時代を超えてアトムと共に - パート1

前世紀はよく「原子の時代」と呼ばれます。 そう遠くないその時、私たちの周囲の世界を構成する「レンガ」の存在がついに証明され、その中に眠っていた力が解放されました。 しかし、原子という概念そのものには非常に長い歴史があり、物質の構造に関する知識の歴史についての物語は、古代に言及する言葉からしか始まりません。

1. プラトン（右側の哲学者にはレオナルド・ダ・ヴィンチの特徴がある）とアリストテレスを描いたラファエロのフレスコ画「アテネの学堂」の断片

「もう古代の……」

…哲学者たちは、自然界はすべて知覚できないほど小さな粒子で構成されているという結論に達しました。 もちろん、当時 (そしてその後長い間) 科学者には自分たちの仮説を検証する方法がありませんでした。 それらは、自然の観察を説明し、次の質問に答える試みにすぎませんでした。物質は無限に崩壊する可能性があるのでしょうか、それとも核分裂には終わりがあるのでしょうか?«

答えはさまざまな文化圏（主に古代インド）で与えられましたが、科学の発展はギリシャ哲学者の研究の影響を受けました。 『ヤング・テクニシャン』の昨年のホリデー号で、読者は何世紀にもわたる元素発見の歴史について学びました（「元素の危険」、MT 7-9/2014）。それも古代ギリシャで始まりました。 紀元前 XNUMX 世紀においてさえ、物質を構成する主成分 (元素、元素) は、水 (タレス)、空気 (アナクシメネス)、火 (ヘラクレイトス)、土 (クセノファネス) など、さまざまな物質に求められていました。

エンペドクレスは、物質は 1 つの要素ではなく XNUMX つの要素から構成されていると宣言することで、これらすべてを調和させました。 アリストテレス（紀元前 XNUMX 世紀）は、宇宙全体を満たすもう XNUMX つの理想的な物質であるエーテルを追加し、元素の変換の可能性を宣言しました。 一方、宇宙の中心に位置する地球は、いつも変わらない空に見守られていました。 アリストテレスの権威のおかげで、物質と全体の構造に関するこの理論は XNUMX 年以上にわたって有効であると考えられてきました。 それは、とりわけ、錬金術、ひいては化学そのものの発展の基礎となった（１）。

2. アブデラのデモクリトスの胸像 (紀元前 460 ～ 370 年)

しかし、並行して別の仮説も生まれました。 レウキッポス（紀元前３世紀）は、物質は次のもので構成されていると信じていました。 非常に小さな粒子 真空中を移動します。 哲学者の見解は、彼の弟子であるアブデラのデモクリトス (c. 460-370 BC) (2) によって開発されました。 彼は、物質の原子を構成する「ブロック」を「ブロック」と呼びました (ギリシャ語でアトモス = 分割できない)。 彼は、それらは不可分で不変であり、宇宙におけるそれらの数は一定であると主張しました. 原子は真空中で動きます。

時 原子 それらは（フックと目のシステムによって）接続されています-あらゆる種類の体が形成され、それらが互いに分離されると、体は破壊されます. デモクリトスは、形や大きさの異なる無数の種類の原子があると信じていました。 原子の特性が物質の特性を決定します。たとえば、甘い蜂蜜は滑らかな原子で構成され、酸っぱい酢は角張った原子で構成されています。 白い物体は滑らかな原子を形成し、黒い物体は表面が粗い原子を形成します。

材料の接続方法も物質の特性に影響します。固体では原子はしっかりと互いにフィットしますが、軟体では原子は緩く配置されます。 デモクリトスの見解の真髄は、「実際には、空虚と原子だけが存在し、他のものはすべて幻想である」という言葉です。

後の数世紀に、デモクリトスの見解は歴代の哲学者によって発展し、プラトンの著作にもいくつかの参照が見られます。 後継者の一人であるエピクロスは、こうさえ信じていた。 原子 それらはさらに小さな成分（「素粒子」）で構成されています。 しかし、物質の構造に関する原子理論はアリストテレスの要素に負けました。 それでも、鍵となるのは経験であることが判明しました。 原子の存在を確認する機器が登場するまでは、元素の変化は簡単に観察できました。

たとえば、水を加熱すると (冷たくて湿った要素)、空気が得られ (高温で湿った蒸気)、土が容器の底に残ります (水に溶けた物質の冷たくて乾燥した沈殿物)。 欠けている特性である暖かさと乾燥は、容器を加熱する火によって提供されました。

不変と定数 原子数 微生物はXNUMX世紀まで「何もないところから」出現すると考えられていたので、彼らは観察と矛盾していた. デモクリトスの見解は、金属の変換に関連する錬金術実験の根拠を提供しませんでした。 原子の無限の種類を想像して研究することも困難でした。 初等理論ははるかに単純に見え、周囲の世界をより説得力を持って説明しました。

3. ロバート・ボイルの肖像（1627–1691）、J・カーセブーム作。

堕落と再生

何世紀にもわたって、原子理論は主流の科学から離れていました。 しかし、彼女は完全に死んだわけではなく、彼女の考えは生き残り、古代の著作のアラビア語哲学翻訳の形でヨーロッパの科学者に伝わりました。 人間の知識の発展とともに、アリストテレスの理論の基礎は崩れ始めました。 ニコラウス・コペルニクスの地動説、どこからともなく現れる超新星（ティコ・デ・ブラス）の最初の観測、惑星運動の法則の発見（ヨハンス・ケプラー）、そして木星の衛星（ガリレオ）は、XNUMX世紀とXNUMX世紀に、人々は、世界の始まりから変わらぬ空の下で暮らさなくなった。 地球上でも、アリストテレスの見解には終わりがあった。

錬金術師たちの何世紀にもわたる試みは期待された結果をもたらさず、普通の金属を金に変えることはできませんでした。 ますます多くの科学者が元素そのものの存在に疑問を抱き、デモクリトスの理論を思い出しました。

4. 1654 年のマクデブルクの半球での実験は、真空と大気圧の存在を証明しました (16 頭の馬では、空気が送り出される隣接する半球を引き裂くことはできません!)。

ロバート・ボイルは 1661 年に、化学元素を化学分析によってその成分に分解できない物質として実際に定義しました (3)。 彼は、物質は形や大きさが異なる小さくて硬い、分割できない粒子で構成されていると信じていました。 それらが結合すると、物質を構成する化合物の分子が形成されます。

ボイルは、これらの小さな粒子を小体、または「小体」（ラテン語のコーパス = 体の縮称）と呼びました。 ボイルの見解は、間違いなく真空ポンプの発明 (オットー・フォン・ゲリケ、1650 年) と空気圧縮用のピストン・ポンプの改良に影響された。 真空の存在と、空気粒子間の距離を (圧縮の結果として) 変化させる可能性は、デモクリトスの理論を支持するものでした (4)。

当時最も偉大な科学者アイザック・ニュートン卿も原子科学者でした。 (5)。 ボイルの見解に基づいて、彼は体が融合してより大きな形になるという仮説を立てました。 アイレットとフックの古代のシステムの代わりに、それらの結び付けは、他の方法ではなく、重力によって行われました.

5. アイザック・ニュートン卿（1642-1727）の肖像、G. ネラー作。

このように、ニュートンは宇宙全体の相互作用を統一しました。つまり、XNUMX つの力が惑星の動きと物質の最小構成要素の構造の両方を制御しました。 その科学者は、光も微粒子から構成されていると信じていました。

今日、私たちは彼が「半分正しかった」ことを知っています - 放射線と物質の間の数多くの相互作用は光子の流れによって説明されます。

化学が登場します

ほぼXNUMX世紀の終わりまで、原子は物理学者の特権でした。 しかし、物質の粒状構造の概念が一般に受け入れられたのは、アントワーヌ ラヴォアジエによって始められた化学革命でした。

古代の要素である水と空気の複雑な構造の発見は、最終的にアリストテレスの理論を否定しました。 XNUMX 世紀末には、質量保存の法則と元素の変換は不可能であるという信念にも異議は唱えられませんでした。 天びんは化学実験室の標準装備となっています。

6. ジョン・ダルトン (1766–1844)

その使用のおかげで、要素が互いに結合し、一定の質量比率で特定の化合物を形成することがわかりました（それらの起源-天然または人工的に得られた-および合成方法に関係なく）。

この観察は、物質が単一の全体を構成する分割できない部分で構成されていると仮定すると簡単に説明できます。 原子。 この道は、現代原子理論の創始者であるジョン・ダルトン (1766-1844) によって踏襲されました (6)。 科学者は 1808 年に次のように述べています。

1. 原子は破壊できず、変更することもできません（もちろん、これには錬金術的な変換の可能性は除外されます）。
2. すべての物質は分割できない原子で構成されています。
3. 特定の元素の原子はすべて同じです。つまり、同じ形状、質量、特性を持っています。 ただし、異なる元素は異なる原子から構成されます。
4. 化学反応では、原子を結合する方法のみが変化し、そこから化学化合物の分子が構築されます-特定の比率で(7)。

もう一つの発見は、同じく化学変化の進行の観察に基づいたもので、イタリアの物理学者アマデオ・アボガドロの仮説でした。 科学者は、同じ条件（圧力と温度）下の同体積の気体には同じ数の分子が含まれるという結論に達しました。 この発見により、多くの化合物の式を確立し、質量を決定することが可能になりました。 原子.

7. ダルトンが使用した原子記号 (化学哲学の新体系、1808 年)

8. プラトン立体 - 古代の「元素」の原子の記号 (Wikipedia、著者: Maxim Pe)

何回カットするの？

原子という概念の出現は、「物質の分割に終わりはあるのか？」という疑問と関連していました。 たとえば、直径10cmのリンゴとナイフを用意して、果物を切り始めます。 最初は半分に、次に半分のリンゴを（前のカットと平行して）さらに XNUMX つの部分に分けます。数回繰り返したら、もちろん終了しますが、XNUMX つの原子の想像力で実験を続けることを妨げるものは何もありません。 XNUMX、XNUMX万、あるいはそれ以上でしょうか？

スライスしたリンゴを食べたら（おいしい！）、計算を始めましょう（等比数列の概念を知っている人はそれほど苦労しません）。 最初の分割では厚さ 5 cm の果物の半分が得られ、次のカットでは厚さ 2,5 cm のスライスが得られます。... 10 個壊れました。 したがって、原子の世界への「道」は長くありません。

※）限りなく薄い刃の包丁を使用しております。 実際にはそのような物体は存在しませんが、アルバート・アインシュタインの研究には光の速度で移動する列車が含まれていたため、思考実験の目的で上記の仮定を行うことも許可されています。

プラトン原子

古代の最も偉大な知性の一人であるプラトンは、対話篇「ティマコス」の中で、元素が構成されると考えられる原子について説明しました。 これらの地層は正多面体 (プラトン立体) の形状をしていました。 つまり、四面体は火の原子（最も小さく、最も揮発性が高い）、八面体は空気原子、二十面体は水原子（すべての固体は正三角形の壁を持っています）でした。 正方形の立方体は地球の原子であり、五角形の十二面体は理想元素である天のエーテルの原子です (8)。