Как узнали про атомы?

Серия «Простыми словами»

Д. В. Наумов

Атомы

• Атомы — элементы конструктора, из которых строится вещество вокруг нас.
• Размер атома порядка \(10^{-10}\) м \(= 10^{-4}\) мкм \(= 0{,}1\) нм.
• Предел оптического микроскопа порядка \(0{,}2\) мкм \(= 200\) нм.

Как узнали про атомы?

Всё началось… с древних греков

Аристотель, 384 до н. э.

«Делить пополам можно до бесконечности»

Демокрит, 460 до н. э.

«Делить можно лишь до неделимого — атома»

Аристотель: римская копия бюста работы Лисиппа, Палаццо Альтемпс; фото Jastrow, Wikimedia Commons, общественное достояние. Демокрит: гравюра неизвестного автора, Wikimedia Commons, общественное достояние.

Бритва Хитченса

Демокрит не предоставил никаких доказательств существования атома.

Многие ему не поверили…

То, что можно утверждать без доказательств, можно и отвергнуть без доказательств.

Алхимик Джабир ибн Хайян (VIII век)

Бродящие фрукты разложил на части:

• вода
• спирт
• уксусная кислота
• сахар

Сложные вещества состоят из простых!

Антуан и Мари-Анн Лавуазье (XVIII век)

Ж.-Л. Давид, «Портрет Антуана Лавуазье и его жены», 1788. Метрополитен-музей. Wikimedia Commons, общественное достояние.

Они пошли дальше и поняли, что вещества состоят из ещё более простых веществ: например, вода состоит из кислорода и водорода.

Кислород и водород нельзя разделить на более простые вещества.

Существуют элементы, из которых состоит вещество.

Элементы

• С этого момента химики стали искать и находить новые химические элементы,
• постепенно заполняя всю периодическую таблицу Менделеева: сегодня в ней 118 элементов.

Джон Дальтон (около 1800 года)

SnO

13,5 г кислорода

1

SnO₂

27 г кислорода

2

Джон Дальтон, 1766–1844

FeO = Fe₂O₂

28 г кислорода

2

Fe₂O₃

42 г кислорода

3

На 100 г олова или железа в разных оксидах приходится кислород в отношении 1 : 2 и 2 : 3.

Химические элементы сочетаются друг с другом «поштучно».

Фото с Wikimedia Commons: SnO — Chemicalinterest, Fe₂O₃ — Benjah-bmm27, FeO — Fuzic (общественное достояние); SnO₂ — Materialscientist, CC BY-SA 3.0. Портрет: Т. Филлипс, 1835, общественное достояние.

Альберт Эйнштейн (1905)

В статье о броуновском движении он показал, как можно измерить число Авогадро, а через него — размер атомов.

В 1908–1909 годах Жан Перрен экспериментально подтвердил теорию Эйнштейна, измерив \(N_A\).

Тепловое движение молекул газа. A. Greg, Wikimedia Commons, общественное достояние.

Увидеть атом

В обычный микроскоп атом увидеть не получится: атом слишком мал.

Физики из Принстона смогли отличить химически похожие атомы железа и кобальта по форме их электронных облаков (2023).

Снимок сделан атомно-силовым микроскопом: игла ощупывает молекулу, лежащую на меди.

P. Chen et al., Nat. Commun. 14, 1460 (2023), рис. 2a; CC BY 4.0.

Как узнали про атомы?

• Вещество состоит из элементов.
• Элементы соединяются «поштучно».
• Броуновское движение позволило сосчитать атомы.
• Зондовые микроскопы позволили разглядеть атомы.