернуться в Иглсфилд, чтобы вступить в наследство. Его отъезд стал облегчением для обоих братьев. Джонатан был приверженцем жестких методов преподавания, поэтому ученики его не любили. В то же время и сам Джон задыхался в узком мирке Кендала. У него появилось довольно много знакомых. Особо отметим дружбу Дальтона с преподавателем Джоном Банксом и Джоном Гауфом (1757-1825), ученым-натуралистом, который был на десять лет старше Дальтона. Гауф из-за осложнения после оспы в детстве ослеп, но несмотря на это в глазах других людей и, разумеется, Дальтона был гением. Гауф преподавал латынь и древнегреческий, а также французский и испанский языки, также он был видным математиком, астрономом, химиком и ботаником. Дальтон отзывался о коллеге с большим восхищением:

"Гауф способен различить на ощупь, по вкусу и запаху любое растение из 26000 других".

В 1790 году Дальтон часто писал своему двоюродному брату Джорджу Бьюли и первому наставнику Элиу Робинсону, удачливому торговцу. Также он советовался с Джоном Гауфом и со своим дядей по материнской линии Томасом Гринапом, важным адвокатом при коллегии адвокатов в Лондоне. Дальтон писал о том, что хотел бы уехать из Кендала, чтобы изучать медицину или право. О духовном образовании не могло быть и речи, поскольку у квакеров не было священников. Дальтон, возможно, первый и последний раз в жизни выказывал честолюбивые намерения — скорее всего, причиной этому был юношеский пыл. Он писал своим блестящим знакомым, что немногие люди, имевшие склонности к торговле, деловому поприщу или изучению натурфилософии, удовлетворились бы ролью школьного учителя. Если бы он посвятил себя какой-нибудь уважаемой профессии, это позволило бы ему получить более существенный доход для него и для общины. Дальтон считал, что может изучать медицину в шотландском университете Эдинбурга, зная о том, что квакеры, отступившие от официальной англиканской церкви, не имели права учиться в Оксфорде и Кембридже. К своему удивлению, Джон не получил от своих корреспондентов обнадеживающих ответов. Его дядя, к примеру, написал, что люди в его финансовом положении не могут себе позволить изучать медицину и право. Он советовал Дальтону изучать вместо медицины фармацевтику или подумать о карьере клерка, а не адвоката, и только потом — когда он с успехом завершит образование и будет обладать небольшим капиталом — устраивать жизнь по своему усмотрению.

Такая реакция остудила пыл Джона на год. Он снова начал читать свои научно-популярные лекции и в 1792 году впервые поехал в Лондон на ежегодное собрание Общества Друзей. Последствия этого короткого пребывания в британской столице не заставили себя ждать: Дальтон получил предложение преподавать математику и натурфилософию в Манчестере в новой академии, которую квакеры готовились открыть в этом промышленном городе вместе с другими общинами религиозных отступников, такими как социнианцы и унитарианцы.

СТРАСТЬ К МЕТЕОРОЛОГИИ И БОТАНИКЕ

Хотя первый наставник Дальтона в Иглсфилде Элиу Робинсон привил ему страсть к метеорологии (да и могло ли быть иначе в графстве с таким изменчивым климатом, как Камберленд?), именно слепой Гауф подвигнул Дальтона вести наблюдения. Это занятие вошло у юноши в привычку и превратилось почти в наваждение. Первые его записи датированы 24 марта 1787 года, когда Дальтону был 21 год, а последние сделаны накануне его смерти в Манчестере, 26 июля 1844 года. Между этими двумя датами — то есть на протяжении почти 60 лет — ученый сделал более 200 тысяч записей о температуре, влажности, давлении, он фиксировал наблюдения о дожде и ветре. Дальтон публиковал эти записи вместе со своим анализом — первый небольшой том вышел в Манчестере под названием Meteorological observation and essays ("Метеорологические наблюдения и этюды") в 1793 году.

РЕЛИГИОЗНЫЕ ОТСТУПНИКИ

Инакомыслие объединяет многих верующих ученых — достаточно вспомнить о противостоянии Галилея и католической церкви или Кеплера и лютеранской церкви. Ученые часто становились жертвами предрассудков и предубеждений. Джон Дальтон принадлежал к общине квакеров, которые вместе с последователями социнианского, унитарианского и христадельфианского учений — это лишь самые известные течения того времени — были лишены доступа к университетам. Главное отличие их взглядов от официальной доктрины состояло в том, что они отрицали учение о Троице. Бог был един с их точки зрения, и Иисус из Назарета не существовал до своего рождения. Хотя все отступники признавали Христа божеством, они не считали его Божьим сыном и не верили в Святого Духа. Их верования были основаны на личном прочтении библейских текстов. Защищая свои убеждения, а также испытывая необходимость дать своим членам хорошее образование, некоторые общины объединялись и основывали собственные школы и академии. Так поступили квакеры, социниане и унитаринцы в Манчестере, где преподавал Дальтон.

Другое огромное увлечение Дальтона до того, как он погрузился в химию, было также передано ему квакером Джоном Гауфом. Это была ботаника. Дальтон собирал растения, высушивал их, клал под пресс и скрупулезно классифицировал по универсальной системе биноминальной номенклатуры, предложенной знаменитым шведским ботаником Карлом Линнеем. К 1790 году Дальтон закончил биноминальную классификацию большинства растений в районе Кендала и описал их в 11 томах. Эти труды были проданы местному музею Кендала с весьма прозаической целью — ради получения дополнительного дохода, поскольку ученый в те годы нуждался в деньгах. Однако этот трудный период закончился в 1793 году с переездом в Манчестер.

С тех пор и в течение 50 лет до самой смерти в Манчестере Джон Дальтон был одержим одной-единственной мыслью — посвятить себя научным исследованиям. Он забыл обо всем остальном, поскольку у него 4ни на что другое не было времени". Ученый сотрудничал со многими журналами и писал самые разные статьи, в том числе о человеческих отношениях. Например, он рассуждал о необходимости носить кольцо после свадьбы, о выгодах и недостатках развода и повторного брака, о пользе любовных консультаций... В то же время его собственные романтические отношения, по крайней мере те, о которых нам известно, ограничились коротким периодом помолвки с одной вдовой, продлившимся чуть больше недели. В 1794 году Джон Дальтон написал по этому поводу:

"Во время этого короткого заточения я лишился аппетита, начал заикаться и выказывал явные признаки умственного порабощения. Но через неделю я вновь обрел свободу. (...) Моя голова слишком занята треугольниками, химическими реакциями и электрическими опытами, чтобы я думал о свадьбе".

ВЕЛИКИЕ АНГЛИЙСКИЕ ХИМИКИ

В следующей главе мы более подробно рассмотрим роль, которую сыграл Джон Дальтон в развитии химии своего времени. Но, оставаясь верными хронологическому изложению, выскажем несколько полезных наблюдений. Джон Дальтон, как и другие английские химики того времени, интересовался изучением газов и горючих веществ, что было прямым следствием произошедшей в Великобритании промышленной революции.

КАРЛ ЛИННЕЙ

Шведский ученый Карл Линней (1707- 1778) считается отцом современной таксономии или, проще говоря, научной классификации живых существ.

Его главный труд — Sistema Naturae ("Система природы·, 1735) — для многих стал отправной точкой зоологической классификации: живые существа в нем разделены по классам, группам, видам и родам. В конечном счете это классификация божественных созданий, как думал сам ученый. Джон Дальтон в свою очередь, увлекшись биологией, использовал систему Линнея для классификации растений в своем родном городке Иглсфилде. В этой системе, называемой биноминальной номенклатурой, первое латинское название обозначает род, а второе — вид. Род может быть общим, а вид является конкретным определением: эта пара напоминает сочетание имени и фамилии. Например, Panthera leo обозначает льва, Panthera tigris — тигра. А известный нам Homo sapiens означает "человек разумный".

Стоит упомянуть несколько имен, например — в хронологическом порядке — Джозефа Блэка (1728-1799), шотландского медика и химика, который установил разницу между теплотой и температурой, а также ввел в обиход принятые и сегодня понятия теплоемкости и скрытой теплоты при изменении состояния. Уточним, что изучение скрытой теплоты при изменении состояния и теплоемкости сыграло решительную роль в истории появления паровой машины, в частности для работ шотландца Джеймса Уатта (1736-1819). Но Блэк более известен как первооткрыватель углекислого газа (СO_2), который он назвал фиксированным воздухом. Ученый закрыл мышь и свечу в емкости, заполненной углекислым газом. Свеча погасла, мышь погибла. Так Блэк доказал, что углекислый газ непригоден для дыхания.

Помимо Джозефа Блэка необходимо упомянуть Джозефа Пристли (1733-1804), больше священника, нежели ученого, который сегодня вместе с Карлом Шееле и великим Лавуазье считается открывателем кислорода. На самом деле Пристли первым выделил этот газ и отметил его значение для жизни. Он называл кислород дефлогистированным воздухом в духе теории флогистона, которая вскоре будет опровергнута Лавуазье. Флогистон — это гипотетическая субстанция, ответственная за процесс горения. Это понятие уходит корнями в алхимию, а его название происходит от греческого слова phlogistos ("горючий, воспламеняемый") — то, что высвобождается из вещества при горении.

Разумеется, нельзя забыть и о благородном Генри Кавендише (1731-1810), человеке разносторонних интересов, получившем известность благодаря опыту с крутильными весами, с помощью которых он определил среднюю плотность Земли (5, 45 г/см³) и опытным путем доказал закон тяготения Ньютона, получив постоянную всемирного тяготения (G=6, 74 · 10 -11 H · м²/кг²). Он выделил водород, или горючий газ. Благодаря работам, открытиям и ошибкам Кавендиша, Антуан Лоран де Лавуазье смог научно объяснить процесс горения.

МАНЧЕСТЕР И LIT & PHIL

Во время своих уроков в Кендале Джон Дальтон уже использовал работы по химии Джозефа Пристли, о котором мы только что упомянули. Любопытно, что Пристли тоже был религиозным отступником, а также основателем унитаризма в Англии. Пристли грозила смерть, и он вынужден был в 1794 году эмигрировать в США, но до этого считался одним из блестящих профессоров академии Манчестера. Туда же был приглашен преподавать и Джон Дальтон, которому поручили занятия по натурфилософии и математике, его опекал слепой квакер

Джон Гауф. В распоряжении Дальтона оказались замечательная библиотека и необходимый инструментарий. Педагогическая деятельность захватила его полностью, по крайней мере в первые годы жизни в Манчестере. Очень быстро к преподаваемым наукам добавилась химия, самый интересный для Дальтона предмет.

АНТУАН ЛОРАН ДЕ ЛАВУАЗЬЕ

Лавуазье (1743-1794) родился в Париже и считается пионером французской научной революции. Он происходил из состоятельной семьи, которая купила дворянский титул и собирала налоги в пользу государства. Все свое время Лавуазье посвящал научным исследованиям, в работе ему помогала жена Мари-Анн Польз. Он много занимался и государственной деятельностью, в частности был директором Управления порохов и селитр, участвовал в разработке системы мер и весов, был назначен комиссаром Национального казначейства. На этой должности он приобрел множество врагов, и самым непримиримым из них был Жан-Поль Марат (1743-1793), член Национальной Ассамблеи, чьи научные труды удостоились презрительных отзывов Лавуазье. В1791 году Марат обвинил своего недруга в том, что тот берет чрезмерное вознаграждение. Лавуазье был арестован в 1793 году и отправлен на гильотину. Приговор суда звучал так: "Республика не нуждается ни в ученых, ни в химиках". Лавуазье было 50 лет. Ему мы обязаны новой химической номенклатурой, которая лежит в основе современной, а также знаменитым законом сохранения массы. В "Элементарном трактате по химии" (1789) Лавуазье дал определение химического элемента как простого тела, которое невозможно разложить никаким известным химическим способом.

Академия Манчестера испытывала затруднения, которые привели к тому, что она была перенесена сначала в Йорк, потом снова в Манчестер и в итоге в Лондон. Все эти перемещения мешали упорной работе Джона Дальтона. В марте 1800 года он объявил о своем намерении прекратить преподавание, однако ученый не собирался покидать Манчестер, в котором его жизнь была очень удобно устроена. В сентябре того же года Дальтон открыл собственную школу, которая пользовалась таким успехом, что он вполне мог вести достойную жизнь и не отвлекаться от научных исследований. Джон Дальтон никогда не прекращал частные уроки, но решающим для его научной деятельности стало вступление 13 октября 1794 года в Литературно-философское общество Манчестера (Lit & Phil), о котором мы уже не раз упоминали. Дальтона рекомендовали Томас Генри (1734-1816), который в 1776 году перевел на английский язык исключительный труд Лавуазье "Небольшие физические и химические исследования", вышедший во Франции двумя годами ранее, Томас Персиваль (1740-1804), первопроходец в медицинской деонтологии и здравоохранении, автор кодекса медицинской этики, высоко оцененного в Англии, и, конечно, Роберт Оуэн (1771-1858) из Уэльса: он руководил текстильной фабрикой в Манчестере и стоял у истоков кооперативных организаций утопического социализма, за что удостоился славы предшественника рабочих и профсоюзных движений Англии. Это исключительное интеллектуальное окружение окончательно утвердило Дальтона в намерениях обосноваться в промышленном Манчестере.

Спустя месяц после вступления в Lit & Phil Дальтон представил в обществе свою первую большую научную работу, основанную на его собственном опыте, — о неспособности различать некоторые цвета (этот физический недостаток известен нам как дальтонизм).

Это первое представленное в Lit & Phil исследование Дальтона получило гораздо больший отклик, нежели его предыдущие труды — метеорологические изыскания или работы о давлении газов. После утверждения в качестве полноправного члена престижнейшего академического сообщества Дальтон не только заслужил высокую репутацию и получил удобное для работы место, но также у него появились слушатели и широкие возможности распространять идеи. Дальтон смог, наконец, упорядочить свои исследования, не оставляя преподавания. В 1796 году он писал брату:

"Я посчитал, что шесть уроков химии и шесть уроков по другим предметам позволят мне заработать немного денег в моей школе".

ДАЛЬТОН И ДАЛЬТОНИЗМ

Дальтонизм — это генетический наследственный недостаток, который не позволяет правильно различать цвета. Чаще встречается у мужчин, поскольку связан с Х-хромосомой; наблюдается у 1,5% мужчин и 0,5% женщин. Дальтон изучил этот недостаток и связал его со стекловидным телом глаза. Ma самом деле дефект связан с аномалией цветочувствительных рецепторов — колбочек. Они бывают трех видов и работают как электронные устройства: один тип чувствителен к красному цвету, другой — к зеленому, третий — к синему. Взаимодействуя с мозгом, человеческий глаз способен различить около 8000 цветовых сочетаний. Тип дальтонизма зависит от того, какой тип колбочек поражен. Самый серьезный случай — ахроматический, когда человек не различает ни одного цвета. При монохромазии человек различает один из трех цветов, при дихромазии — два цвета из трех, и это самый распространенный тип дальтонизма. Если нарушены красные рецепторы, дальтонизм называется протанопией, если зеленые — дейтеронамалией, если синие — тританопией. Случается, что у дальтоника снижена активность всех трех пигментов, и это достаточно частый случай. Дальтон страдал дейтеронамалией, то есть самым легким типом дальтонизма.

Завещание глаз для науки

Все биографии Дальтона содержат множество историй о его дальтонизме. Самая заурядная из них связана с тем, как он перепутал химические реактивы разных цветов, а самая смешная — возможно, выдуманная — рассказывает об оплошности ученого в тот день, когда он предстал перед Гийомом IV в ярко-красном костюме. Но совершенно точно, что Дальтон для изучения этого дефекта зрения завещал науке собственные глаза.

Тетрадка с цветными нитями, которые Дальтон использовал, чтобы проверить, различает ли он цвета. Подарок Фредерика Уильяма Гершеля (1792-1871).

ХИМИЯ НА ЗАРЕ XIX ВЕКА

Настало время рассказать о том, в каком состоянии пребывала химия в первое десятилетие XIX века. Это позволит представить ту обстановку, в которой Дальтон начал свою научную карьеру и исследования в области химии. Большинство химиков, и Дальтон не был исключением, опирались на работы Роберта Бойля (1627-1691) — ирландского ученого, работавшего в Оксфорде. Бойль считается первым современным химиком, поскольку он первым отошел от алхимических убеждений. В школе Кендала Дальтон получил доступ к его многочисленным трудам и с жадностью их изучал. Однако труды Бойля были написаны так сухо, что Дальтон обращался и к работам по химии голландца Германа Бургаве (1668-1738), который был скорее врачом, нежели химиком, и считался одним из лучших преподавателей своего времени. Бургаве заведовал кафедрой в Лейдене и по материалам своих занятий написал труд под названием Elementa chemiae ("Химические элементы", 1724), в котором изложил все практические познания в этой области. Он был убежденным последователем Ньютона и впервые применил законы Ньютона в области химии (впоследствии это сделает и Дальтон).

При постоянной температуре растворимость газа в единице объема жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором.

Уильям Генри, закон Генри (1803)

С первых лет пребывания Дальтона в Манчестере его большим другом был коллега Уильям Генри, сын Томаса Генри и ученик Томаса Персиваля, которые рекомендовали Дальтона в Lit & Phil. Генри повезло больше, чем Дальтону, поскольку у него была возможность изучать медицину в университете Эдинбурга, но из-за плохого здоровья он прервал врачебную практику и целиком посвятил себя химическим исследованиям. Полученные Генри результаты хорошо известны и сегодня, особенно закон, носящий его имя (закон Генри), который изучал и Дальтон. К нему мы еще вернемся.

Уильям Генри сыграл значительную роль в начале научной карьеры Дальтона. Помимо их общих открытий в области растворимости газов, именно Генри вдохновил Дальтона на изучение массы первых частиц. Но при этом сказалось влияние не только Генри. В 1796 году Дальтон прослушал около 30 лекций по химии доктора Томаса Гарнетта (1776-1802), что, по всей видимости, и определило его выбор. Он решил посвятить себя исследованиям в области химии еще и потому, что на примере Гарнетта убедился: можно существовать безбедно, давая уроки и читая лекции.

С 1794 по 1802 год Дальтон не щадил себя: он преподавал, читал лекции, занимался исследованиями в Lit & Phil. Ученый интересовался не только способностью различать цвета, но и целым рядом других вопросов, в частности связанных с атмосферными явлениями (его первой страстью), а также с промышленной жизнью Манчестера (этому были посвящены труды о тепловом расширении газов, о механической конденсации воздуха, природе газовых смесей и, конечно, силе водяного пара). Так, всего за один месяц, в октябре 1801 года, он представил четыре работы о состоянии газов. В конце 1802 года Дальтон опубликовал первый научный труд по химии, в котором рассуждал о возможных соединениях кислорода и азота. Эти размышления легли в основу закона кратных отношений.

УИЛЬЯМ ГЕНРИ

Генри родился в Манчестере в 1774 году, он был сыном Томаса Генри и учеником Томаса Персиваля — оба хирурги и члены Королевского общества. В 1795 году он начал изучать медицину в университете Эдинбурга, а в 1807-м завершил обучение. По состоянию здоровья Генри оставил врачебную практику и посвятил себя исследованиям в области химии. Получил известность благодаря опытам с количеством газов, поглощаемых водой при различных температурах и давлении (1803). Его книга по химии "Элементы экспериментальной химии· была переиздана 11 раз за 30 лет. В 1836 году ученый застрелился в своей личной часовне в Пендлбери.

Закон о растворимости газов, или закон Генри

Знаменитый закон Генри гласит, что при постоянной температуре объем газа, растворенного в единице объема жидкости, прямо пропорционален давлению этого газа над раствором, если жидкость и газ не действуют друг на друга химически. Мы можем сформулировать этот закон, вслед за современными школьными учебниками, следующим образом:

S=k · P,

где S — растворимость, или концентрация газа в растворе, к — коэффициент Генри, зависящий от температуры и природы газа и раствора, а Р— парциальное давление газа над раствором. Знакомый всем пример действия этого закона — газированные напитки. Во всех этих жидкостях растворена двуокись углерода СO_2, и давление этого газа больше атмосферного. Когда мы открываем бутылку, давление уравнивается, и часть газа начинает выделяться из напитка, в результате чего образуются пузыри. Если бутылку оставить открытой, вкус напитка изменится, поскольку весь газ выйдет. Точно так же этот закон действует на ныряльщиков во время погружения. Они вдыхают сжатый воздух, который растворяется в крови. При всплытии понижается растворимость газов в крови, что влечет за собой риск образования маленьких пузырьков, которые мешают нормальной циркуляции крови и могут привести к смерти. Именно поэтому необходимо подниматься после погружения медленно.

Кислород может соединяться с определенным количеством азота или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества.

Джон Дальтон, закон кратных отношений (1802)

Этот вывод из доклада Дальтона "О соотношении различных газов или жидкостей, содержащихся в атмосфере, а также о механическом или химическом растворении газов в жидкостях" основывается главным образом на его вере в теорию Ньютона. Дальтон считал, что увеличение объема (расширение) газа при уменьшении давления связано с тем, что составляющие его идентичные или, по крайней мере, однородные частицы отталкиваются друг от друга с силой, обратно пропорциональной расстоянию, их разделяющему. Для Дальтона это был еще один пример действия закона всемирного тяготения, сформулированного Исааком Ньютоном в 1687 году. Ученый постоянно пытался применить теорию Ньютона к воздуху. Доказав, как и Лавуазье несколькими годами раньше, что воздух является не соединением газов, а их смесью, он опытным путем подтвердил закон, который мы сегодня знаем как закон парциального давления газов. Дальтон сделал вывод, что частицы водяного пара не отталкивают частицы других газов, содержащихся в воздухе, по той простой причине, что они различны.

И это объясняет тот факт, что они свободно циркулируют в атмосфере. Несмотря на ошибку, которая заключалась в объяснении с использованием теории Ньютона, это доказательство принесло Дальтону известность за пределами Англии. Его доклад, названный *О диффузии газов другими газами*, вызвал огромную полемику в научном сообществе. Почему отталкивающую силу можно наблюдать только в некоторых случаях?

Ответ на этот вопрос уводит Дальтона от теории Ньютона, он начинает задумываться о том, что существуют конечные неделимые частицы, из которых состоят вещества, образующие воздух. Так Дальтон приступил к разработке понятия атомной структуры.

В то же время близкий друг Дальтона Уильям Генри уже представил свои результаты, касающиеся растворимости газов в жидкостях. Дальтон еще раз подтвердил выводы Генри. Это означало, что если растворимость газов зависит от давления (другими словами, от силы), значит она должна иметь механическую причину. Это было очевидно и Генри, и Дальтону, который снова обратился к исследованиям и чуть позднее, в 1802 году, представил труд "О поглощении газов водой и другими жидкостями" (правда, работа была опубликована лишь три года спустя). В двух словах, растворимость газов — это не просто химическая реакция, но некое количество механических действий между частицами, которые зависят от размеров этих частиц (то есть от атомов, от атомной массы).

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ ДАЛЬТОНА

Закон кратных отношений, или закон Дальтона, сформулированный в 1802 году, — очень важный закон среди так называемых стехиометрических. Он гласит, что "если два вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа, обычно небольшие". Другими словами, если атом вещества А соединяется с одним и с двумя атомами вещества 8, соотношение массы вещества А и 8 будет 1:2. Классический пример — оксиды меди, в которых А — это кислород, а 8 — медь:

— CuO: 79, 89% (Cu), что равно 3, 973 грамма меди на 1 грамм кислорода;

— Cu_2O:88, 82% (Cu), что равно 7, 945 грамма меди на 1 грамм кислорода.

Мы видим, что соотношение 3, 973/7, 945 приблизительно составляет 1:2. Рассмотрим другой пример с оксидами азота.

Соединение

Масса азота

Масса кислорода

N_2O

1, 00 г

0, 571 г

NO

1, 00 г

1, 14 г

NO_2

1, 00 г

2, 28 г

NO_4

1, 00 г

4, 57 г

Соотношение соединений

Соотношение массы

Пропорция

Самое маленькое

ΝO_4 : ΝO_2

4, 57:2, 28

2:1

2

Ν0_4 : NO

4, 57:1, 14

4:1

4

NO_4 : N_2O

4, 57:0, 571

8:1

8

NO_2 : NO

2, 28:1, 14

2:1

2

NO_2 : N_2O

2, 28:0, 571

4:1

4

NO : N_2O

1, 14:0, 571

2:1

2

NO_4 : NO_2 : NO : N_2O

4, 57:2, 28 : 1, 14:0, 571

8:4:2:1

2

Закон парциальных давлений Дальтона

Этот закон 1803 года невозможно было бы сформулировать проще: "Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь".

Этот закон обычно служит для расчета давления газа при взаимодействии с водой. Общее давление будет равно сумме давления газа и давления водяного пара при определенной температуре. Так, если давление равно 766, 7 мм ртутного столба, а температура — 27°С (что означает давление водяного пара, равное 26, 7 мм ртутного столба согласно известным таблицам), давление газа будет равно (766, 7-26, 7) = 740 мм ртутного столба.

В очередной раз Дальтон опирался на работы Ньютона.

С 1802 по 1805 год одно за другим следовали выступления, публикации, различные опыты и проверка уже полученных результатов. Прежде чем перейти к понятию атома в следующей главе, отметим, что в трудах 1802 года Дальтон использовал понятие "конечная частица", а не "атом". Он широко применял диаграммы, чтобы наглядно показать состав атмосферы, изображая разными символами известные ее элементы: кислород, азот, углекислый газ и водяной пар. В работах 1803 года Дальтон немного изменил свою теорию и объяснил отталкивание конечных частиц через атмосферное тепло. Лавуазье уже высказывал подобную мысль. Помня об этом, Дальтон стал изучать отталкивающую силу одних и тех же частиц. К понятию этой "особой" отталкивающей силы он добавил впоследствии понятие "особого веса". В день рождения ученого, 6 сентября 1803 года, в его лабораторной тетради появились заметки, имеющие историческую важность: он смог впервые составить таблицу атомной массы молекул и известных веществ — эти понятия в то время накладывались друг на друга. Атомная теория начала вырисовываться. Оставалось только окончательно сформулировать ее.

ГЛАВА 3

Атомная теория. От Древней Греции до Манчестера

Джон Дальтон смог опытным путем показать, что идеи античных философов объясняют привычные для нас явления. Нечасто бывает, что философская идея находит подтверждение в реальной жизни и разрастается до такого масштаба, что становится одной из основ современной науки.

Для историков науки формирование атомной теории Джона Дальтона представляет довольно сложную загадку. Мы не знаем точно, когда и почему Дальтон пришел к выводу об атомной структуре вещества. Для него конечные частицы были просто инструментом объяснения поведения смесей газов и жидкостей, растворимости и давления. Понятно, что у него были предшественники — даже во времена Древней Греции,— которые настаивали на идее существования атомов. И то, что лишь век спустя Эрнест Резерфорд экспериментально доказал существование атомов, ни в коей мере не отменяет заслуг Дальтона, который пошел гораздо дальше простого объяснения. Атомная теория в том виде, в котором сформулировал ее Дальтон, была способна объяснить практически все, что до ее появления оставалось непонятным. Поэтому велика вероятность, что она была сформулирована тогда же, когда и почти все ее постулаты.

Это был трудный путь, но Дальтон прошел его довольно быстро. Свои работы о газовых смесях он начал в сентябре 1801 года, понятие относительного веса появилось в сентябре 1803 года, а важнейший труд в двух томах, в котором английский ученый сформулировал свои идеи, — A new system of chemical philosophy ( "Новая система химической философии" ) — был опубликован в июне 1808 года. Книга содержит подробное описание опытов и результатов, представленных на нескольких рисунках на последних страницах. Как и дорогой Дальтону Исаак Ньютон в своей книге Principia mathematica (1687), ученый в одной работе подвел итог всех своих исканий и сделал завещание последователям.

Мое новое видение конечных частиц, или частиц тел, и их соединений перевернет химическую систему, и все сведется к очень простой науке.

Джон Дальтон (1807)

Ученые полагают, что в период между 1801 и 1808 годами Дальтон был больше озабочен распространением своих идей, а не систематизацией их в виде книги. Он постоянно выступал перед коллегами, вновь и вновь проводил эксперименты, уточнял значения и неустанно считал атомную массу вновь открытых элементов. Его атомная теория не рухнула: напротив, она приняла конкретные очертания, а некоторые ее недостатки вскоре были исправлены.

ГРЕЧЕСКИЕ ФИЛОСОФЫ

Но вернемся в прошлое. На протяжении веков человек задавался вопросом об устройстве материи, структура которой может объяснить окружающий мир. Первым задал себе этот вопрос греческий философ Демокрит Абдерский. Мы обычно представляем его себе как мудреца, сидящего на морском берегу и пропускающего песок сквозь пальцы. На самом деле Демокрит — один из крупнейших мыслителей досократовского времени (хотя он был современником великого Сократа). Небольшое количество весьма показательных работ Демокрита дошло до нас силами его учеников, самым знаменитым из которых был Эпикур из Самоса (341-270 до н.э.). Именно благодаря Демокриту, а также его учителю Левкиппу, о котором нам практически ничего неизвестно, мы располагаем первой атомной теорией мира. Им же мы обязаны созданием знаменитой атомистической школы. Как и любая философская теория, атомизм опирался на логические заключения, но не был никак подкреплен практически. И все же благодаря новой концепции природы и человека многие авторы считают Демокрита отцом современной науки. Это определение хоть и преувеличено, однако нельзя отрицать, что идеи Демокрита очень сильно повлияли на философов эпохи Просвещения (этот период в истории интеллектуальной и культурной мысли Европы назван так за провозглашенный "естественный свет разума" и выход из сумерек человечества). Кроме того, Демокрит отрицал существование Бога и считал материю вечной, именно поэтому его называют первым атеистом и материалистом (атомистом). По мнению Демокрита, изменения, происходящие с материей, имеют физическое, а не божественное или сверхъестественное объяснение. Он также утверждал, что восприятие основано на разуме, что это чисто физический и механический процесс, а мысль также является материей сложной структуры. По Демокриту, в материи нет места для божественного. Атомистическая теория представлена следующими постулатами:

— атомы неизменны и вечны;

— атомы неделимы (atome — "неделимый");

— атомы не подлежат уменьшению;

— атомы невидимы;

— атомы различаются только формой и размерами;

— атомы подобны друг другу, обладают одними и теми же свойствами;

— свойства вещества зависят от соединения атомов (порядок и положение).

Сходство взглядов Демокрита и Эпикура с теми, что предложил позднее Дальтон, поражает. По всей видимости, Эпикур включил в свое учение постулат о том, что атомы различаются не только по форме и размеру, но и по весу. Также атомы отделены друг от друга пустотой, что позволяет различать эти частицы и составлять тела, которые соединяются или разъединяются от столкновений между атомами. Хотя Демокрит толковал причинно-следственные связи с позиций детерминизма, его ученик Эпикур ввел в атомистическое учение понятие случая и таким образом смог определить понятие свободы. По Демокриту, вся природа объясняется через атомы как основополагающие частицы:

"Разум человека состоит из шарообразных, легких и гладких атомов, тела — из тяжелых атомов. Зрение и слух есть не что иное, как взаимодействие атомов вещи, которую мы воспринимаем, и наших собственных атомов".

Однако мы не можем считать атомистическое учение предтечей атомной теории, поскольку Демокрит опирался на логику и отвергал чувственный и эмпирический опыт, лежащий в основе научного рационализма. Для Демокрита существуют только два состояния: "бытие", воплощенное неделимыми атомами, и "небытие", то есть пустота, которая позволяет атомам иметь вес, форму и взаимодействовать. Это сочетание образовывает physis, саму природу.

Через много десятилетий после Демокрита греческая философская мысль ушла в сторону аристотелизма. Почти на протяжении двух тысяч лет учение Аристотеля доминировало в физике и изучении природы. Для него реальность есть то, что мы можем видеть, чувствовать, осязать, пробовать на вкус или слышать, то есть включает все явления, воспринимаемые органами чувств. Природа состоит из взаимодействия четырех стихий: воздуха, земли, воды и огня. Одно приводится в движение другим, а в основе всего этого лежит неподвижный вечный перводвигатель всего в мире, или Бог. Неудивительно, что великие христианские философы — главным образом святой Фома Аквинский — применили аристотелеву мысль с экклезиастической точки зрения, чтобы объяснить природные явления, и что науки вращались вокруг этого философского течения до эпохи Возрождения. Появление великих астрономов Николая Коперника, Галилея и Иоганна Кеплера определило переход от геоцентрической модели к гелиоцентрической, основываясь на анализе и наблюдении за небом, и это стало началом конца аристотелизма как философского течения, сдерживавшего развитие науки.

Четыре стихии Аристотеля являются основой всех соединений, или материи, и различные их сочетания определяют или изменяют свойства этих соединений (см. рисунок). В Средние века многие пытались найти идеальное сочетание, чтобы превратить одно вещество в другое. Это время поиска философского камня — вещества, способного трансформировать простые металлы, например железо или свинец, в золото. История алхимии банальна и длинна, и она не является предметом этой книги, разве что в качестве анекдота. Многие века короли, аристократы и простые люди не прекращали поиски этого несуществующего вещества.

Согласно концепции Аристотели, природа состоит из четырех элементов — воздуха, огни, земли и воды. Врачи, например Парацальс, утверждали, что болезни происходит от нарушении равновесии четырех главных состояний, снизанных с четыре ми качественными материи, — холодом, теплом, сухостью и влажностью.

РОБЕРТ БОЙЛЬ И СОВРЕМЕННЫЕ ХИМИКИ

Как мы уже говорили, в XVII веке ситуация изменилась. Великие астрономы опровергли представление о Земле как центре Вселенной и, соответственно, начали отрицать существование Бога и то, что человек создан по Его подобию, а химики перестали верить в четыре основополагающие стихии. Произошло это, в частности, благодаря работам ирландского химика Роберта Бойля. Он предположил, что все вещества состоят из крошечных частиц — элементов, — и выделил соединения, которые являются сочетанием двух или более элементов. При этом Бойль не переставал быть убежденным алхимиком. Главные критические замечания по поводу коллег-алхимиков сформулированы Бойлем в его знаменитой книге The Sceptical Chymist ("Химик- скептик", 1661), в которой он возражает всем, кто категорично утверждал, что Соль, Сульфур (сера) и Меркурий (ртуть) — три основные субстанции, присутствующие во всех вещах.

Исследования Бойля — важное звено в истории научной мысли, именно этого ученого справедливо называют первым химиком. Его понимание материи не ограничилось веществом, он предположил, что элементы, в свою очередь, состоят из крошечных одинаковых частиц.

У нас еще будет возможность поговорить о значении работ Роберта Бойля для Джона Дальтона в следующей главе, но прежде чем перейти к атомной теории Дальтона, скажем о двух других ученых. В первую очередь — о французе Лавуазье, который выделил из воды кислород и водород, а также другие вещества и дал точное определение понятию вещества: "то, что никаким образом нельзя разложить на более простые составляющие". Его закон сохранения вещества тоже имеет огромную важность: "При химических реакциях масса остается неизменной, то есть масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции" (1774).

Это означает, что во время химической реакции ничто не пропадает и не возникает из ничего. Если мы бросим полено в камин и сожжем его дотла, в процессе горения образуются газ и дым, а когда дерево исчезнет, элементы, из которых оно состоит, по-прежнему останутся, только их соединение будет иным. Ничто не пропадает, ничто не возникает из ничего, все трансформируется. После работ Лавуазье практически ничего не осталось от четырех стихий Аристотеля: вода разлагается на кислород и водород, воздух есть смесь газов, земля содержит бесконечное количество элементов, а огонь, наконец, не что иное, как продукт горения.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

Закон сохранения вещества — основополагающий закон, распространяющийся далеко за пределы чистой химии (за исключением ядерных реакций и закона, открытого Альбертом Эйнштейном о взаимосвязи массы и энергии, Е=тс^2). Его самая известная формулировка звучит следующим образом: "ничто не пропадает, ничто не возникает из ниоткуда, все трансформируется".

СН_4 + 2O_2 СO_2 + 2Н_2O + тепло.

С правой и с левой стороны мы видим одни и те же атомы — один атом углерода, четыре кислорода и четыре водорода, только в разном порядке и в разных соединениях. Таким образом, общая масса с обеих сторон будет одинаковой. В процессе экзотермической реакции с выделением теплоты или энергии произошел разрыв одних молекулярных связей и образование других. Закон сохранения вещества (или закон вечности вещества) был открыт независимо друг от друга Михаилом Ломоносовым (1711-1765) в 1745 году и Антуаном де Лавуазье в 1785 году. Ни тот, ни другой не использовали понятия атома — оно будет введено только Джоном Дальтоном, который превратит этот закон в один из основополагающих постулатов своей атомной теории.

Второй интересный ученый — француз Жозеф Пруст (1754-1826). Он открыл хорошо известный закон постоянства состава: "Соединение содержит всегда одни и те же элементы в одних и тех же пропорциях" (1779). Эти два закона — сохранения вещества и постоянства состава — наряду с законом кратных отношений Дальтона передают сущность понятия химического соединения и являются основой атомной теории Дальтона.

Некоторые утверждают, что ученый подошел к формулировке атомной теории в 1802 году. Закон кратных отношений, только что подтвержденный Дальтоном результатами опытов — очень неточных, — на самом деле вытекал из его еще не опубликованной атомной теории. Экспериментально закон был доказан несколькими годами позже.

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ

Понятие элемента появилось благодаря Лавуазье, который выделил более 30 химических элементов. Дальтон смог объяснить, что они отличаются друг от друга, так как различаются составляющие их атомы. Существует столько же разных атомов, сколько и разных элементов, и каждый имеет свою атомную массу. Сочетания атомов, образующие разные соединения, — понятие молекулы появится только через несколько лет — определены количественными весовыми законами, сформулированными Лавуазье, Прустом и Дальтоном.

Следующий этап заключался в разработке таблицы атомных масс. Дальтон взял за точку отсчета самый легкий элемент — водород — и присвоил ему значение единицы. Потом он присвоил вес другим элементам и соединениям через их соотношение с водородом. Так, вода состоит из водорода и кислорода. При разложении воды кислород весит в восемь раз больше, чем водород. Дальтон присвоил ему в своих первых таблицах номер 7. Однако веса элементов не являются целыми числами, кратными атомной массе водорода, и Дальтон допустил некоторые мелкие ошибки. Мы также помним, что истинная масса кислорода равна 16, поскольку его молекула двухатомная. Для исправления этой ошибки предстояло дождаться работ Гей- Люссака (1778-1850). При определении масс других соединений Дальтон использовал схожий принцип.

Как мы уже говорили в предыдущей главе, первые выводы ученый зафиксировал в своей тетради 6 сентября 1803 года. В той же записи можно увидеть произвольно выбранные Дальтоном обозначения атомов и атомных масс около 20 элементов и соединений.

Результаты были представлены в Lit & Phil через несколько недель, в октябре 1803 года. В своем выступлении Дальтон представил слушателям атомную массу 21 элемента и соединения. За этим последовал целый ряд выступлений, новых расчетов и опытов, которые привели к публикации в 1808 году A New System of Chemical Philosophy ("Новой системы химической философии"). Первая часть первого тома была напечатана в 1808 году, вторая — в 1810-м. Второй том вышел в свет в 1827 году, а обещанный третий так и не был написан.

Пришло время сформулировать основные постулаты атомной теории Дальтона.

1. Вещество состоит из атомов, которые соединяются благодаря силе тяготения. Дальтон продолжает думать, что теория Ньютона адекватно объясняет взаимодействие атомов.

2. Атомы неделимы. Дальтону принадлежит заслуга введения понятия атома, которое будет использоваться вплоть до появления ядерной физики и открытия электронов, протонов и нейтронов. Однако для химии его постулат до сих пор справедлив.

3. Атомы вечны и неизменны. Здесь Дальтон включает в свои постулаты закон сохранения вещества Лавуазье. После химической реакции мы обнаруживаем те же самые атомы, что и до реакции, но в других соединениях.

4. Все атомы одного элемента одинаковы по форме, размеру и массе. Дальтон определяет элемент так же, как и Лавуазье: это вещество, которое нельзя разделить на более простые части.

5. Атомы разных элементов имеют разную атомную массу. Атомная масса отличает один атом от другого, один элемент от другого.

6. Атомы различных элементов могут соединяться, образуя молекулы, но всегда в определенных соотношениях.

Как и химики его эпохи, Джон Дальтон порой путает понятия атома и молекулы, ведь природа соединения атомов еще не была ясна. Сегодня мы знаем, например, что двухатомные газы образуют молекулу из двух атомов. Дальтон также использует понятие сложной частицы, или двойного (тройного) атома. Молекулы — это простейшие составляющие определенного химического соединения. В этом постулате Дальтон предвосхищает закон постоянства состава Пруста.

7. Масса молекулы является суммой массы составляющих ее атомов. Этот принцип является отправной точкой всей атомной теории.

8. В различных соединениях массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как простые целые числа. В этом случае Дальтон применяет свой знаменитый закон кратных отношений.

9. Масса элемента во всех химических соединениях не меняется. Как только была установлена атомная масса, этот постулат не заставил себя долго ждать и позволил сделать некоторые косвенные выводы. Если два элемента, А к В, соединяются с третьим элементом С, можно вычислить количество составляющих. Это утверждение основывается на другом количественном законе того времени, известном как закон эквивалентных отношений Рихтера (1792).

10. Атомы соединяются по правилу наибольшей простоты, то есть образуют скорее двойные, нежели тройные, соединения, тройные, нежели четверные, и так далее. Правило наибольшей простоты Дальтона не всегда подтверждается, и это одна из немногих неточностей его теории.

11. Равные объемы газа при равных давлении и температуре не могут содержать одно и то же количество атомов или молекул. Этот постулат был ложным. Гей-Люссак и Амедео Авогадро сформулировали эмпирические законы, подтвержденные данными, полученными при измерении объемов. Дальтон не принял открытий Гей- Люссака, особенно его закон объемных отношений, опубликованный в 1808 году. Но мы к этому еще вернемся в следующей главе.

Как мы уже говорили, между выводами Дальтона на основании его опытов и публикацией его главного труда в 1808 году прошло некоторое время. В этом промежутке Дальтон не прекращал выступать и давать уроки. Он завоевал поддержку ученых и обзавелся серьезными оппонентами, преподавал в Шотландии: в университете Эдинбурга (о чем мечтал еще в юности), двери которого открылись для него благодаря посредничеству друга Уильяма Генри, а затем в Глазго. В преподавании Дальтон обращался к любимым темам: "Упругие флюиды, объясненные через неделимые частицы или атомы, наблюдаемые в атмосфере тепла"· или "Причины, по которым в химическом соединении элементов мы обычно — если не всегда — обнаруживаем атом каждого элемента". В соответствии с этим постулатом Дальтон дает нам несколько примеров:

— вода: 1 атом кислорода и 1 атом водорода;

— аммиак: 1 атом азота и 1 атом водорода;

— окись азота: 1 атом азота и 1 атом кислорода;

— азотная кислота: 1 атом азота и 2 атома кислорода;

— окись углерода: 1 атом углерода и 1 атом кислорода;

— угольная кислота: 1 атом углерода и 2 атома кислорода;

— маслообразующий газ этилен: 1 атом углерода и 1 атом водорода;

— углеродный водород (метан): 1 атом углерода и 2 атома водорода.

ПРИНЯТИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

В марте 1807 года Джон Дальтон счел достаточной научную поддержку, которую получили его идеи. Значительную роль в этом сыграли хвалебные статьи, написанные двумя самыми крупными химиками того времени — Томсоном и Волластоном. Томас Томсон (1773-1852) был эрудитом, систематизировавшим в 1802 году все знания своих современников в знаменитом труде System of Chemistry ("Химическая система*), а очень богатый Уильям Волластон (1766-1828) был обязан своим состоянием изобретению способа выделения платины, которую испанец Антонио де Ульоа открыл в Эквадоре в 1735 году.

СЭР ГЕМФРИ ДЭВИ

Сэр Гемфри Дэви (1778-1829) происходил из благородной, но разорившейся британской семьи. С детства он демонстрировал одаренность и выдающуюся память — с этим связано множество историй, например о том, какой эффект производили на ровесников способности Дэви к счету. Он всю жизнь оставался прекрасным рассказчиком, который просто завораживал слушателей. В юности Дэви писал талантливую прозу и стихи, но в итоге оставил литературу и посвятил себя науке. Он очень быстро проявил интерес к электрохимии (электрохимическая коррозия) и пневматике. С 1798 года Дэви работал в Пневматическом институте, который изучал влияние газов и воздуха на здоровье человека. Членом этого института также был Джеймс Уатт, изобретатель паровой машины. Из успехов Дэви упомянем использование в терапевтических целях закиси азота, известной сегодня как веселящий газ.

Королевский институт

В 1799 году граф Румфорд основал Королевский институт, в котором сначала Томас Гарнетт, а затем Дэви давали уроки химии. При помощи вольтова столба Дэви удалось выделить и открыть новые элементы: натрий, калий, кальций, магний, бор и барий, а также различные соединения. Дэви получил известность, выступая по всей Европе (Италия, Германия, Франция и Греция), а еще более знаменитым его сделало изобретение безопасной рудничной лампы для шахтеров. Ученый был удостоен титула баронета — ранг между бароном и рыцарем (рыцарский титул был пожалован лишь Фрэнсису Бэкону и Исааку Ньютону). К концу жизни Дэви стал крайне раздражительным и непредсказуемым и огульно обвинил своего гениального лаборанта Майкла Фарадея в присвоении его открытий в области электромагнетизма. Джону Дальтону, несмотря на их взаимную дружбу с ученым, тоже не удалось избежать критики. Дэви умер в Швейцарии в возрасте 50 лет, прожив бурную и богатую событиями жизнь.

Также опыты позволили Волластону открыть палладий (1803) и родий (1804). Ученый обратился к электрохимии и улучшил лампу итальянца Алессандро Вольты (1745-1827). Известно, что у него были серьезные разногласия с Майклом Фарадеем (1791-1867), лаборантом знаменитого сэра Гемфри Дэви, только что открывшим электромагнитную индукцию.

По мнению некоторых авторов, роль Дэви в распространении атомной теории Дальтона достаточно противоречива. Нет никаких сомнений, что, учитывая огромный авторитет Дэви среди современников, его отрицательный отзыв о новой теории мог стать катастрофой. Внимательный читатель помнит, какое влияние оказали на Джона Дальтона уроки химии Томаса Гарнетта в Манчестере. В то время Гарнетт был профессором натурфилософии в Королевском институте, недавно открытом в Лондоне под покровительством Бенджамина Томпсона. На посту директора его затем сменил Дэви. Восприняв дух этого филантропического учреждения, Дэви сделал научные лекции доступными сначала для состоятельных граждан, а затем и для более простых слоев. С самого знакомства Дальтон слышал от Дэви лишь похвалы: "Этот молодой человек очень умен и приятен".

Видимо, сэр Гемфри Дэви помог подготовить то выступление 1803 года в Lit & Phil, на котором Дальтон изложил свою атомную теорию. Отношения между двумя учеными сохранились на всю жизнь, и не случайно Дальтон вторую часть своего труда посвятил не только своему другу Уильяму Генри, но и эксцентричному Дэви.

Главным противником Дальтона был Клод Луи Бертолле (1748-1822), для которого новые выкладки и теории о газовых смесях были не больше чем "игрой воображения". Как мы увидим в следующей главе, французский ученый в соответствии с идеями Ньютона разработал теорию химического сродства. Также он был наставником и учителем Луи-Жозефа Гей-Люссака. Несомненно, заслугой Бертолле является определение главного слабого места атомной теории, так что несправедливо говорить о нем как о противнике Дальтона. Более того, когда Дальтон приехал во Францию, чтобы познакомиться с главными учеными страны — Бертолле и Гей-Люссаком, его приняли со всеми почестями.

Труд "Новая система химической философии" был опубликован в двух томах, первый состоял из двух частей. Первая часть первого тома появилась в 1808 году. Джон Дальтон посвятил работу профессорам и сотрудникам шотландских университетов Эдинбурга и Глазго, которые всегда оказывали ему теплый прием и вдохновляли его в научных изысканиях. В посвящении также упоминались члены Lit & Phil, поддерживавшие исследования Дальтона.

Первая часть, в свою очередь, делится на три главы. Первая посвящена теплу, вторая — строению тел, третья — химическому синтезу. Текст сопровождают четыре таблицы в конце книги. Самой известной является четвертая таблица, в которой Джон Дальтон привел произвольные обозначения выделенных им элементов. На первом месте 20 простых элементов, и здесь допущена лишь одна ошибка: окись кальция (известь, или негашеная известь, по-английски lime), формула которой — СаО. Она занимает восьмое место, и ее атомная масса равна 24.

Четвертая таблица, опубликованная впервой части первого тома "Новой системы химической философии" Дальтона, в которой он указывает атомную массу и произвольные обозначения выделенных им элементов.

Седьмая таблица второй части первого тома, на которой изображен вид в профиль соединений упругих флюидов.

Бронзовая статуя Дальтона на улице Честер в Манчестере.

номер

элемент

масса

номер

элемент

масса

1

водород

1

11

стронций

46

2

азот

5

12

барий

68

3

углерод

5, 4

13

железо

38

4

кислород

7

14

цинк

56

5

фосфор

9

15

медь

56

6

сера

13

16

свинец

95

7

магний

20

17

серебро

100

8

известь

24

18

платина

100

9

натрий

28

19

золото

140

10

калий

42

20

ртуть

167

В той же таблице Дальтон выделил пять двойных соединений (номера 21-25): вода, аммиак, азотная кислота, этилен, окись углерода; четыре тройных соединения (номера 26-29): закись азота, азотная кислота и углеродный водород (метан); четыре четверных соединения (номера 30-33): кислородноазотная кислота, серная кислота, сероводород и спирт; одно пятерное соединение (азотистая кислота), одно шестерное (уксусная кислота) и два семерных (нитрат аммония и сахар).

Вторая часть первого тома увидела свет в ноябре 1810 года, она была посвящена сэру Гемфри Дэви (профессору химии Королевского института) и Уильяму Генри (в то время вице-президенту Lit & Phil). Дальтон добавил две новые главы: четвертая описывала простые вещества, а пятая — соединения двух элементов по правилу наибольшей простоты. В этой второй части тоже мало таблиц, в основном в ней даны подробные описания собственных опытов автора. В пятой таблице приведены те же обозначения, что и в предыдущей, четвертой, но она исправлена и дополнена. Опыты позволили Дальтону выделить 36 элементов и 24 соединения. Никель, олово, висмут, сурьма, мышьяк, кобальт, марганец, уран, вольфрам, титан, церий, alumina (алюминий?), silex (кремний?), иттрий, бериллий и цирконий собраны в первой группе. В шестой таблице, представляющей собой что-то вроде продолжения пятой, появляются обозначения 27 соединений. Седьмая таблица изображает вид частиц, составляющих упругие флюиды (газы), а также частицы азота и водорода с их тепловой атмосферой. Наконец, в восьмой таблице Дальтон представил атомы 16 упругих флюидов (газов).

В 1827 году ученый опубликовал второй том с описанием своих опытов по расчету атомной массы веществ. Удивительно, насколько точны полученные им результаты, несмотря на очевидную сложность исследований.

ГЛАВА 4

Рождение современной химии

Позабыть об алхимии было нелегко. Причиной тому были извечное стремление человека к богатству и соблазнительная возможность превращения материи. Даже великий Исаак Ньютон попал под чары алхимии. Однако постепенно, начиная с Роберта Бойля и заканчивая Антуаном Лавуазье, шел процесс упорядочивания элементов природы, одного за другим, опыт за опытом, и по мере того как секреты окружающего мира раскрывались, наука погружалась все глубже и глубже — до самого крошечного элемента, атома.

Бил Брайсон не без иронии написал, что если требуется определить момент, когда химия стала серьезной, уважаемой наукой, то нужно вернуться ко дню публикации в 1661 году книги Роберта Бойля "Химик-скептик*. До этого химия была лишь лихорадочной суетой в погоне за химерами. Некоторые даже в XVII веке утверждали, что смесь определенных элементов в определенных пропорциях может сделать человека невидимым. Знаменитый немецкий медик, алхимик, эрудит и искатель приключений Иоганн Бехер (1635-1682) был из числа таких фантазеров. Более того, он мог бы считаться одним из создателей теории флогистона, о которой мы уже упоминали. Бехер говорил, что когда потребляется одно вещество, высвобождается другое — terra pinguis. Эту теорию, согласно которой некая огненная субстанция наполняет все горючие вещества и высвобождается из них при горении, разделял другой немецкий физик, Георг Шталь (1659-1735).

Мы уже объясняли, что теория флогистона, как и другие необоснованные представления, была опровергнута Лавуазье и Ломоносовым. Но алхимия оставалась слишком соблазнительной, чтобы о ней быстро позабыли. В основе научных экспериментов все еще лежали вечные стихии Аристотеля. Прежде чем окончательно исчезнуть в самом необратимом смысле в 1682 году, Бехер вызвался объяснить классическую теорию. Для него земля и вода были основными элементами, в то время как железо и огонь появлялись при реакциях. Он предложил проанализировать основные элементы и классифицировать их согласно свойствам, что было неплохой идеей. Так Бехер выделил три типа земли, из которых главной была "горючая земля" — как он называл серу. В свою очередь, его соотечественник Шталь утверждал, что металлы состоят из извести и флогистона, последний выделяется при горении в виде огня, а в виде остатка мы получаем соль. Эта соль подтверждается ржавчиной, появляющейся на прокаленных металлах, и пеплом — в других случаях. И наоборот, если добавить ржавчину к углю, крайне богатому флогистоном, можно получить металл.

Нет ничего опаснее для человеческого разума, чем полагать, что наши научные идеи окончательны, что в природе нет загадок и новых миров для завоевания.

Сэр Гемфри Дэви

Мы уже упоминали о природе горения, когда говорили об английских предшественниках Дальтона, главным образом о Джозефе Блэке и Джозефе Пристли, которые открыли кислород (это имя дал веществу Лавуазье) и были приверженцами теории флогистона. Дальтон принялся за изучение их трудов.

НОВОЕ ПОЯВЛЕНИЕ АТОМИЗМА

Возвращаясь к истокам химии и атомизма, вспомним немецкого медика Даниеля Зеннерта (1572-1637), который был, возможно, первым атомистом эпохи Возрождения. Зеннерт вернул алхимии некоторые идеи Демокрита и Эпикура, не впадая в аристотелевскую ортодоксальность. Главная его идея была в том, что четыре изначальные стихии состоят из разных атомов, и таким образом существует четыре рода атомов. Соединяясь и меняя порядок, они образуют разные вещества, сохраняя при этом свою сущность. Идеи Зеннерта ценны тем, что знаменуют собой переход от идей Гебера — анонимного алхимика XIII века (возможно, им был Поль де Таранто), который предположил, что все металлы являются смесью серы и частиц ртути, — к идеям Роберта Бойля, который наряду с великими философами Рене Декартом и Джоном Локком является основателем корпускулярной теории. Эта теория похожа на атомизм — с той лишь разницей, что в ее рамках атомы, или частицы, считаются делимыми. Так, ртуть — главный элемент для алхимии — можно ввести в металл, тем самым изменить его внутреннюю структуру и в определенный момент превратить в золото. Надо только не сдаваться и не оставлять попыток.

Понятие атома Демокрита и Эпикура использовал в XVII веке в наиболее близком его понимании к сегодняшнему француз Пьер Гассенди (1592-1655), убежденный в существовании пустоты. Кстати, это существование было наглядно доказано его современником Торричелли, который заполнил трубку ртутью, перевернул ее и опустил в чашку с той же ртутью. Воздух не мог войти в трубку над ртутью — там образовалась пустота. Гассенди не считал теорию Аристотеля, согласно которой "природа боится пустоты*, безупречной. Более того, он возражал Аристотелю и в области схоластики, так как считал, что знаменитые силлогизмы ни к чему не пригодны. Главную проблему для Гассенди представляла Инквизиция, которая уже расправилась с великим Галилеем за то, что его идеи противоречили учению Аристотеля. Гассенди улучшил телескоп, поскольку также был прекрасным астрономом и математиком, а не только... католическим священником. Если, как предположил Эпикур, наряду с атомами существует пустота, значит открылся путь для учения об атомах. Желая избежать конфликтов с Церковью и собственной совестью, Гассенди допустил, что Бог создал Вселенную (Демокрит этого не признавал) и, соответственно, Он является перводвигателем (идея Аристотеля), приводящим атомы в движение. Тепло образуют круглые атомы, а холод — атомы неправильной формы, и это свойство подтверждается ощущениями. Чтобы образовать тела, атомы соединяются по типу крючка. Эти соединения впервые получили название молекулы и использовались для объяснения химических реакций.

При применении в области химии теория Аристотеля начала разваливаться — как это уже произошло в области астрономии. Способствовало такому эффекту появление соответствующих оптических инструментов и микроскопов. Изобретенные в 1590-1610 годах, они позволяли наблюдать дискретность материи. Но прежде чем вернуться к уже упоминавшемуся Бойлю, скажем несколько слов об англичанине Уолтере Чарльтоне (1619-1707), который познакомил соотечественников с атомистическим учением Демокрита и Эпикура в изложении Пьера Гассенди. Чарльтон был ни много ни мало врачом Карла I Английского. Но врачебная практика не помешала его исследовательской деятельности, и в 1659 году он опубликовал труд Physiologia Epicurogassendo-ChaHetoniana or a Fabrick of Science Natural upon the Hypothesis of Atoms ( "Эпи - куро-гассендиано-чарлътонская физиология, или Фабрика естественной науки, основанной на атомной гипотезе"). Работа описывала мир согласно атомистической теории, которая не соответствовала представлениям Рене Декарта, утверждавшего, что материя делится до бесконечности. Конечно, Декарт был гением, но понять абсолютно все не дано никому.

НЕЗАВИСИМАЯ НАУКА

Начиная с Роберта Бойля химия стала независимой наукой, изучающей состав веществ, а не дополнительным инструментом физиков и алхимиков. Бойль в течение жизни проделал огромную работу. Особая его заслуга состоит в том, что он ввел строгие научные методы в экспериментальную деятельность. Ученый утверждал, что если можно извлекать пользу из опыта, то из него можно делать собственные выводы и заключения. Опыты не должны опираться на предрассудки или следовать одной из двух систем — атомной дискретности либо декартовой непрерывности, — поскольку материю следует изучать объективно.

РОБЕРТ БОЙЛЬ

Ирландец Роберт Бойль (1627-1691) был седьмым ребенком из 14 детей, которых его отец имел от двух жен.

В многодетных семьях было принято отдавать детей на воспитание, поэтому он рос в чужой семье и знал в равной степени английский и ирландский языки. Бойль много путешествовал по Европе со своими наставниками, особенно по Италии и Франции. Там он познакомился с учением Галилея.

По возвращении в Англию Бойль учился в Оксфорде, где начал исследовать газы и сконструировал вместе с Робертом Гуком (1635-1703) пневматическую машину. В1645 году в целях "развития естественной науки" он учредил Лондонское Королевское общество, хотя это название было принято лишь в 1662 году. А до этих пор Королевское общество было просто собранием ученых в Лондоне, которое Бойль называл Невидимым колледжем. Среди изобретений, с высокой долей вероятности приписываемых Бойлю,— эликсир жизни, искусство летать, вечный свет и лодка, управляемая всеми ветрами. Многие из этих идей по прошествии времени стали реальностью. Бойль не отрекся от своих алхимических представлений и не переставал верить в превращение металлов. Знаменит он также теологическими работами. К концу жизни ученого разбил паралич, и он превратился в настоящего затворника.

Закон Бойля

В 1662 году Бойль опубликовал знаменитый закон: при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно, то есть PV=C. Этот закон обычно называют законом Бойля — Мариотта, потому что примерно в то же время независимо от Бойля его открыл француз Эдм Мариотт (1620-1684). В 1898 году Людвиг Больцман сформулировал свою молекулярно-кинетическую теорию и обобщил уравнение PV=nRT, в котором n — количество молекул, r — отношение постоянных Больцмана и Авогадро, а T — температура системы.

Экспериментальные доказательства привели Бойля к двум главным выводам. Первый состоит в том, что четыре стихии Аристотеля не являются ни элементами, ни стихиями. Второй доказывает ошибочность представлений всех, кто следовал принципам алхимии — главным образом под влиянием Парацельса, крайне противоречивого швейцарского алхимика и медика, который отвергал классическую, или галеническую, медицину и заменял ее медициной, основанной на алхимии, металлах и астрономии. Сторонники этой точки зрения считали, что основными элементами любых соединений являются ртуть, сера и соль, и им было посвящено немало насмешливых замечаний в знаменитой книге Бойля "Химик-скептик" (1661).

Важно значение опытов, а не их количество, именно значение следует принимать во внимание.

Исаак Ньютон

Помимо знаменитого закона Бойля, его главный научный вклад состоит в определении составляющих элементов материи, но это определение далеко от позабытой теории Аристотеля. Бойль предположил, что элементов больше, чем четыре. Кстати, он точно определил некоторые соединения, используя новейшие экспериментальные техники, и это ознаменовало начало химического анализа. Наконец, Бойль предположил, что эти элементы состоят из маленьких твердых и неделимых частиц, которые при химических реакциях всегда ведут себя одинаково. Но он не имел в виду атомы: напротив, Бойль различал бесконечно маленькие "невидимые" частицы, которые, соединяясь, образуют "частицы второго порядка", более крупные и уже видимые, которые и есть истинные составляющие элементов. Эти вторые частицы заставляют думать о молекулах, предложенных несколькими годами ранее Гассенди. Двое ученых расходились во мнении по поводу первопричины движения частиц. По мнению Гассенди, это движение было обусловлено божественным происхождением материи, тогда как Бойль искал внешние причины.

Скажем также несколько слов о великом Исааке Ньютоне (1642-1727). Отец теории всемирного тяготения интересовался и атомизмом. В своей книге De natura acidorum (*0 природе кислот", 1710) он классифицировал частицы по их сложности и — это особенно важно для следующих поколений ученых — предположил, что эти конечные частицы взаимно притягиваются в соответствии с законом всемирного тяготения. Открытие силы тяготения положило конец идеям о порах, остриях и крючках, как это представлялось Пьеру Гассенди и другим.

Уже упоминавшийся в этой книге голландский врач Герман Бургаве, любимый автор Джона Дальтона, также был современником Исаака Ньютона. Бургаве полагал, что атомы имеют тенденцию соединяться, но этому соединению мешает тепло, которое и является причиной постоянного движения атомов. Михаил Ломоносов, имя которого всегда упоминается рядом с именем Лавуазье в качестве второго автора закона сохранения вещества, представлял материю как объединение неуловимых частиц, содержащихся в других, более сложных частицах. Главная заслуга Ньютона состоит в том, что он пересмотрел термины Бойля, назвав элементы атомами, частицы — молекулами, а химический элемент — простым телом. Эти определения использовала французская школа, особенно Жозеф-Луи Пруст (автор закона постоянства состава, о котором мы уже говорили), Клод Луи Бертолле, главный научный противник Пруста, и позже — Джон Дальтон. Бертолле был одним из консультантов Наполеона Бонапарта — он входил в группу ученых, сопровождавших Наполеона в Египетском походе в 1798 году. Бертолле считал, что между частицами существуют силы притяжения, именно этим и обусловлены их реакции. Он утверждал, что эти силы зависят не только от температуры, давления и концентрации, но также от их сродства, как он это называл. Бертолле открыл, что на результат реакций могут влиять атмосферные факторы, и значит, каждое соединение может иметь более одной химической формулы. Именно это утверждение он противопоставлял сначала взглядам Пруста, а позднее и Дальтона.

Как и все химики французской школы, Бертолле испытал влияние великого Антуана Лорана де Лавуазье. В свою очередь, он повлиял на своего блестящего ученика Луи Жозефа Гей-Люссака, который в итоге исправил некоторые ошибки учителя. Бертолле сыграл определенную роль и в становлении Дальтона, однако больше всего повлиял на работы героя нашей книги Антуан Лоран де Лавуазье. Этот человек по достоинству считается первым современным химиком (в отличие от Роберта Бойля, которого называют просто первым химиком), а перипетии его жизни и его научные открытия достойны стать темой отдельной книги. Отец Лавуазье купил дворянский титул; сам Лавуазье последовал примеру отца и вступил в генеральный откуп, общество финансистов Ferme generale, которое собирало налоги от имени государства со всех бедных и освобождало от уплаты богатых. Разумеется, работа откупщиком не принесла Лавуазье популярности, однако позволила ему разбогатеть. Для Лавуазье его благосостояние означало только одно — возможность посвятить свободные часы химии. Он женился на 14-летней Анн-Мари Пьеретте Польз — девушке из своего социального круга, которая была столь же умна, сколь и очаровательна. Если Лавуазье считается отцом современной химии, то его юная жена — ее матерью. Молодые супруги проводили в лаборатории как минимум пять часов в день, а также все воскресенья (их особый счастливый день). Они получили огромное количество важных результатов, касающихся изучения воздуха как смеси газов, определения состава воды, исследований процессов дыхания, горения и окисления, а также, разумеется, установления весовых соотношений веществ, вступающих в реакцию, — знаменитый закон сохранения массы. Лавуазье разработал новую химическую номенклатуру, или систему нумерации, которая легла в основу современной. Известно, что Клод Луи Бертолле принял ее почти сразу.

Я рассматриваю природу как огромную химическую лабораторию, в которой происходят всевозможные соединения и разложения.

Антуан де Лавуазье

Несмотря на то что работа супругов Лавуазье сыграла огромную роль в истории химии, остаются два необъяснимых вопроса. Лавуазье в своем знаменитом " Элементарном трактате по химии* 1789 года дал определение элемента как простого вещества, неделимого в результате химической реакции, и привел более 30 простых веществ, но сам он так и не открыл ни одного. С участием Карла Вильгельма Шееле (1742-1786) был выявлен кислород, также этот ученый открыл барий, хлор, магний, молибден, фтор и вольфрам. Позднее Гемфри Дэви, используя электролиз, существенно расширил этот список. В годы жизни Лавуазье еще не были открыты по крайней мере две трети элементов, а его лаборатория была лучшей в Европе. Но больше всего нас интересует, почему Лавуазье не придавал никакой важности составу материи. Его совершенно не интересовали атомы, и он держался на расстоянии от физических и философских гипотез, существовавших лишь как теория. Лавуазье интересовали только элементы, составляющие вещества, которые можно было выделить в его лаборатории. Можно утверждать, что деятельность Лавуазье лежала в области экспериментальной химии.

Прежде чем завершить рассказ о предшественниках Джона Дальтона, необходимо упомянуть о немце Иеремии Вениамине Рихтере (1762-1807). Мы уже говорили о его законе эквивалентных отношений, крайне важном для атомной теории Дальтона. Рихтер ввел понятие эквивалентной массы, которая, в отличие от атомной массы Дальтона, имеет и измерение, и единицы измерения — граммы. Кроме того, он сформулировал закон — "Вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах" — и тем самым ввел понятие стехиометрии, или соотношения между количеством реагирующих веществ. Стехиометрические законы известны также как количественные. Помимо химии, Рихтер питал страсть к математике.

В заключение представим довольно скандальную фигуру в истории атомистической теории — ирландца Уильяма Хиггинса (1763-1825), который унаследовал от своего дяди Брайана и отца Джона, профессора университета Эдинбурга, не только состояние, но и страсть к химии. В Лондоне Хиггинс опубликовал вместе с дядей сочинение Comparative View of Phlogistic and Antiphlogistic Theories ("Сравнительное изучение флогистических и антифлогистических теорий", 1789), которое позже многие сравнивали с атомной теорией Дальтона, опубликованной 19 годами позже. В этом сочинении также речь идет о конечных частицах. Хиггинс придумал диаграммы с символами (очень похожими на современные и абсолютно непохожими на символы Дальтона), чтобы показать, как взаимодействуют частицы и каким образом их соединяют "силы тяготения". В качестве символа атома он использовал начальные буквы элементов и связал эти буквы черточками, изображающими связи.

НЕКОТОРЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

— Атом — простейшая частица вещества, или самая маленькая опознаваемая частица химического элемента. Состоит из центрального плотного ядра, окружен облаком отрицательно заряженных электронов.

— Химический элемент — чистое химическое вещество, образованное одним видом атомов с одинаковым атомным номером.

— Атомный номер — количество протонов в атомном ядре.

— Массовое число — количество протонов и нейтронов в атомном ядре. Всегда целое число. Например, магний-24 состоит из 12 протонов и 12 нейтронов.

— Изотопы — химические элементы, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Например, атом углерода может быть 12, 13, 14, у всех этих элементов 6 протонов, но, соответственно, 6, 7 и 8 нейтронов.

— Атомная единица массы (дальтон, а.е.м.) — стандартная единица для обозначения массы атома в молекулярной шкале. Атомная единица массы представляет собой 1/12 массы атома углерода и равна 1, 660538921 х10-27 кг.

— Относительная атомная масса, или атомный вес, — среднее значение атомных масс всех существующих в природе изотопов данного химического элемента в отношении к атомной единице массы. Не должна быть целым числом.

— Молекула — группа атомов, заряженных нейтрально, которые соединяются благодаря ковалентным связям.

— Ион — атом или молекула, общее число электронов которого отличается от числа протонов ядра (может быть положительным или отрицательным в зависимости оттого, потерян или присоединен электрон).

— Моль, или грамм-молекула, — химическая единица количества вещества, которое содержат элементарные единицы (атомы, молекулы или ионы). Соотносится с количеством атомов 12 граммов углерода-12: 1 моль = 6, 02214129 х 10^23 элементарных единиц, соответственно 1 моль воды содержит 6, 02214129χ 10^23 молекул воды.

— Постоянная Авогадро — количество элементарных частиц (атомов, молекул или ионов), содержащихся в одном моле; по существу, количество атомов углерода, содержащихся в 12 граммах углерода-12 (= 6, 02214129 χ 10^23).

— Молярная масса (М) — отношение массы вещества к количеству молей данного вещества, измеряется в кг/моль или г/моль. Например: М(Н_2О) = 18 г/моль.

— Объем одного моля идеального газа: при нормальных условиях (то есть при температуре О °С и атмосферном давлении, равном 1 атм.) один моль идеального газа занимает 22, 4 литра.

Полемика разразилась после огромного успеха книги Дальтона. Как и стоило ожидать, Хиггинс обвинил его в плагиате, утверждая, что Дальтон воспользовался его сочинением. Однако ирландский химик ни слова не говорил об атомной массе (а она лежит в основе атомной теории Дальтона), поэтому его упреки не имели под собой оснований. Кроме того, доказано, что Дальтон ничего не слышал об этом произведении и не знал самого Хиггинса. Дальтона никогда не беспокоили эти обвинения. Удивительно, но единственным человеком, поддержавшим Хиггинса, был Гемфри Дэви, однако и он после прочтения блестящего труда скромного квакера был вынужден сдаться.

ПОЯВЛЕНИЕ ДАЛЬТОНА И ЕГО АТОМНОЙ ТЕОРИИ

Публикация одного за другим двух томов "Новой системы химической философии" ознаменовала поворот в химии. Еще до появления первой части первого тома (напомним, что это произошло в 1808 году) многочисленные выступления английского ученого, посвященные этой теории, возбудили интерес его коллег. Эрудит Томас Томсон добавил к третьему изданию своей "Химической системы" статью, целиком посвященную новой атомной гипотезе, предложенной Дальтоном. В 1807 году он писал по этому поводу:

"Если гипотеза (Дальтона) верна, она может дать химии очень точный метод для расчета относительной плотности атомов, составляющих соединения".

Восхищение Томсона атомной теорией росло по мере публикации огромного труда, собравшего все знания в области химии. Томсон посвятил Дальтону множество статей, в которых изложил и собственные идеи: он заменил водород в качестве точки отсчета атомной массы на кислород, считая это вещество более важным, особенно для процесса горения. Также Томсон выступал главным защитником автора в первые годы после публикации * Новой системы химической философии". Удивительно, но близкий друг Дальтона Уильям Генри, а также сэр Гемфри Дэви, которым Дальтон посвятил вторую часть первого тома, не сразу приняли его идеи. Несмотря на большое уважение, которое Уильям Хайд Волластон испытывал к Дальтону, в собственных исследованиях он продолжал использовать эквивалентные веса элементов (в русле идей Рихтера и стехиометрии), а не относительную атомную массу Дальтона. Он говорил, что эквивалентные веса имеют аналитическую ценность — граммы, которые можно применить практически, тогда как масса атомов — по сути, плод гипотезы.

Джон Дальтон продолжал свою работу в лаборатории на втором этаже Lit & Phil до самой смерти, которая произошла спустя много лет. Ученый был членом редакционного комитета, секретарем, вице-президентом и, наконец, президентом Lit & Phil Манчестера с 1817 года и до конца своих дней, до 1844 года, то есть в течение 27 лет. Разумеется, Lit & Phil было не единственным научным обществом в то время. Наибольшим авторитетом пользовалось Лондонское Королевское общество. Несмотря на усердия Дэви, который предложил принять в это общество Дальтона еще в 1810 году, сам Дальтон совершенно не стремился стать частью лондонской научной элиты. Однако к 1822 году его авторитет достиг такого уровня, что он был принят в Лондонское Королевское общество, не подавая прошения, что противоречило правилам. Дальтон критически относился к слабым попыткам этого института популяризировать науку. Только в 1834 году — когда общественное признание ученого было более чем заметным — он согласился на формальный пост в Лондонском Королевском обществе.

Сдержанное отношение Дальтона к самому знаменитому британскому научному учреждению не помешало ему стать членом других институтов, более соответствующих его взглядам на науку. В 1816 году, спустя несколько лет после публикации первого тома его главной книги, Дальтон согласился стать членом Французской академии наук. В 1822 году он первый и последний раз побывал во Франции, и эта исключительная поездка позволила ему познакомиться с цветом французской науки: со знаменитым математиком и астрономом Пьером Симоном Лапласом (1749-1827), натуралистом Жоржем Кювье (1769-1832) и физиком Андре-Мари Ампером (1775-1836), который вместе с французом Араго открыл электромагнит и в 1827 году сформулировал теорию электромагнетизма. Также Дальтон повстречался со своими научными оппонентами — и одновременно почитателями и друзьями — Клодом Луи Бертолле и его учеником Жозефом-Луи Гей-Люссаком, который в качестве президента Академии наук оказал самый радушный прием британскому коллеге. Через несколько лет, в 1830 году, после смерти сэра Гемфри Дэви, Дальтон унаследовал его титул почетного иностранного члена Академии.

ЛИТЕРАТУРНО-ФИЛОСОФСКОЕ ОБЩЕСТВО МАНЧЕСТЕРА

The Manchester Literary and Philosophical Society — один из первых британских институтов, роль которых заключалась в популяризации науки и гуманитарных исследований, померкших в тени промышленной революции. Общество было основано в 1781 году, в его стенах работали самые крупные ученые, инженеры, физики и математики того времени. Оно даже составляло конкуренцию Лондонскому Королевскому обществу. Самым блестящим его членом был Джон Дальтон, однако в общество входили и другие видные ученые, такие как Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), в честь которого названа единица измерения энергии и которому мы обязаны открытием эффекта Джоуля, то есть выделения тепла при прохождении электрического тока; химик Генри Роско (1833-1915) и новозеландец Эрнест Резерфорд, который во многом опирался на открытия Джона Дальтона. Здание общества было разрушено немецкими бомбежками во время Второй мировой войны: и в роковой день 24 декабря 1940 года все рукописи Джона Дальтона были утрачены. Впоследствии здание было восстановлено.

Логотип Литературно-философского общества Манчестера.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ ДАЛЬТОНА

Прежде чем углубиться в то, как повлияла теория Дальтона на его французских коллег — и не только французских,— скажем несколько слов о последних годах жизни ученого. Его авторитет рос, в 1832 году он стал почетным доктором Оксфорда, хотя раньше этот университет был для него закрыт. Начиная с этого времени Дальтон целиком и полностью посвятил себя развитию науки в Британской Ассоциации, основанной в Йорке именно с этой целью. Он много чем занимался и входил в состав различных комитетов в области химии, минералогии, магнетизма и электричества, которое изучал с огромным интересом, особенно с появлением электролиза.

В 1833 году британское правительство назначило ученому пожизненную пенсию. В следующем, 1834 году он удостоился звания почетного доктора — на этот раз в области права — Университета Эдинбурга, который тоже раньше был закрыт для него, хоть и по другим причинам, нежели Оксфорд и Кембридж.

В апреле 1837 года у Дальтона случился первый инфаркт, в результате его парализовало, и ученый превратился практически в инвалида. Около года он не мог говорить. К концу жизни Дальтон практически перестал участвовать в жизни Манчестера, ограничил свою деятельность в Lit & Phil и общался с небольшим кругом друзей, с которыми встречался только на собраниях квакеров — их убеждения Дальтон разделял до последней минуты. Второй инфаркт 27 июля 1844 года унес его жизнь. Прощание с Дальтоном в зале мэрии Манчестера длилось четыре дня, последние почести ему отдали более 40 тысяч человек, а в день похорон все торговые точки и конторы в знак траура были закрыты.

Дальтон оставил после себя значительное наследство. Несмотря на репутацию скромного и даже чрезвычайно бедного человека, его лаборатория в Lit & Phil была оснащена очень ценными инструментами и оборудованием. Согласно завещанию покойного, инструменты перешли к сыну Уильяма Генри, Уильяму Чарльзу Генри, который был его учеником, а после него — к Lit & Phil. Реставрационные работы в здании Литературно-философского общества позволили сохранить инструменты. В 1936 году значительная их часть была выставлена на обозрение публики. Однако злополучной ночью с 23 на 24 декабря 1940 года все, что принадлежало Дальтону, погибло под немецкими бомбами. Лабораторные записи ученого, собранные в 12 томах, превратились в пепел, и сегодня мы располагаем всего лишь несколькими письмами и рукописями Дальтона.

СЛЕДСТВИЯ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

К счастью, глубину мысли Дальтона можно понять и без этих материалов, поскольку он опубликовал много статей и свой нетленный труд "Новая система химической философии". Эти работы получили большой резонанс в последние годы его жизни и после смерти ученого. Особый интерес к ним проявляли его французские коллеги.

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Выделение элементов из химического вещества не всегда было легкодоступным. Электролиз, безусловно, является одним из самых эффективных способов. Он состоит в том, что через раствор пропускается электрический ток. Для этого в емкость погружают два электрода: положительно заряженный (анод) и отрицательно заряженный (катод). В одном из самых простых примеров (см. рисунок) в воде растворяется обычная соль (хлорид натрия, NaCI), раствор подогревают. Из-за разницы потенциалов между анодом и катодом ионы СI- будут притягиваться положительно заряженным электродом (в данном случае атома углерода), а ионы Na+ — отрицательно заряженным электродом (атома железа). Натрий оседает в твердой форме на поверхности, а хлор испаряется:

2Na+ + 2е- → 2Na

2CI- → СI_2 + 2е-

Электролиз использовали химики — современники Дальтона и он сам для различных исследований и выделения новых элементов. Дэви, друг и меценат Дальтона, с помощью этого способа открыл барий, стронций, кальций, магний, калий и натрий. Ученик Дэви Майкл Фарадей обобщил и усовершенствовал электролиз и вывел два основных его принципа:

— количество вещества, образовавшегося на электроде при пропускании через электролит, прямо пропорционально количеству пропущенного электричества;

— для разных электролизных процессов при одинаковом количестве электричества, пропущенного через электролит, массы образовавшихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

В то время ничего не знали о носителе электрического заряда и об электроне как части атома.

Схема электролиза

Дальтон бегло говорил по-французски и переписывался со своим другом и соперником Бертолле, причем переписка не прерывалась даже в непростой период Наполеоновских войн. Ученые не только обменялись почетными званиями в своих научных учреждениях, но и не прекращали обмена идеями, статьями, произведениями. Бертолле получил экземпляр "Новой системы химической философии" в 1808 году, через два месяца после публикации, хотя он открыто критиковал книгу и предостерегал своих коллег от опасного влияния атомной теории. Бертолле после Лавуазье был самым большим авторитетом в области химии, по крайней мере во Франции.

Великий Бертолле умер в 1822 году, в тот же год, когда он лично познакомился с Дальтоном в Аркейле. Его учеником и ассистентом был Жозеф-Луи Гей-Люссак, один из величайших химиков нашей эпохи. Гей-Люссак был неутомим и бесстрашен в своих исследованиях. В 1804 году он дважды поднимался на воздушном шаре на высоту 7000 метров, чтобы провести несколько замеров и опытов в условиях разреженного воздуха и полюбоваться невероятным пейзажем. Этот человек заслуживает особого упоминания в книге, посвященной Дальтону, поскольку он был одним из немногих ученых, способных возражать Дальтону по существу.

Главное слабое место атомной теории Дальтона — вопрос об объеме. Постулаты теории основаны на количественных законах — открытых самим Дальтоном и его коллегами,— но в них не учтены отношения объемов. Ученый утверждал — и всегда отстаивал эту точку зрения, — что если два разных газа имеют одну температуру, одно давление и, кроме того, занимают один объем, они обязательно будут иметь разное количество атомов. Однако Гей-Люссак в 1808 году открыл экспериментальным образом то, что он позже назвал законом объемных отношений.

Самый известный результат его опытов с объемами газов — это опыт с водяными парами. Один объем кислорода вступает в реакцию с двумя объемами водорода, образуя два объема водяных паров:

O_2 + 2Н_2 → 2 Н_2O (пар).

Эта реакция, подтвержденная опытом, не имеет смысла, если рассматривать ее в тесной связи с атомной теорией Дальтона. Для него газы не могли быть двухатомными, поскольку отталкивающие силы мешают атомам соединяться. Дальтон всегда отстаивал одноатомные соединения (O + Н → ОН), но эта реакция не соответствует результату опытов.

ЖОЗЕФ-ЛУИ ГЕЙ-ЛЮССАК

Гей-Люссак (1778-1850) был сыном прокурора Людовика XVI. Несмотря на полученное техническое образование — он учился на инженера, — ученый очень быстро увлекся химией и сформулировал два знаменитых газовых закона, носящих его имя. Кроме того, он изучал магнетизм, путешествуя по Европе в компании своего друга Александра фон Гумбольдта, а также электрофизику и электрохимию. Ученый открыл бор и калий, а также, параллельно с сэром Гемфри Дэви, йод и хлор. Его интересовали такие разные темы, как производство пушек и громоотвода, синтез едких кислот и определение сплава для монет. Отчасти его деятельность, как и большинства французских ученых того времени, касалась политической жизни. Гей-Люссак был членом палаты депутатов, Луи Филипп сделал его пэром Франции.

Закон Гей-Люссака

В 1805 году Гей-Люссак сформулировал первый закон, который устанавливал отношение между объемом и температурой определенного количества идеального газа при постоянном давлении:

V/T = постоянная.

Этот закон носит имя Шарля (или Шарля — Люссака), потому что около 1787 года его уже сформулировал Жак Шарль. Второй закон Гей-Люссака

Р/T = постоянная устанавливает отношение между давлением и температурой определенного объема. Этот закон, а также закон Бойля (PV = С) составляют группу законов идеальных газов.

Объемы реагирующих газов показывали, что две частицы водорода, соединяясь с одной частицей кислорода, образуют две частицы водяного пара (см. рисунок). Однако один атом кислорода не может дать две частицы воды, потому что каждая частица воды должна содержать по одному атому кислорода. Разумеется, если только атомы не могут делиться. После уточнения, сделанного Гей-Люссаком, мы получили исправленную атомную массу кислорода (равную 16 единицам по отношению к водороду). Гей-Люссак утверждал, что основной характеристикой элемента является объем, а вовсе не его атомная масса, как считал Дальтон. Поэтому при реакции лучше измерять объем газа, а не массу. Ошибка, допущенная Дальтоном в рассуждениях, заключалась в том, что он не различал атомы и молекулы.

В газообразном состоянии при равных температуре и давлении отношения между объемами образующегося газа выражаются простыми целыми числами.

Жозеф-Луи Гей-Люссак, закон отношения объемов

Однако Гей-Люссак не отрицал гипотезу Джона Дальтона; он открыто признавал полученные результаты искусными, и хотя в своих химических исследованиях он поменял местами по важности массу и объем, атомная теория, по сути, ему подходила. Она объясняла опыты не только Дальтона, но и других ученых, таких как Томсон и Волластон. В этом Гей-Люссак разошелся со своим учителем Бертолле, который верил не в атомы, а в частицы, опираясь на декартову идею об их бесконечной делимости. Гей-Люссак попытался соединить обе гипотезы в следующем утверждении: "Химическая реакция протекает с большей силой, если элементы находятся в простых отношениях, или в кратных отношениях" (1814).

Вопрос о том, какая из гипотез вернее — система "одного объема" или "двух объемов",— был решен только в 1860 году, когда состоялся Первый Международный химический конгресс в Карлсруэ (Германия). В те годы химики не знали, каким критериям следовать, потому что массу и объем связывали с плотностью. Томас Томсон, например, предложил поделить соединения на три группы в зависимости от плотности пара: плотность, равная их атомной массе, двойной атомной массе или четверной. Другие химики, например Волластон, работали не с атомной массой, объемом или плотностью пара, а с количественными эквивалентами, установленными в результате стехиометрических экспериментов. Были и такие (например, сэр Гемфри Дэви), кто работал только с пропорциями. Если сегодня проблема кажется нам легко решаемой, то это потому, что мы уже ясно различаем атом, молекулу и моль, или грамм- молекулу.

Количество кислорода кислоты и основания в солях всегда соотносятся как простые кратные числа.

Йенс Якоб Берцелиус, правило кислоты (1812)

Именно в этот момент на сцену выходит швед Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848). Сначала он был врачом, но потом посвятил себя преподаванию и химии. Говорят, что размышляя о том, как опытами проиллюстрировать свои занятия, Берцелиус открыл новый — хотя, наверное, не такой уж и новый — закон кратных отношений, названный им правилом кислоты.

Берцелиус, как и Дальтон, интересовался работами Пруста и Рихтера. Открытый им закон принципиально отличало от других известных количественных законов то, что Берцелиус работал не с газами, а главным образом с кислотами и неорганическими солями. Он был азартным и блестящим исследователем. В 1812 году Бертолле пригласил его в Париж, но уже выехав, Берцелиус из-за войны между Швецией и Францией

ПЕРВЫЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОНГРЕСС В КАРЛСРУЭ

Конгресс в Карлсруэ считается первой в мире конференцией по химии. Он проходил с 3 по 5 ноября 1860 года в немецком городе Карлсруэ. Главную трудность для участников и организаторов, среди которых были Фридрих Август Кёкуле (1829-1896), Адольф Вюрц (1817-1884) и Карл Вельцин (1813-1870), представляло соединение номенклатуры и химических обозначений, с одной стороны, и разной атомной массы — с другой. При решении первой задачи с огромным успехом были приняты предложенные Берцелиусом обозначения и формулы. А вот по поводу атомной массы, начиная с публикации работ Дальтона в 1803 году, состоялось много споров о разных системах. Дальтон предложил водород (масса равна 1) как основу и присвоил 6 углероду и 8 — кислороду. В итоге, после того как было установлено, что некоторые элементы являются не одноатомными, а двухатомными (как кислород и водород), были приняты следующие значения:

1 для водорода, 12 для углерода, 16 для кислорода. Самый значительный вклад в эту работу внес итальянец Станислао Канниццаро (1826-1910).

Станислао Канниццаро в 1897 году.

Станислао Канниццаро

Канниццаро предложил следующее: если сравнить плотность двух газов и допустить, что в одном объеме содержится одинаковое количество частиц (гипотеза Авогадро), можно получить отношение между атомными массами этих газов. Например, зная, что плотность соляной кислоты (HCI), воды (Н_20), аммиака (NH_3) и метана (СН_4), измеренная в объеме 1 литр при нормальной атмосфере (1) и температуре 100°С, равна 1,19 г/л, 0,589 г/л, 0,557 г/л, и 0,524 г/л, то, вычислив процент веса интересующего нас элемента (в данном случае водорода, который в этих соединениях будет равен соответственно 2,76%, 11,2%, 17,7% и 25,1%), мы сможем вычислить массу элемента в соединении: 3,28 сг, 6,60 сг, 9,86 сг и 13,15 сг. Наглядно видно, числа соотносятся как 1, 2, 3 и 4. Это позволило Канниццаро утверждать, что атомный вес водорода равен 1 и что соляная кислота содержит 1 его атом, вода — 2, аммиак — 3 и метан — 4, и это соответствует действительности.

изменил маршрут и направился в Англию, где его принял сэр Гемфри Дэви. Именно тогда, через четыре года после публикации в 1808 году, Берцелиус познакомился с сочинением Дальтона, но с автором ему встретиться не удалось. Некоторое время спустя Дальтон послал ему экземпляр своей книги.

Берцелиус не был полностью согласен с работой Дальтона, но восхищался основными положениями его атомной теории. Он также был знаком с работами Гей-Люссака и соглашался с идеей о том, что "одинаковому объему" соответствуют "одинаковые числа". Под одинаковыми числами Берцелиус, как и Гей-Люссак, понимал число частиц, которые мы сегодня называем молекулами. Помимо этого, он использовал плотность пара для расчета атомной массы известных элементов. Исчерпывающая таблица, опубликованная в 1828 году, была более обширной, нежели таблица Дальтона, однако в ней использовались идеи последнего, дополненные еще одним очевидным фактом.

Главный вклад Берцелиуса в современную химию состоит не в открытии в полном смысле слова, а в инструменте. Берцелиус ввел новый инструмент — формулу. Он разработал для опытов систему химических обозначений, присвоив элементам простые символы, представляющие собой сокращения греческих или латинских названий (например, Ag от латинского argentum для серебра, Fe от латинского ferrum для железа), добавив, кроме того, число атомов элемента — то, что потом будет названо молекулой. Химические реакции записывались как математические формулы с использованием дополнительного обозначения. Собственно, сегодня мы используем систему Берцелиуса с некоторыми изменениями. Главная разница — в том, что Берцелиус использовал степень (Н^2O), а не показатель (Н_2O), как мы делаем сегодня.

Дальтон совершенно не оценил нововведения. В то время химики вообще использовали обескураживающее количество рисунков, символов и сокращений. Обозначения Берцелиуса он посчитал "отвратительными" и на протяжении всей жизни продолжал использовать собственные круглые символы, хотя все его коллеги уже давно оценили удобство формул. Берцелиус добавил в свои таблицы новые открытые им самым или его ассистентами элементы — церий, селен, кремний, торий, титан и натрий (заметим, что по поводу открытия некоторых из них имеются расхождения). Он был также страстным приверженцем техники электролиза Дэви и использования электричества в химии. Берцелиус первым для объяснения химических реакций подчеркнул важность атомной полярности — в противовес силам притяжения, защищаемым Джоном Дальтоном.

Если уж Берцелиусу потребовалось время на публикацию своих работ и на то, чтобы о нем узнали (Швеция в научном плане была не так развита, как Франция, Великобритания или Германия), то что говорить об итальянце Лоренцо Амедео Авогадро (1776-1856), графе Кваренья ди Черрето, который также сыграл значительную роль в развитии атомной теории. Авогадро был странным и достаточно нелюдимым человеком. Он поздно обратился к науке, работы публиковал редко и не участвовал в научных собраниях. Но то немногое, что нам известно о его трудах, доказывает: Авогадро был человеком незаурядного ума. Он смог объединить идеи Дальтона и Гей-Люссака и сформулировать удивительный и столь же важный закон (или принцип) Авогадро.

Он попытался применить законы объемов Гей-Люссака к атомной теории Дальтона. Чтобы объединить эти две теории, пришлось прибегнуть к понятию молекулы, которое Авогадро и ввел. Он считал, что есть три вида молекул, из которых так называемая элементарная похожа на атом Дальтона. В рамках своей теории Авогадро правильно объяснил образование воды, аммиака и окисей азота и углерода. На самом деле, поскольку он изобрел понятие молекулы, его закон помог окончательно оформить атомную теорию, и именно поэтому многие общие работы по химии называют ее атомно-молекулярной теорией материи.

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Закон Авогадро (1811)

ЙЕНС ЯКОБ БЕРЦЕЛИУС

Оставшись сиротой в раннем возрасте, Берцелиус (1779-1848) изучал медицину в университете Упсалы, в Швеции. Он занимался медициной, но довольно быстро увлекся химическими исследованиями. Юноша самостоятельно открыл закон кратных отношений массы составных элементов веществ, в полном соответствии с теорией Дальтона. В1828 году он представил таблицу атомных масс элементов, более точную, чем таблица Дальтона. Вместе с другими учеными открыл селен, церий и торий. Кроме того, он первым использовал слово протеин, обозначив им материнское вещество, которое, по мнению Берцелиуса, образовывало большую молекулу.

Система обозначений

Система химических обозначений, которую использовал Берцелиус, действует и в наши дни. Она была единогласно принята на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ в 1860 году. Химические элементы обозначались одной или двумя буквами, главным образом от их латинского названия (как Fe, Au или Ag), или их начальными буквами (как О, N, С, Н и так далее). Химическая реакция записывалась как математическое уравнение, с добавлением дополнительного знака и стрелок: вещество, вступающее в реакцию,— слева, а продукт реакции — справа.

Принцип Авогадро позволил определить величину и массу атомов, хотя это произошло только 50 лет спустя. Количество молекул, или элементарных тел, содержащихся в одном моле (грамм-молекуле), всегда одно и то же: 6022 х 10^23 моль-1, вне зависимости от того, рассматриваем мы 32 грамма кислорода (О_2, двухатомный) или любой другой эквивалент другого вещества. Согласно сегодняшнему определению, это количество атомов углерода в 12 граммах углерода-12. Это число было разными способами получено французом Жаном Батистом Перреном в 1909 году, подтвердившим, как мы увидим позже, атомную природу материи во время исследований броуновского движения. Перрен получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году.

Химия продолжала развиваться, но, к сожалению большинства ученых, изменения были хаотичными несмотря на благоприятствующую промышленную революцию. Открытие Амедео Авогадро было распространено только на уже упомянутом Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ (1860). Этот конгресс был очень важен, причем не столько по причине представленных на нем научных результатов (хотя они тоже были), сколько потому, что он означал утверждение химии как независимой современной науки. Мероприятие предложил провести немец Фридрих Август Кёкуле, известный благодаря работам о строении бензолового кольца. В то время система Берцелиуса уже была принята, но среди некоторых ученых все равно царили споры. Продолжалась дискуссия между атомистами — последователями Дальтона — и теми, кто придерживался теории эквивалентных весов и ее производных. Великий русский химик Дмитрий Менделеев ( 1834-1907) еще не проделал свой длинный путь и не навел порядок — мы намеренно используем это сильное выражение — в природных элементах, изобретя знаменитую периодическую таблицу, основанную на атомной теории.

Ученые сошлись на том, что атом поможет объяснить состав материи и выстроить логичную классификацию атомных элементов по их свойствам, среди которых главное — атомная масса, открытая и определенная Джоном Дальтоном. Оставалось только обнаружить эти атомы. И здесь в игру вступила физика.

Голубая доска, посвященная Дальтону, в Манчестере.

Клод-Луи Бертолле, самый выдающийся научный соперник Дальтона и в то же время его искренний друг.

Литография 1833 года. Карикатура изображает Дальтона (справа), благодарящего голландского физика Герхарда Молля (1785-1838) за публикацию памфлета в защиту английской науки.

ГЛАВА 5

Наследие Дальтона. Атомный взрыв XX века

Работая в своей маленькой лаборатории в Манчестере, Джон Дальтон и представить не мог, какие последствия вызовет его атомная теория. Прошел целый век, прежде чем существование атомов было доказано экспериментально. Ученые решили не вводить новые данные по крупицам, а изменить вообще весь мир. Для того чтобы объяснить поведение атомов, были созданы новые невероятные теории, такие как квантовая физика.

Четвертая глава закончилась фразой, которая некоторым могла показаться слишком дерзкой — особенно из-за того, что она написана физиком. Но это не так. Мы уже рассказывали, как родилась современная химия и как она превратилась из магического искусства алхимии в науку в привычном нам смысле слова. Мы также говорили о том, какую важную роль сыграл Дальтон в изучении конечных частиц материи. Сегодня достаточно отрыть любой словарь, чтобы найти в нем определение химии, согласно которому она является наукой, изучающей атомный и молекулярный состав материи и особое взаимодействие ее составляющих.

ПЕРВЫЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОНГРЕСС В КАРЛСРУЭ

Странным образом работы Бойля, Лавуазье, самого Дальтона и многих других ученых, которых мы уже перечислили, легли в основу нового взгляда на мир. В конце предыдущей главы мы упомянули важный конгресс в Карлсруэ, организованный в 1860 году. Это не только был первый международный конгресс по химии — мероприятие имело серьезные последствия для будущего химии, такие как практически немедленное принятие системы обозначений Берцелиуса и международное признание закона Авогадро.

Если бы нужно было свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучало бы так: все вещи созданы из атомов.

Ричард Фейнман (1918-1988), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года

Именно благодаря работам Авогадро, Гей-Люссака и особенно Джона Дальтона итальянский химик Станислао Канниццаро распространил среди участников конгресса короткую брошюру под названием "Краткий очерк развития философии химииР (1856). В этой работе Канниццаро утверждал, что поскольку атомы неделимы, молекула должна содержать целое число — и почти всегда простое — атомов каждого вида. Если мы можем рассчитать молекулярный вес составляющих элемента и процент, в котором он присутствует в соединении, полученное количество является кратным простым числом атомного веса элементов. Чтобы определить относительную атомную массу некоторых элементов среди наиболее известных, Канниццаро применил закон Авогадро и рассчитал, что один моль газа — в нормальных условиях, то есть при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре О °С — занимает объем 22, 4 литра. Из веса этих объемов в разных соединениях можно вычислить процент, относительную атомную массу и количество атомов элемента в молекулах реакций.

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой — за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов — при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

СОПРОТИВЛЕНИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния — Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию — в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были "полезным понятием", для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах — особенно в области статистической механики — опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов — самого простого состояния вещества, — нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п — число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат:

P = Nmx2/3V

Эта формула определяет отношение давления (измеряемого) и средней кинетической энергии на одну молекулу. Кроме того, она соответствует закону идеального газа (PV=nRT), согласно которому средняя молекулярная энергия пропорциональна температуре, а постоянная Больцмана связана с универсальной газовой постоянной и числом Авогадро.

Распределение скоростей 104 частиц кислорода при разных температурах газа (-100ºС, 20ºС, 100ºС).

Можно выразить его другим способом, через число частиц и постоянную Больцмана k. Эта постоянная, как и число Авогадро, была рассчитана Жаном Перреном во время его опытов с броуновским движением, и она равна kB = 1, 3806504 x 10-23 Дж/К.

Атомов не существует.

Фридрих Вильгельм Оствальд

Трагический уход Больцмана, покончившего с собой в 1906 году, можно объяснить его неудачным выбором авторитетов. Уважаемый латышский химик и философ Фридрих Вильгельм Оствальд последовал примеру немца Маха. Лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года за работы в области катализа так никогда и не признал существования атомов.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ: ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СУЩЕСТВОВАНИЯ АТОМОВ

Удивительно, но одно из самых важных наблюдений XIX века, дающее первое неопровержимое доказательство существования молекул, было сделано не химиком и не физиком, а ботаником. В 1827 году шотландец Роберт Броун заметил, что маленькие частицы пыльцы на поверхности воды двигаются в случайном порядке. Вначале Броун подумал, что пыльца живет собственной жизнью. Потом он повторил опыты с другими неорганическими веществами, например с пылью, и получил те же удивительные результаты. Это движение, названное в его честь броуновским, было описано похожим образом в связи с турбулентностью воздуха в 60 году до н.э. философом Лукрецием в поэме "О природе вещей*. В этом произведении автор раскрывает сущность знаний об атомах его предшественников Демокрита и Эпикура:

"Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит"*.

* Перевод с латыни Ф. Петровского.

В 1863 году появилось предположение, что это движение возникает из-за неравномерного действия бесконечного числа частиц воды (или молекул), которые толкают с одной или с другой стороны пылинки либо частицы пыльцы. Беспорядочное действие этих частиц вызывает наблюдаемое движение. Вывод: молекулы существуют.

Математическое описание броуновского движения было разработано Альбертом Эйнштейном в его первых статьях, опубликованных в 1905 году. По мнению многих специалистов, описание Эйнштейна представляет собой первое физическое доказательство атомной теории: молекулы, состоящие из атомов, действуют на более крупные частицы, поскольку одна молекула воды равна примерно одному нанометру, а частица пыльцы — одному микрометру, то есть она в тысячу раз больше.

В этом исследовании Эйнштейн не только осуществлял теоретический анализ движения, но также объяснял, как проверить истинный размер молекул воды, используя частицы на поверхности. В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен, о котором мы уже говорили, изучил то, как частицы оседали под действием притяжения. Эта сила оседания, связанная с весом, противоречила броуновскому движению. Расчеты Перрена упростили работу Эйнштейна, и французский ученый рассчитал размер молекулы воды. За исследование знаменитых коллоидов он получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году. Формулировка звучала следующим образом: "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия". Мы могли бы сказать, что благодаря усилиям Перрена неуступчивый Вильгельм Оствальд признал, наконец, к концу жизни существование молекул и, следовательно, атомов.

Так в начале XX века ученые получили убедительное доказательство существования атомов, и они превратились из гипотетических объектов в реальные частицы, которые почти можно потрогать. Но последняя цель — разделить атомы, понять их структуру, если таковая есть, — еще не была достигнута. Итак, все состоит из атомов, начиная с нас самих. Предвосхищая исторические и теоретические объяснения природы и структуры атомов, нелишним будет сказать несколько слов о современных представлениях.

Все состоит из атомов. Абсолютно все. Атомы объединяются в молекулы (от латинского "маленькая масса"). В кубическом сантиметре воздуха — то есть примерно в наперстке — содержится около 50 тысяч миллиардов молекул. Любое соотнесение этого объема — с человеческим телом, с городом, с планетой и в особенности с размерами космоса — ошарашивает.

Еще одной основополагающей характеристикой атомов является их неизменность. Мы знаем сегодня, что атомы крайне долговечны, за исключением радиоактивных атомов — самых тяжелых и самых нестабильных. Но обычные частицы, из которых состоит наш организм, могут оставаться неизменными в течение 10^35 лет и переходить от одного носителя к другому. Это в определенном смысле форма реинкарнации в микроскопическом масштабе.

Размеры и масса атомов действительно крошечные. О массе мы уже говорили. В качестве примера вспомним, что один атом углерода весит примерно 1, 66 х 10-27 кг. Размеры атомов могут отличаться, но это всегда маленькое число. Мы увидим, что атом пуст, его ядро относится к его размеру как яблоко к планете Земля. Если использовать цифры, мы скажем, что диаметр ядра атома составляет от 0, 3 до 3 ангстрем (1 ангстрем — 10-10 метров). Нужно будет разделить один миллиметр на тысячу и каждую полученную часть — еще на тысячу, а потом каждую новую полученную часть — еще на десять. Это и будет размер ядра.

МЕНДЕЛЕЕВ: КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

За несколько десятилетий до наступления XX века Дмитрий Иванович Менделеев проделал изнурительную работу по классификации известных элементов. В 1869 году он объединил два основных свойства атома: атомную массу и химические свойства соединения. На основании этого он разработал знаменитую периодическую таблицу элементов, в которой по горизонтали расположил элементы по периодам, а по вертикали — по группам.

ДМИТРИЙ МЕНДЕЛЕЕВ

Дмитрий Менделеев (1834-1907) родился в маленьком сибирском городке и был младшим ребенком в семье. Его мать управляла стекольным заводом, а после того как на заводе произошел пожар, решила на оставшиеся сбережения отправить сына в университет.

Менделеев учился в Санкт-Петербурге, где в возрасте 23 лет получил кафедру химии. Как и другие химики его эпохи, он присутствовал на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ, и работы Канниццаро об атомном весе элементов произвели на ученого сильное впечатление. В 1869 году он опубликовал "Основы химии", которые подводили итог знаменитой периодической таблице элементов. Позднее Менделеев побывал в США, где изучал способы добычи нефти. Со временем он получил признание в научном мире и стал почетным доктором университетов Оксфорда и Кембриджа. Этот химик был неутомимым путешественником. Кроме США, он нанес визит чете Кюри в Париже в 1902 году, хотя и не допускал существования радиоактивности. Для Менделеева речь шла всего лишь об энергии как свойстве некоторых атомов, которые остаются неделимыми.

Периодическая таблица

Знаменитая периодическая таблица 1869 года основана на постоянных химических свойствах элементов, от самого легкого (водород) до самого тяжелого (уран). При разработке таблицы стало ясно, что некоторые элементы, которые должны существовать, еще не открыты. Менделеев обозначил их приставками "эка", "дви", "три" по расстоянию от последнего известного элемента в их группе. По этой схеме германий назывался экакремнием до его открытия в 1886 году, а рений — дви-марганцем до 1926 года. Самыми известными были эка-бор (скандий), эка-алюминий (галлий), эка-марганец (технеций) и уже упомянутый германий.

Согласно современным определениям, мы можем их классифицировать следующим образом: щелочи, щелочноземельные металлы, металлы, включая лантаноиды и актиноиды, переходные металлы, полуметаллы, неметаллы, галогены и инертные газы. Так, гелий, неон и аргон — инертные газы, поэтому расположены в одной вертикальной колонке, тогда как по горизонтали они были расположены в порядке возрастания атомной массы (то, что это сумма протонов и нейтронов ядра атома, еще не было открыто).

Когда Менделеев работал над своей таблицей, было известно 63 элемента. Ученый оставил пустыми многие ячейки, чтобы когда-нибудь вписать в них еще не открытые элементы, которые "должны существовать". Такой важный элемент, как гелий, был открыт только в 1895 году, но о его существовании было известно и раньше благодаря методу спектроскопии: во время солнечного затмения 1868 года француз Пьер Жансен заметил яркую желтую линию и предположил, что она соответствует новому элементу, который был назван гелием (от Гелиоса — бога Солнца). Сегодня общее число элементов составляет 118, хотя последние из них являются синтезированными, начиная с элемента 104, названного резерфордием. Три последних элемента — ливерморий (116), унисептий (117) и унуноктий (118), предположительно инертный газ с атомной массой 294. С 2002 года было получено всего четыре атома этого элемента.

Таким образом, все вещества найдены. Или почти все. Признанные физико-химические лаборатории не прекращают поиск, поскольку никто не знает, где лежит предел.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

На пороге XX века произошло самое удивительное событие, связанное с атомами. Состоялось оно в Париже в 1896 году: Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл радиоактивность. Он поместил соль урана на фотографическую пластину, завернутую в бумагу, и увидел, что та почернела, словно подверглась воздействию солнечного света. За это случайное открытие в 1903 году он был удостоен Нобелевской премии по физике вместе с четой Кюри. Беккерель разделил открытие со своей юной польской ученицей Марией Кюри (1867-1934), которая вместе с мужем Пьером показала, что это явление наблюдается и в других веществах, содержащих уран или торий, а также в двух других открытых ею элементах — полонии и радии. Мария Кюри обнаружила, что эти руды и их составляющие постоянно высвобождают огромное количество энергии, не меняя заметным образом ни размера, ни массы. Кюри не знала (это откроет Эйнштейн несколькими годами позже), что масса превращается в энергию. Открытие естественной радиоактивности опровергло один из главных постулатов Дальтона, утверждавшего, что атомы неизменны. Нет, они меняются, по крайней мере некоторые из них.

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Открытие естественной радиоактивности восходит к 1896 году, когда Анри Беккерель выявил, что соли урана, а именно K_2UO(SO_4)2, оставляют следы на фотографических пластинах. Он предположил, что излучение, похожее на излучение Х-лучей, открытых Рентгеном, происходит от этих солей. Беккерель предложил своим коллегам изучить необычное явление. Пьер и Мария Кюри открыли, что уран — не единственный элемент, обладающий радиоактивными свойствами. Им удалось выделить из уранинита вещества с подобными свойствами — торий, полоний и, наконец, радий. Изотопы этих элементов неустойчивы и испускают альфа-частицы, или ядра гелия, как открыл позже Эрнест Резерфорд. Самый распространенный и самый неустойчивый элемент — ураний-238 — самопроизвольно испускает альфа-частицы, пока не стабилизируется, перейдя в свинец-206. Он проходит через несколько промежуточных состояний и через несколько веществ (количеством до 18); этот процесс называется цепочкой мерного распада.

Процесс распада

Спустя несколько лет было открыто, что другой изотоп, U-235, может распадаться на две или три части под действием тепловых нейтронов, которые производят большое количество энергии. Эго открытие легло в основу разработки ядерных реакторов и бомб. В качестве примера ядерного превращения мы можем привести изотоп U-238. При поглощении нейтрона (U-239) он испускает бета-излучение и образует Np-239 и Pu-239. Последний содержался в первой атомной бомбе, испытанной в штате Нью-Мексико в 1945 году. Естественная, а позднее и искусственная радиоактивность, полученная в результате бомбардировки атомных ядер нейтронами или ядрами гелия, представляет собой исключение из правила неделимости и неизменности атомов, провозглашенного Дальтоном.

ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД

Этот сын столяра и английской учительницы с юности поражал блестящими успехами в науках, с одной стороны, и физической силой — с другой. Резерфорд решил побороться за единственную стипендию, которая в то время предоставлялась для изучения математики. Оказавшись в Великобритании, он продолжил занятия в лаборатории Кавендиша в Кембридже вместе с наставником Джозефом Томсоном, который открыл электрон. Через три года Резерфорд получил кафедру в Мак- Гиллском университете Монреаля, в Канаде. Там он сконцентрировал исследования на радиоактивности Беккереля и Кюри и обнаружил два типа радиации — обладающие менее и более проникающей способностью (альфа- и бета- соответственно). Вместе со своим учеником, юным химиком Фредериком Содди (1877-1956), он выяснил, что радиация урана и тория сопровождается распадом атома. Это открытие взволновало все научное сообщество: атомы могут делиться! Резерфорд установил, что во время ядерного распада выделяется примерно в 100 тысяч раз больше тепловой энергии, чем при соответствующей химической реакции. Он заявил, что Солнце — это ядерная печь.

Возвращение в Великобританию

В 1907 году ученый вернулся в Великобританию, в Манчестер, где работал вместе в Гансом Гейгером (и стал членом Lit & Phil). Вместе с Гейгером они изобрели счетчик альфа-частиц, который позволил установить число Авогадро. В 1908 году Резерфорд уже знал, что альфа-частицы являются ядрами гелия, и осуществил бомбардировку этими ядрами листа золотой фольги. Некоторые частицы отклонились от предполагаемой траектории более чем на 90 градусов. Так ученый нашел атомное ядро. В результате бомбардировки атомов азота он открыл протон. По возвращении в Кембридж, где Резерфорд занял место своего бывшего учителя Томсона, он руководил работами Чедвика, открывшего нейтрон, Нильса Бора и Роберта Оппенгеймера. Резерфорд был учителем девяти нобелевских лауреатов и получил бесконечное количество наград, среди которых — первая в истории Нобелевская премия по химии 1908 года. Он похоронен рядом с Исааком Ньютоном и лордом Кельвином в Вестминстерском аббатстве.

Открытие супругов Кюри вызвало любопытство других ученых, и самым гениальным среди них был Эрнест Резерфорд, родившийся в Новой Зеландии, но очень скоро перебравшийся в Кембридж. Он работал в знаменитой лаборатории Кавендиша с 1895 годавместес Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), которому мы обязаны открытием электрона. Резерфорд получил известность благодаря изучению Х-лучей, или ионизированных лучей, открытых в 1895 году физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном при помощи трубки Крукса, а с помощью этих лучей практически сразу же был открыт электрон. Также он изучал влияние рентгеновских лучей на газы: Резерфорд и Томсон открыли, что эти лучи можно ионизировать, испуская положительные и отрицательные частицы, которые соединяются в нейтральный атом. Кафедра в университете Монреаля была предложена Резерфорду, когда ему было всего 27 лет (1898). В Канаде он познакомился с Фредериком Содди, и вместе ученые доказали, что радиоактивные элементы, каталогизированные Пьером и Марией Кюри, способны трансформироваться, испуская при этом разное излучение. Атом урана мог превращаться в атом свинца или родия, который мог произвести атом гелия. Так физика опровергла еще один постулат Джона Дальтона: некоторые атомы способны к трансформации. Другими словами, алхимия была не такой уж и химерой. Однако эти алхимические превращения были опасны для тех, кто ими занимался. Губительное воздействие радиации на человеческий организм теперь известно. Мария Кюри умерла от лейкемии в 1934 году, через три года после того, как подверглась большим дозам облучения. Радиация сохраняется так долго, что личные вещи, книги и документы Пьера и Марии Кюри все еще хранятся в свинцовых ящиках.

ПЕРВАЯ СУБАТОМНАЯ ЧАСТИЦА

Менделеев открыл периодичность атомных элементов, основываясь на их сходстве, но он не знал причин этого сходства. Ученый классифицировал элементы просто на основе их подобия. Чтобы объяснить это явление, одной химии было недостаточно, нужно было обратиться к физике, а конкретнее — к электричеству, которое оставалось таинственной областью.

Начало исследованиям в этой области положил современник Дальтона Майкл Фарадей, драгоценный ассистент сэра Гемфри Дэви, который после смерти последнего занял его пост в Лондонском королевском обществе. Несмотря на то что Фарадей был не очень силен в математике, он обладал огромной фантазией и легко придумывал невероятные опыты. Например, он решил пропустить электрический заряд через пустоту и посмотреть, что произойдет. Но ничего не произошло, поскольку его пустой сосуд был недостаточно хорош, в отличие от сосуда немецкого физика Генриха Гейсслера (1814-1879), который в 1854 году обнаружил любопытную зеленую вспышку в положительном электроде, или аноде. Поскольку сосуд был пуст, с отрицательным анодом, или катодом, тоже должно было что-то происходить. Чуть позже, в 1876 году, немец Ойген Гольдштейн предположил, что это взаимодействие, происходящее между отдаленными друг от друга электродами, есть не что иное, как "излучение катодных лучей".

У этой тайны было два возможных объяснения. Первое заключалось в том, что это излучение было простым электромагнитным излучением, а второе, предложенное англичанином Уильямом Круксом (1832-1919), состояло в том, что излучение связано с потоком невидимых частиц. Крукс поднес к сосуду магнит, и... катодные лучи отклонились в сторону. Для окончательной разгадки тайны катодных лучей надо было дождаться 1897 года, когда уже упоминавшийся Джозеф Джон Томсон доказал, что лучи отклоняются не только в магнитном, но и в электрическом поле. В то время из заряженных частиц были известны только ионизированные газы Резерфорда. Но если катодные лучи были ионами, они должны были быть очень легкими, примерно в тысячу раз легче атома водорода, или должны были обладать значительным зарядом. Первое объяснение соответствовало другим опытам с электричеством: электрический ток — это движение крошечных частиц, электронов. Томсон показал также, что отрицательно заряженные частицы, испускаемые металлическими пластинами при высоком облучении (знаменитый фотоэлектрический эффект, который будет объяснен в знаменательном для Эйнштейна 1905 году), идентичны катодным лучам.

ЭЛЕКТРОН

Электрон был первой открытой частицей атома, это произошло во время опытов с использованием трубок с катодными лучами. Трубки запаивались, а затем между двумя электродами внутри них пропускали ток высокого напряжения. Джозеф Джон Томсон в 1897 году установил, что от электрического заряда на стенках сосуда за катодом образуются вспышки. Он предположил, что дело в испускаемых катодом лучах (откуда и название — катодные). Однако он увидел, что в отличие от обычного электромагнитного излучения лучи распространялись по прямой линии, даже если отклонялись от магнитного или электрического поля. То есть лучи имеют электрический заряд, массу и универсальные частицы, поведение которых не меняется даже при изменении газа или типа электрода. Томсон рассчитал, что масса этих новых "частиц" равна 1/1000 массы атома водорода, и сделал вывод, что они скорее всего являются частью этого атома. Чтобы объяснить нейтральный заряд атома, он предположил, что частицы — позднее названные электронами по предложению Джорджа Стони в 1894 году — плавают в непрерывной положительно заряженной среде атома. Это была первая модель, в которой неделимый атом Джона Дальтона делился.

Опыт Томсона с катодной трубкой.

Это поведение электронов привело к выводу, что они на самом деле являются частью атома, что масса электрона составляет 1/1837 массы атома водорода и что раз электроны не могут с легкостью отсоединяться от атомов — под воздействием электрического поля или других значительных энергий, — то логично предположить, что они находятся снаружи атома. Все сходилось. Если атом нейтрален, но на его периферии находится отрицательный заряд, то для равновесия внутри должен находиться положительный. Это также объясняло некоторые загадки периодической таблицы, особенно классификацию элементов по свойствам и способности образовывать соединения с другими элементами. Электрический заряд объяснял и тот факт, что атомы обязаны своим атомным числом количеству электронов в основном состоянии. Все эти открытия были отмечены нобелевскими премиями. Чтобы не утомлять читателя, скажем только, что в 1906 году Нобелевскую премию по физике получил Томсон за открытие электрона, а в 1921-м ее получил Эйнштейн за обоснование фотоэлектрического эффекта (а вовсе не за теорию относительности, как многие думают).

Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.

Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).

В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.

Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд — нейтральный.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЧАСТИЦА

Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны — это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.

Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.

В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен — не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия — альфа-частицы — через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей — и к удивлению всего человечества, — некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.

Историки приписывают Резерфорду также открытие в 1918 году протона ("первый") — позитивно заряженной субатомной частицы. Хотя, наверное, следовало бы присвоить славу ее открытия (хотя бы частично) немецкому физику Ойгену Гольдштейну (1850-1930). В 1886 году Гольдштейн осуществил похожий на эксперимент Томсона опыт с перфорированным катодом и выделил частицу, масса которой была сходна с массой атома водорода, но позитивно заряженную. Он принял эту частицу за простой ион.

Резерфорд повторил опыт, бомбардируя атомы азота альфа-частицами, и обнаружил сверкание, которое мог производить только азот. Эта реакция стала первым превращением, осуществленным искусственно, в отличие от естественной радиации. Мы можем представить ее сегодня как физическую реакцию со следующей формулой:

4He + 14N → 17O + 1Н,

в которой величины соответствуют атомной массе. Слева направо ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) взаимодействует с ядром водорода (7 протонов и 7 нейтронов), и образуются ядро кислорода-17 (изотоп с 8 протонами, но 9 нейтронами) и ядро водорода (1 протон). Наверное, это была первая алхимическая реакция в истории.

ЧАСТИЦА БЕЗ ЗАРЯДА

Модель атома Резерфорда (см. рисунок на странице 134) с электронами на периферии и протонами, содержащимися в плотном ядре, превратилась для физиков в неразрешимую проблему.

ПРОТОН

Протон был выделен в 1920 году Эрнестом Резерфордом во время изучения ядер гелия, раньше называвшихся альфа-частицами и излучаемых при естественной радиоактивности. На самом деле Резерфорд выделил ядро водорода, самый распространенный в природе изотоп которого состоит из одного протона. Во время этого опыта Резерфорд осуществил первую в истории атомную реакцию, превратив атомы азота в кислород. В продукте реакции Резерфорд выделил ядро водорода и предположил, как и задолго до него английский химик Уильям Прут (1785-1850), что водород может быть основным элементом, или частицей, образующей другие атомы. Даже если на самом деле это не совсем так, факт заключается в том, что Резерфорд предложил называть его протоном по двум причинам: во-первых, он заимствовал греческое слово, означающее "первый", во-вторых, это название напоминало о фамилии Прута.

Перво· атомное превращение в истории заключалось в превращении атома азота в кислород в следующей реакции:

4He + 14N → 17O + 1Н.

Она противоречила законам электромагнетизма, описанным Джеймсом Клерком Максвеллом, хотя эти законы были доказаны многочисленными опытами. По Максвеллу, электрический заряд в движении — в нашем случае электрон — должен постоянно излучать энергию. И со временем из-за потери этой энергии он должен упасть на ядро, и тогда атом коллапсирует. Кроме того, протоны с одинаковым положительным зарядом должны отталкиваться друг от друга, а не оставаться в маленьком пространстве в центре атома.

Появилась главная проблема: микроскопический мир вел себя не так, как макроскопический. Резерфорд долгие годы размышлял над этим вопросом и в итоге пришел к гипотезе, что положительный заряд протона должен быть компенсирован, или, скорее, нейтрализован, другими частицами. Когда мы описывали получение протона из азота, мы уже использовали понятие нейтрона.

Один из учеников Резерфорда, английский физик Джеймс Чедвик, попытался найти нейтроны, и это ему удалось сделать в 1932 году, после 11 лет исследований. В результате нейтрон стал главным инструментом при ядерном делении, или распаде, поскольку он лишен электрического заряда, следовательно никак себя не проявляет, пока не проникнет в атомы более тяжелых элементов. Лауреат Нобелевской премии по физике 1935 года Чедвик против своей воли проложил дорогу к атомной бомбе.

Схема модели Резерфорда (1911).

НЕЙТРОН

Список рекомендуемой литературы

Asimov, I., Introduction a la tientia, Barcelona, Ediciones Orbis, 1985.

—: Breve historia de la qutmica, Madrid, Alianza Editorial, 2006.

Bryson, B., Una breve historia de cast todo, Barcelona, RBA, 2003.

Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Gribbin, J., Historia de la tientia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Pellôn, I., Dalton, el hombre que peso los dtomos, Madrid, Nivola, 2003.

Указатель

Lit & Phil 11, 26-29, 31, 34, 43, 53, 54, 57, 72, 78, 80, 97, 99-101, 126

Лвогадро, Амедео 36, 37, 75, 89, 95, 106, 109, 110, 116, 119-121, 126

закон Лвогадро 110, 116

число Лвогадро 95, 119-121

алхимия 69, 83, 85, 86, 90, 115, 128

анод 100, 101, 128

Аристотель 68, 69

атом 7-10, 13, 16, 19-26, 28-34, 36-37, 60, 62, 65, 67, 68, 71-76, 81, 83, 86-88, 90, 91, 93-97, 101, 103-110, 112, 116-118, 120-124, 126, 127, 129-139, 141, 142

атомизм 7-9, 30, 67, 68, 86-88, 91, 94, 105, 112, 117, 120

атомная масса 37, 74, 93-95, 97, 104, 112, 116, 124, 132, 134, 136, 137

единица атомной массы 94, 95

относительная 9, 29, 116, 123, 137

атомый номер 94, 130, 136

Беккерель, Анри 125-127, 131

Бертолле, Клод Луи 11, 78, 91-92, 97, 102, 105, 111

Берцелиус, Йенс Якоб 106-109

правило кислоты Берцелиуса 107

химическая формула Берцелиуса 108, 112, 116

Бехер, Иоганн 85, 86

Блэк, Джозеф 52, 86 бозон 145

Бойль, Роберт 56, 69-70, 83, 85-92, 103, 115, 119

закон Бойля 89, 90, 103

Больцман, Людвиг 20, 36-37, 89, 117-120

постоянная Больцмана 37, 89, 119, 120

Бор, Нильс 32, 37, 126, 137-139

атомная модель Бора 138, 139

ботаник 23, 47, 48, 49

Браге, Тихо 22

Британская ассоциация содействия прогрессу науки 99

Брольи, Луи-Виктор де 138

Броун, Роберт 21, 120

броуновское движение 10, 21, 36, 110, 120-122

Бургаве, Герман 56, 91

Бьюли, Джордж 46, 47

вес особый 62

относительный 29

эквивалентный 93, 96

взаимодействие сильное ядерное 141, 144

слабое ядерное 144, 145

водород 8, 9, 25, 29, 36, 37, 52, 70-72, 76, 80, 81, 96, 102, 106, 123, 129-133, 137-139

воздух 7, 8, 24-31, 52, 57-59, 68, 69, 71, 76, 86, 87, 89, 92, 102, 120, 122, 127

Волластон, Уильям 77, 97, 104, 105

Вольта, Алессандро 77

Галилей 22, 69, 87

Гарнетт, Томас 57, 76, 78

Гассенди, Пьер 87, 88, 90, 91

Гауф, Джон 47-49, 53

Гейгер, Ганс 126, 132

Гейзенберг, Карл Вернер 140, 141, 143

Гей-Люссак, Луи-Жозеф 11, 72, 75, 78, 92, 97, 102-104, 107, 116, 119

второй закон Гей-Люссака 103

закон объемных отношений Гей-Люссака 75, 104

первый закон Гей-Люссака 103

Гейсслер, Генрих 128

Генри, Томас 54, 57, 58

Генри, Уильям 57, 58, 61, 75, 78, 80, 96, 97, 98, 99

закон о растворимости газов Генри 58

Гольдштейн, Ойген 128, 132

горение 8, 25, 52, 70, 71, 85, 86, 92, 96

грамм-моль 95, 105, 110, 116 (см. также моль)

Дальтон, Джонатан 11, 23, 41, 44, 46, 47

дальтонизм 11, 24, 35, 55, 56

Дальтон, Мэри 41, 46

Декарт, Рене 87, 88

Демокрит Абдерский 29, 30, 66

Дэви. Гемфри 11, 26, 28, 33, 34, 37, 76-78, 81, 86, 93, 96, 97, 98, 100, 103, 107, 108, 128

закон идеальных газов 103, 119

кратных отношений Дальтона 11, 32, 59, 60, 71, 74, 105, 109

парциального давления газов Дальтона 11, 28, 59, 61

сохранения массы (или вещества) 9, 23, 24, 31, 53, 70, 71, 79, 91, 92

законы количественные 60, 72, 74, 75, 91, 93, 94, 102, 105

объемные 75, 102

стехиометрические 60, 93, 105

Зеннерт, Даниэль 86, 87

Иглсфилд 11, 41, 44-47, 49, 51 ион 95, 100, 130, 132, 136

Кавендиш, Генри 52, 126, 127

Канниццаро, Станислао 106, 116, 123

Карлсруэ, Конгресс по химии 106, 109

катод 100, 101, 128, 129, 132

квакер 18, 19, 26, 41 -44, 47-50, 54, 96, 99, 145

кварк 144, 145

Кембридж 16, 32, 48, 49, 99, 123, 126, 127

Кеплер, Иоганн 22, 49, 69

Кёкуле, Фридрих 106, 110

кислород 8, 25, 31, 37, 52, 59, 60, 62, 70-72, 75, 86, 93, 96, 104, 106, 107, 110, 118, 119, 133

Кокрофт, Джон Дуглас 142

коллоиды 36, 121

Королевское общество 11, 26, 34, 45, 58, 89, 97, 128

Крукс, Уильям 127, 129

Кюри Мария 33, 37, 123, 125-128, 131, 135, 143

Пьер 127

Лавуазье, Антуан Лоран де 9, 23-26, 31, 34, 37, 38, 52, 53, 54, 59, 62, 70-74, 83, 86, 91-93, 102, 115

Лаплас, Пьер Симон де 24, 97

Левкипп из Милета 30

лептон 145

Линней, Карл 50, 51

Литературно-философское общество Манчестера 11, 18, 20, 23, 26, 98 (см. также Lit & Phil)

Ломоносов, Михаил 71, 85, 91

Лоуренс, Эрнест 142

Лукреций 120

лучи X 125, 127

катодные 32, 128-130

Максвелл, Джеймс Клерк 20, 36, 37, 118, 119, 134

статистика Максвелла — Больцмана 36

Манчестер 5, 11, 15, 17, 18, 20, 23, 25, 27, 33, 35, 43, 48-50, 53, 54, 57, 58, 63, 78-81, 97-99, 111, 113, 117, 126, 139

Мариотт, Эдм 89

Марсден, Эрнест 33

массовое число 95

Мах, Эрнст 36, 37, 117, 120

Менделеев, Дмитрий 110, 123, 124, 128

периодическая таблица Менделеева 123, 124

метеорология 22, 26, 29, 48, 49

механика квантовая 113, 137-143

статистическая 36, 117, 118

модель атомная 129, 131, 133, 138, 139

стандартная 145

молекула 7, 19, 21, 31, 32, 36, 37, 62, 72-75, 88, 89, 91, 95, 105, 107-110, 116-122, 130

молекулярно-кинетическая теория газов 118

моль 37, 95, 105, 110, 116

молярная масса 95

мюон 144, 145

натурфилософия 11, 43, 48, 52, 78

нейтрино 141, 145

нейтрон 122, 34, 38, 73, 94, 124-126, 133-137, 141, 144

Нобелевская премия 16, 21, 32, 42, 110, 116, 117, 120, 121, 127, 130, 132, 135, 138, 139, 142, 143

Новая систелш химической философии 11, 16, 29, 33, 65, 78, 96, 100

номенклатура биноминальная 49-51

химическая 52, 106

Ньютон, Исаак 19, 20, 56, 59, 61, 66, 77, 83, 90, 91, 126, 141, 144

Оксфорд 16, 34, 48, 49, 56, 89, 99, 123

Оппенгеймер, Роберт 126, 139

орбитальный 136, 140

Оствальд, Вильгельм 120, 121

Оуэн, Роберт 27, 54

Парацельс 69, 90

паровая машина 17, 51, 76

Перрен, Жан Батист 21, 36, 37, 110, 120, 121

Персиваль, Томас 54, 57, 58

Планк, Макс 37, 137-139, 141

постоянная Планка 138, 139

правило наибольшей простоты 31, 74, 80

Пристли, Джозеф 25, 52, 86

промышленная революция 16, 17, 44, 51, 98, 110

Просвещение 67

протон 22, 23, 32, 37, 73, 94, 95, 124, 126, 132-137, 141, 142, 144

Пруст, Жозеф Луи 71, 72, 74, 91

закон постоянства состава Пруста 71, 74, 91

Прут, Уильям 133, 134

Пьеретт Польз, Мари-Анн 92

радиоактивность 10, 123, 125-128, 130-133, 144

растворимость газов 57, 58, 61, 62, 65

Резерфорд, Эрнест 10, 16, 20, 22, 33, 36, 37, 65, 98, 125-127, 130-135, 137-139, 142

атомная модель Резерфорда 133

эксперимент Резерфорда 33

Религиозное общество Друзей 19, 42 (см. также квакер)

Рентген, Вильгельм Конрад 125, 127

Рихтер, Иеремия Вениамин 74, 93, 105

закон эквивалентных отношений Рихтера 74

Ричардс, Теодор 116

Робинсон, Элиу 46, 47

Томсон, Джозеф Джон 32, 127, 129

атомная модель Томсона 131

Томсон, Томас 76, 96, 104, 105

тяготение 52, 62, 121, 141, 144, 145

Уатт, Джеймс 17, 27, 51, 76

Уолтон, Эрнест 142

Уэджвуд, Томас 26

Фарадей. Майкл 26, 37, 77, 100, 128

Флетчер, Джон 11, 44

флогистон 52, 85, 86

Фокс, Джордж 41, 42, 43

формула 107

фотон 138, 139, 141, 145

фотоэлектрический эффект 130, 137, 143

Французская академия наук 11, 34, 97

Хиггинс, Уильям 93-96

Чарльтон, Уолтер 88

частицы

альфа (а) 126, 131-133 бета (β) 126, 131

гамма (γ) 131

субатомные 39, 128-131, 141, 142-145

элементарные 29, 136, 141, 144

Чедвик, Джеймс 37, 126, 134, 135

Шееле, Карл 52, 93

Шрёдингер, Эрвин 37, 138, 140

Шталь, Георг 85, 86

Эдинбург 48, 57, 58, 75, 78, 93, 99

Эйнштейн, Альберт 20, 21, 24, 36, 37, 71, 121, 127, 130, 137, 138, 141, 143, 144

электролиз 26, 93, 99-101

электромагнетизм 20, 77, 99, 134, 144

электрон 94, 95, 126, 127, 129, 130, 134, 138-141, 144, 145

элемент 7-9, 16, 23, 25, 26, 28, 29, 31-33, 37, 53, 59-62, 66, 68-75, 77, 79-81, 83, 85-87, 90, 91, 93, 94, 96, 97, 100, 101, 104-106, 109, 110, 116, 117, 122-125, 127, 128, 130-133, 135-137, 141

Эпикур из Самоса 30, 66

ядерный распад 32, 125, 135, 139, 141

Джон Дальтон является основоположником атомной теории и одним из создателей современной химии. Преподаватель скромной начальной школы Манчестера обратился к идеям, сформулированным за тысячу лет до него Демокритом и другими греческими философами, и предположил, что весь мир состоит из неделимых атомов и в результате их взаимодействия появляются элементы, которые, в свою очередь, образуют химические соединения. Несмотря на то что существование атомов вызывало серьезные споры вплоть до начала XX века - то есть и через 100 лет после публикации труда Дальтона. - именно работа этого просветителя, не получившего университетского образования, легла в основу концептуальной революции, изменившей лицо науки.

Content

Alvarez Enrique Joven Масса атомов. Дальтон. Атомная теория

Enrique Joven Alvarez Масса атомов. Дальтон. Атомная теория.

Введение

ГЛАВА 1 Джон Дальтон, близкий и далекий

ГЛАВА 2 Начало: трудные годы

ГЛАВА 3 Атомная теория. От Древней Греции до Манчестера

ГЛАВА 4 Рождение современной химии

ГЛАВА 5 Наследие Дальтона. Атомный взрыв XX века

Список рекомендуемой литературы