Дальтон. Атомная теория

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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.

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-тс²) 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.

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.

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.

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.

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 (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.

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 Н₂О), а аммиака — NH (вместо NH₃).

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.

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.

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 (Н₂, 2,012 грамма) или 1 моль углерода (С, 12 граммов, взятых как образец) содержат 6, 0221367 х 10²³ 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 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.