오랜 세월 동안 원자와 함께 - 1부
지난 세기는 종종 "원자 시대"라고 합니다. 그리 멀지 않은 그 시간에 우리 주변의 세계를 구성하는 "벽돌"의 존재가 마침내 증명되었고, 그 안에 잠들어 있던 힘이 풀려났습니다. 그러나 원자 자체에 대한 개념은 매우 긴 역사를 가지고 있으며 물질 구조에 대한 지식의 역사 이야기는 고대를 언급하는 단어 외에는 시작할 수 없습니다.
1. 플라톤(오른쪽의 철학자는 레오나르도 다빈치의 특징을 가짐)과 아리스토텔레스를 묘사한 라파엘의 프레스코화 "아테네 학당"의 일부
"벌써 늙었네..."
... 철학자들은 모든 자연이 감지할 수 없을 정도로 작은 입자로 구성되어 있다는 결론에 도달했습니다. 물론 그 당시(그리고 그 후 오랫동안) 과학자들은 그들의 가정을 검증할 기회가 없었습니다. 그들은 단지 자연의 관찰을 설명하고 다음 질문에 답하려는 시도일 뿐이었습니다.물질이 무한히 부패할 수 있습니까, 아니면 핵분열이 끝날 수 있습니까?«
다양한 문화계(주로 고대 인도)에서 답이 나왔지만, 과학의 발전은 그리스 철학자들의 연구에 영향을 받았습니다. 작년 "젊은 기술자" 연휴 호에서 독자들은 고대 그리스에서도 시작된 원소 발견의 수세기 전 역사 ( "원소의 위험", MT 7-9/2014)에 대해 배웠습니다. 기원전 XNUMX세기에 물(탈레스), 공기(아낙시메네스), 불(헤라클레이토스) 또는 대지(제노파네스)와 같은 다양한 물질에서 물질(요소, 요소)이 구성되는 주요 구성 요소가 검색되었습니다.
Empedocles는 물질이 하나가 아니라 네 가지 요소로 구성되어 있다고 선언하면서 모두 화해했습니다. 아리스토텔레스(기원전 1세기)는 우주 전체를 채우는 또 다른 이상적인 물질인 에테르를 추가하고 요소의 변형 가능성을 선언했습니다. 한편, 우주의 중심에 위치한 지구는 늘 변하지 않는 하늘이 관측했다. 아리스토텔레스의 권위 덕분에 물질과 전체의 구조에 대한 이 이론은 XNUMX년 이상 동안 올바른 것으로 간주되었습니다. 무엇보다도 연금술의 발전, 따라서 화학 자체(XNUMX)의 기초가 되었습니다.
2. 압데라의 데모크리토스 흉상(BC 460-370)
그러나 동시에 또 다른 가설도 세워졌다. Leucippus(기원전 XNUMXth 세기)는 물질이 다음으로 구성되어 있다고 믿었습니다. 아주 작은 입자 진공 상태에서 움직입니다. 철학자의 견해는 그의 학생 인 Abdera의 Democritus (c. 460-370 BC) (2)에 의해 개발되었습니다. 그는 물질 원자를 구성하는 "블록"이라고 불렀습니다(그리스어 atomos = 불가분). 그는 그들이 나눌 수 없고 변하지 않으며 우주에서 그들의 수는 일정하다고 주장했습니다. 원자는 진공 상태에서 움직입니다.
언제 원자 그들은 (갈고리와 눈의 시스템으로) 연결되어 있습니다-모든 종류의 몸이 형성되고 서로 분리되면 몸이 파괴됩니다. Democritus는 모양과 크기가 다른 무한히 많은 유형의 원자가 있다고 믿었습니다. 원자의 특성은 물질의 특성을 결정합니다. 예를 들어 달콤한 꿀은 부드러운 원자로 구성되어 있고 신 식초는 각진 원자로 구성되어 있습니다. 백색체는 매끄러운 원자를 형성하고 흑체는 표면이 거친 원자를 형성합니다.
재료가 결합되는 방식도 물질의 특성에 영향을 미칩니다. 고체에서는 원자가 서로 밀접하게 인접하고 연체에서는 느슨하게 위치합니다. Democritus의 견해의 정수는 "사실 공허함과 원자 만 있고 다른 모든 것은 환상입니다. "라는 진술입니다.
이후 세기에 Democritus의 견해는 연속적인 철학자들에 의해 개발되었으며 일부 참조는 Plato의 저서에서도 발견됩니다. 후계자 중 한 명인 에피쿠로스는 심지어 그렇게 믿었습니다. 원자 그들은 훨씬 더 작은 구성 요소("기본 입자")로 구성됩니다. 그러나 물질 구조에 대한 원자론적 이론은 아리스토텔레스의 요소들에게 밀려났다. 그때 이미 열쇠는 경험에서 찾았습니다. 원자의 존재를 확인할 수 있는 도구가 나오기 전까지는 원소의 변화를 쉽게 관찰할 수 있었습니다.
예를 들어, 물이 가열되면(차갑고 습한 요소) 공기가 얻어지고(뜨겁고 습한 증기) 용기 바닥에 토양이 남아 있습니다(물에 용해된 물질의 차갑고 건조한 침전). 누락 된 속성 (따뜻함과 건조 함)은 용기를 가열하는 불에 의해 제공되었습니다.
불변 및 상수 원자의 수 그들은 또한 XNUMX세기까지 미생물이 "무에서" 출현했다고 생각했기 때문에 관찰과 모순되었습니다. Democritus의 견해는 금속 변형과 관련된 연금술 실험에 대한 근거를 제공하지 않았습니다. 무한히 다양한 종류의 원자를 상상하고 연구하는 것도 어려웠습니다. 기본 이론은 훨씬 더 단순해 보였고 주변 세계를 더 설득력 있게 설명했습니다.
3. J. Kerseboom의 로버트 보일(1627–1691)의 초상화.
가을과 중생
수세기 동안 원자 이론은 주류 과학과 차별화되었습니다. 그러나 그녀는 마침내 죽지 않았고 그녀의 아이디어는 살아남아 고대 저술의 아랍어 철학적 번역의 형태로 유럽 과학자들에게 도달했습니다. 인간 지식의 발달과 함께 아리스토텔레스 이론의 기초가 무너지기 시작했습니다. Nicolaus Copernicus의 태양 중심 시스템, 아무데도 발생하지 않는 초신성(Tycho de Brache)에 대한 최초의 관측, 행성의 운동 법칙(Johannes Kepler) 및 목성의 위성(Galileo)의 발견은 XNUMX세기와 XNUMX세기에 수세기 동안 사람들은 태초부터 변함없이 하늘 아래 살기를 멈췄습니다. 지상에서도 역시 아리스토텔레스의 견해는 끝났다.
수세기에 걸친 연금술사의 시도는 예상되는 결과를 가져 오지 못했습니다. 일반 금속을 금으로 바꾸지 못했습니다. 점점 더 많은 과학자들이 원소 자체의 존재에 의문을 제기했고 데모크리토스의 이론을 기억했습니다.
4. 마그데부르크 반구에 대한 1654년의 실험은 진공과 대기압의 존재를 증명했습니다(16마리의 말은 공기가 펌핑된 이웃 반구를 부술 수 없습니다!)
로버트 보일은 1661년에 화학 원소를 화학적 분석으로 구성 요소로 분해할 수 없는 물질로 실용적으로 정의했습니다(3). 그는 물질이 모양과 크기가 다른 작고 단단하며 나눌 수 없는 입자로 구성되어 있다고 믿었습니다. 결합하여 물질을 구성하는 화합물 분자를 형성합니다.
Boyle은 이 작은 입자를 corpuscles 또는 "corpuscles"(라틴어 corpus = body의 축소형)라고 불렀습니다. 보일의 견해는 의심할 여지 없이 진공 펌프(Otto von Guericke, 1650)의 발명과 공기 압축용 피스톤 펌프의 개선에 의해 영향을 받았습니다. 진공의 존재와 압축의 결과로 공기 입자 사이의 거리를 변경할 가능성은 Democritus 이론에 찬성하여 증언되었습니다(4).
당대의 가장 위대한 과학자인 아이작 뉴턴 경도 원자 과학자였습니다. (5). Boyle의 견해를 바탕으로 그는 신체가 더 큰 형태로 융합된다는 가설을 제시했습니다. 작은 구멍과 고리로 이루어진 고대 시스템 대신 중력에 의해 묶였습니다.
5. G. Kneller의 아이작 뉴턴 경(1642-1727)의 초상화.
따라서 Newton은 전체 우주의 상호 작용을 통합했습니다. 하나의 힘이 행성의 움직임과 가장 작은 물질 구성 요소의 구조를 모두 제어했습니다. 과학자는 빛도 미립자로 구성되어 있다고 믿었습니다.
오늘날 우리는 그가 "절반은 옳았다"는 것을 알고 있습니다. 방사선과 물질 사이의 수많은 상호 작용은 광자의 흐름으로 설명됩니다.
화학이 작용한다
거의 XNUMX 세기 말까지 원자는 물리학 자의 특권이었습니다. 그러나 물질의 세분화된 구조에 대한 아이디어가 일반적으로 받아들여지게 된 것은 앙투안 라부아지에가 주도한 화학 혁명이었습니다.
물과 공기라는 고대 원소의 복잡한 구조가 발견되면서 마침내 아리스토텔레스의 이론이 반박되었습니다. XNUMX세기 말에 질량 보존 법칙과 원소 변형 불가능에 대한 믿음도 반대를 불러일으키지 않았습니다. 저울은 화학 실험실의 표준 장비가 되었습니다.
6. 존 달튼(1766-1844)
그것의 사용 덕분에 원소들이 서로 결합하여 일정한 질량 비율로 특정 화합물을 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다 (원래-천연 또는 인공적으로 얻은-및 합성 방법에 관계없이).
이 관찰은 물질이 하나의 전체를 구성하는 불가분의 부분으로 구성되어 있다고 가정하면 쉽게 설명할 수 있습니다. 원자. 현대 원자 이론의 창시자인 John Dalton(1766-1844)(6)도 이 길을 따랐습니다. 1808년에 한 과학자는 다음과 같이 말했습니다.
- 원자는 파괴할 수 없고 변경할 수 없습니다(물론 이것은 연금술적 변형의 가능성을 배제했습니다).
- 모든 물질은 불가분의 원자로 구성되어 있습니다.
- 주어진 원소의 모든 원자는 동일합니다. 즉, 모양, 질량 및 특성이 동일합니다. 그러나 다른 요소는 다른 원자로 구성됩니다.
- 화학 반응에서는 화학 화합물 분자가 만들어지는 원자 결합 방식 만 특정 비율로 변경됩니다 (7).
화학 변화 과정을 관찰한 또 다른 발견은 이탈리아 물리학자 Amadeo Avogadro의 가설이었습니다. 과학자는 동일한 조건(압력 및 온도)에서 동일한 부피의 기체가 동일한 수의 분자를 포함한다는 결론에 도달했습니다. 이 발견으로 많은 화합물의 공식을 확립하고 질량을 결정할 수 있게 되었습니다. 원자.
7. Dalton이 사용한 원자 기호(New System of Chemical Philosophy, 1808)
8. 플라톤 고체 - 고대 "원소"의 원자 기호(Wikipedia, 저자: Maxim Pe)
몇 번 자르나요?
원자에 대한 아이디어의 출현은 "물질 분할의 끝이 있습니까? "라는 질문과 관련이 있습니다. 예를 들어 직경 10cm의 사과와 칼을 가지고 과일을 자르기 시작합시다. 먼저 반으로 사과 반을 두 부분으로 더 나눕니다 (이전 절단과 평행). 물론 몇 번 후에 끝낼 것이지만 한 원자의 상상 속에서 실험을 계속하는 데 방해가되는 것은 없습니까? 천, 백만, 어쩌면 그 이상?
얇게 썬 사과를 먹은 후 (맛있다!) 계산을 시작합시다 (기하 수열의 개념을 아는 사람은 어려움이 적습니다). 첫 번째 분할은 두께가 5cm 인 과일의 절반을 제공하고 다음 절단은 두께가 2,5cm 인 슬라이스를 제공합니다. ... 10 구타! 그러므로 원자의 세계로 가는 "경로"는 그리 길지 않다.
*) 칼날이 무한히 얇은 칼을 사용하십시오. 실제로 그러한 물체는 존재하지 않지만 Albert Einstein은 그의 연구에서 빛의 속도로 움직이는 기차를 고려했기 때문에 사고 실험의 목적으로 위의 가정을 할 수도 있습니다.
플라톤 원자
고대의 가장 위대한 지성 중 한 사람인 플라톤은 티마코스의 대화에서 구성 요소가 되는 원자에 대해 설명했습니다. 이러한 형성은 규칙적인 다면체(Platonic solids)의 형태를 가졌습니다. 따라서 정사면체는 불의 원자(가장 작고 휘발성이 높음)이고, 팔면체는 공기의 원자이며, 정이십면체는 물의 원자입니다(모든 고체는 정삼각형의 벽을 가짐). 정사각형의 입방체는 지구의 원자이고 오각형의 십이면체는 이상적인 요소 인 천상의 에테르 (8)의 원자입니다.
