ОБЩИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ И УПАКОВОЧНЫХ ПРОЦЕССАХ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Исторический экскурс в развитие представлений о строении материи

Думается, что человек (homo sapiens) со времен своего появления на планете Земля пытался понять, из чего состоят окружающие его предметы. Определенных успехов в этом деле достигли древние греки. Так, Демокрит (460—370 гг. до н.э.) выдвинул представление об атомистическом строении вещества. Науки в современном ее понимании в те времена еще не существовало: ученые не проводили экспериментов, не выдвигали на их базе теорий, а лишь наблюдали и рассуждали, облачая свои выводы в некие философские категории.

Рассуждения Демокрита можно передать примерно таким образом. Возьмем яблоко и разрежем его на две части, каждую половинку снова разрежем. И так будем резать, резать и резать получающиеся кусочки, пока не дойдем до предела, когда, как ни старайся, разрезать их уже не получится. Эти маленькие частички, которые при всем желании уже разделить не удается, Демокрит и назвал атомами (греч. «неделимый»). Из его рассуждений следует, что каждое тело состоит из своих атомов и все окружающие нас вещи отличаются друг от друга этим разнообразием атомов в числе, величине, форме и порядке их расположения. Атомы воды круглые, а поскольку шары могут перекатываться, то жидкая вода способна течь. Атомы же железа с зазубринами, цепляющимися друг за друга, отсюда и известная прочность железа.

Следует отметить, что в Древней Греции, да и в последующие 2000 лет концепция атомизма не пользовалась популярностью. Даже в начале XX в. в некоторых учебниках по физике и химии можно было прочитать, что «атомы и молекулы — это воображаемые частицы». Другими словами, все эти палочки (валентности) и кругляшки (атомы) при изображении молекул — это лишь удобный способ объяснить происходящие химические превращения, а на самом деле их в телах нет.

Господствовала же в науке (в течение почти 2000 лет) система взглядов, созданная учеником Платона — Аристотелем (384—322 гг. до н.э.). Думается, что Аристотель был одним из самых гениальных людей, родившихся на планете Земля. После себя он оставил потрясающее воображение число работ — только по медицине 27 томов книг.

Платон считал Аристотеля лучшим своим учеником и говорил о нем как об «уме школы». Если Аристотель пропускал занятие, Платон сетовал — «разум отсутствует».

Аристотель считал, что все вещества состоят из четырех «элементов» — земли, огня, воздуха и воды. Их различная комбинация и дает все многообразие окружающего нас мира. Эту систему строения вещества обычно приводят как один из примеров глобального заблуждения человечества. Однако следует помнить, что именно она просуществовала почти 20 веков (какая еще теория может похвастаться таким долголетием), именно она питала научный поиск того времени. Так, основой алхимии была система взглядов Аристотеля. Пусть алхимики и не получили философский камень, который превращал бы неблагородные металлы в золото или серебро и давал его обладателю вечную молодость, но они открыли и синтезировали множество веществ. Теоретической базой ятрохимии (или иетрохимии) — химии лекарств — предшественницы современной фармации, также были взгляды Аристотеля. Говорят, что Парацельс — великий врач Средневековья (иетрохимик) мог исцелять болезни, плохо излечимые и сегодня, — рак, проказу и т.п.

Все эти годы атомистическая гипотеза была в забвении. Лишь Джордано Бруно (1548—1600) в своих известных книгах «О причине, начале и едином» (1584) и «О бесконечности, вселенной и мирах» (1584) попытался возродить ее в рамках общей новой картины космоса.

Это интересно

Дж. Бруно обладал феноменальной памятью. Когда в 1572 г. он получил сан священника, его вызвали в Рим продемонстрировать папе свои удивительные способности. Папский двор был потрясен, когда молодой монах прочитал предложенный ему текст и тут же повторил его вслух без единой ошибки. Преследуемый церковниками за свои взгляды, Дж. Бруно покинул Италию и странствовал по Франции, Англии, Германии. По возвращении в Италию (1592) он был арестован по доносу своего знакомого, обвинен в ереси и свободомыслии и провел много месяцев в застенках инквизиции. Его жестоко пытали, но ни иезуитам, ни доминиканским монахам не удалось добиться от Бруно отказа от своих идей. 17 февраля 1600 г. на римской Площади цветов его сожгли на костре. Как только был зажжен костер, началось сильное землетрясение, словно сама природа протестовала против казни.

В 1803 г. английский ученый Дж. Дальтон (1766—1844) открыл один из основных законов химии — закон кратных отношений, согласно которому если два вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа. Дальтон понял, что открытый закон легко объясняется, если предположить, что взаимодействуют атомы. Атом одного вещества связывается с одним, двумя или тремя атомами другого, отношение масс 1 : 1, 2 : 1,

3:1. Тем самым Дальтон «реанимировал» забытые идеи Демокрита. Атомы в такой трактовке по-прежнему считались неделимыми.

Представления о неделимости атомов просуществовали до конца XIX в. В 1895 г. французский физик А. Беккерель (1852—1908) установил, что соли урана испускают невидимое глазом излучение, засвечивающее фотоэмульсию. Это явление назвали радиоактивностью. Позже установили, что излучение складывается из лучей трех видов. Не зная природы лучей, их обозначили греческими буквами а, (3 и у. Позже Э. Резерфорд (1871—1937) установил, что а-лучи — поток ядер атомов гелия, (3-лучи — поток электронов, а улучи — самые коротковолновые электромагнитные волны (у-кванты). Немного раньше были открыты рентгеновские (или X) лучи. Так как лучи и частицы вылетают из недр атомов, стало понятно, что атомы имеют сложное строение.

Первую модель атома предложил в 1904 г. английский физик Дж. Томсон (1856—1940). Он постулировал, что атом — это сфера (капля) положительного электричества, внутри которой распределены электроны. Электроны в атоме напоминали английским острословам изюм в пудинге, отсюда неофициальное название модели — пудинго- вая модель атома. Электроны к тому времени уже были открыты (они образуют (3-лучи), а о природе положительного электричества, об его носителе ничего не было известно.

Просуществовала эта модель недолго: в 1911 г. английский физик Э. Резерфорд для объяснения опытов по рассеянию а-частиц на металлической фольге предложил планетарную модель атома, согласно которой любой атом состоит из ничтожно малого по размеру положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Электроны вращаются вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, отсюда и название модели — планетарная.

В 1919 г. были получены первые сведения о структуре ядер: в их составе были открыты протоны, а в 1932 г. открыли и другую частицу (Д. Чедвик, Д. Д. Иваненко), образующую ядра атомов, — нейтрон. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны (т.е. частицы ядра).

Протоны являются ядрами атомов легчайшего элемента — водорода. Протон имеет положительный электрический заряд ( + 1), по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду 1,602 • 10-19 Кл, его масса равна -1,672 • 10-27 кг.

Нейтрон, как это следует из его названия, не несет электрического заряда (он равен нулю), а его масса близка к массе протона: -1,675 • 10-27 кг. Эта частица устойчива только в составе стабильных атомных ядер, свободный же нейтрон распадается на электрон, протон и антинейтрино. Период полураспада (время, за которое распадается половина взятых ядер) нейтрона равен -12 мин.

Оказалось, однако, что планетарная модель противоречит теоретическим представлениям: согласно квантовой электродинамике вращающиеся по орбите электроны должны излучать энергию. Теряя же энергию, электроны вынуждены все ближе опускаться к ядру и в итоге должны упасть на него. Но атомы вечны! Это противоречие разрешила наука квантовая механика, созданная Э. Шрёдингером (1887—1961), В. Гейзенбергом (1901—1976) и другими в 1930-х гг. Но об этой науке и ее возможностях мы поговорим позже.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >