BİT'in ana hükümleri. Moleküllerin varlığının kanıtı

1. BİT'in ana hükümleri. Moleküllerin varlığının kanıtı. Moleküllerin boyutları ve kütlesi.

Moleküler kinetik teorinin temel hükümleri.

1). Herhangi bir maddenin ayrık (süreksiz) bir yapısı vardır. Aralıklarla ayrılmış en küçük parçacıklardan - moleküller ve atomlardan oluşur. Moleküller en küçük parçacıklardır kimyasal özellikler bu maddenin. Atomlar, belirli bir maddeyi oluşturan kimyasal elementlerin özelliklerine sahip en küçük parçacıklardır.

2). Moleküller, termal olarak adlandırılan sürekli bir kaotik hareket halindedir. Bir madde ısıtıldığında ısıl hareket hızı ve parçacıklarının kinetik enerjisi artar, soğutulduğunda ise azalır. Bir cismin ısınma derecesi, bu cismin moleküllerinin translasyon hareketinin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsü olan sıcaklığı ile karakterize edilir.

3). Etkileşimleri sürecinde, moleküller arasında çekim ve itme kuvvetleri ortaya çıkar.

^ Moleküler kinetik teorinin deneysel olarak doğrulanması

Maddelerde geçirgenlik, sıkıştırılabilirlik ve çözünürlüğün varlığı, bunların sürekli olmadıklarını, ayrı, aralıklı parçacıklardan oluştuğunu gösterir. Kullanarak modern yöntemlerçalışmalar (elektron ve iyon mikroskopları) en büyük moleküllerin görüntülerini elde etmeyi başardı.

Brown hareketi ve parçacık difüzyonu gözlemleri, moleküllerin sürekli hareket halinde olduğunu göstermiştir.

Vücutların mukavemet ve elastikiyetinin varlığı, ıslanabilirlik, yapışma, sıvılarda yüzey gerilimi vb. - tüm bunlar moleküller arasındaki etkileşim kuvvetlerinin varlığını kanıtlar.

^ Brown hareketi.

1827'de İngiliz botanikçi Brown, bir mikroskop aracılığıyla suda polen süspansiyonunu gözlemleyerek, polen tanelerinin sürekli olarak düzensiz hareket ettiğini keşfetti. Bir sıvı içinde asılı duran katının çok küçük parçacıklarının düzensiz hareketine Brownian hareketi denir. Brownian hareketinin sınırsız bir zaman aldığı bulundu. Bir sıvı içinde asılı halde bulunan parçacıkların hareket yoğunluğu, bu parçacıkların maddelerine değil boyutlarına bağlıdır. Büyük parçacıklar sabit kalır. Brownian hareketinin yoğunluğu, sıvının artan sıcaklığı ile artar ve azalan sıcaklık ile azalır. Bir sıvı içinde asılı kalan parçacıklar, onlarla çarpışan sıvı moleküllerin etkisi altında hareket eder. Moleküller düzensiz hareket eder, bu nedenle asılı parçacıklar üzerinde hareket ettikleri kuvvetler büyüklük ve yön olarak sürekli değişir. Bu, asılı parçacıkların düzensiz hareketine yol açar. Böylece, Brownian hareketi, moleküllerin varlığını ve termal hareketlerinin kaotik doğasını açıkça doğrular. (Brown hareketinin nicel teorisi 1905'te Einstein tarafından geliştirildi.)
difüzyon ile Birbirine bitişik maddelerin moleküllerinin birbirlerinin moleküller arası boşluklarına kendiliğinden karşılıklı nüfuz etme olgusuna denir. (Yarı geçirgen bölmelerden difüzyona ozmoz denir.) Gazlardaki difüzyona bir örnek, kokuların difüzyonudur. Sıvılarda, farklı yoğunluktaki sıvıların yerçekimi etkisine karşı karışma, difüzyonun açık bir tezahürüdür (bu durumda, daha ağır bir sıvının molekülleri yükselir ve daha hafif bir sıvı - aşağı iner). Difüzyon da oluşur katılar... Bu, şu deneyimle kanıtlanmıştır: Üst üste yerleştirilmiş iki cilalı düz altın ve kurşun levha, 5 yıl boyunca oda sıcaklığında tutulmuştur. Bu süre zarfında, plakalar birlikte büyümüş, altın molekülleri kurşuna ve kurşun molekülleri altına 1 cm derinliğe nüfuz ederek tek bir bütün oluşturmuştur.1 Difüzyon hızı maddenin agregasyon durumuna ve sıcaklığa bağlıdır. . Sıcaklıktaki bir artışla difüzyon hızı artar ve bir azalma ile azalır.

^ Moleküllerin boyutları ve kütlesi

Molekülün boyutu koşullu bir değerdir. Aşağıdaki gibi değerlendirilir. Moleküller arasında çekim kuvvetleriyle birlikte itme kuvvetleri de etki eder, bu nedenle moleküller ancak belirli bir mesafeye yaklaşabilir. İki molekülün merkezlerinin maksimum yaklaşma mesafesine molekülün etkin çapı denir ve o ile gösterilir (geleneksel olarak moleküllerin küresel bir şekle sahip olduğu düşünülür). Çok fazla sayıda atom içeren organik maddelerin molekülleri dışında, moleküllerin büyüklük sırasına göre çoğu 10 -10 m çapa ve 10-26 kg kütleye sahiptir.

^ Akraba moleküler kütle

Atomların ve moleküllerin kütleleri son derece küçük olduğundan, hesaplamalarda genellikle mutlak değil, atomların ve moleküllerin kütlelerinin karşılaştırılmasıyla elde edilen bağıl kütleler kullanılır. atom birimi bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'si olarak seçilen kütle (yani, atomik kütlelerin karbon ölçeğini kullanın). bağıl moleküler(veya atomik) kitle m r(veya A r) bir maddenin kütlesi, bu maddenin bir molekülünün (veya atomunun) kütlesinin, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine oranına eşit bir değer olarak adlandırılır 12 C. Bağıl moleküler (atomik) kütle, boyut yok. Her kimyasal elementin bağıl atom kütlesi periyodik tabloda belirtilmiştir. Bir madde, çeşitli kimyasal elementlerin atomlarından oluşan moleküllerden oluşuyorsa, bu maddenin nispi moleküler ağırlığı, bu maddeyi oluşturan elementlerin nispi atom kütlelerinin toplamına eşittir.

^ Madde miktarı

Bir vücutta bulunan madde miktarı, bu vücuttaki molekül sayısı (veya atom sayısı) ile belirlenir. Makroskopik cisimlerdeki molekül sayısı çok fazla olduğundan, bir cisimdeki madde miktarını belirlemek için bu cisimdeki molekül sayısı 0.012 kg karbondaki atom sayısı ile karşılaştırılır. Başka bir deyişle, madde miktarı v belirli bir cisimdeki molekül (veya atom) N sayısının 12 g karbondaki N A atom sayısına oranına eşit bir değere, yani.

v = N / N A . Maddenin miktarı mol olarak ifade edilir. Bir mol, karbon-12'de 0.012 kg ağırlığındaki atomlarla aynı sayıda yapısal element (atom, molekül, iyon) içeren bir sistemdeki madde miktarına eşittir.

^ Avogadro sabiti. Molar kütle

Köstebek tanımına göre, herhangi bir maddenin 1 molü aynı sayıda molekül veya atom içerir. Bu N A sayısı, sayıya eşit Avogadro sabiti olarak adlandırılan karbonun 0.012 kg (yani 1 mol) içindeki atomlar. Herhangi bir maddenin molar kütlesi M, bu maddenin 1 mol kütlesi olarak adlandırılır. Molar kütle maddeler mol başına kilogram olarak ifade edilir.

Bir maddenin miktarı şu şekilde bulunabilir:

Bir molekülün kütlesi şu şekilde bulunabilir:
veya bağıl moleküler ağırlığın, amu cinsinden ifade edilen bir molekülün kütlesine sayısal olarak eşit olduğu göz önüne alındığında. (1 amu = 1.6610 -27 kg).

^ 2. Gaz, sıvı ve katı cisimlerin yapısı

Dört tane var toplu durumlar maddeler - katı, sıvı, gaz ve plazma.

Bir maddenin moleküllerinin minimum potansiyel enerjisi W P, termal hareketlerinin W K ortalama kinetik enerjisinden çok daha azsa (yani, W P> W K, o zaman madde katı haldedir.

Düşük basınç ve düşük sıcaklıktaki gazlarda, moleküller birbirlerinden boyutlarından çok daha büyük mesafelerde bulunur. Bu koşullar altında, gaz molekülleri moleküller arası çekim kuvvetleriyle bağlı değildir. Gazın kapladığı tüm hacim boyunca düzensiz hareket ederler. Gaz moleküllerinin etkileşimi ancak birbirleriyle ve gazın bulunduğu kabın duvarlarıyla çarpıştıklarında gerçekleşir. Bu çarpışmalardaki momentum transferi, gazın ürettiği basıncı belirler. Bir molekülün birbirini izleyen iki çarpışma arasında kat ettiği mesafeye moleküler ortalama serbest yol denir. Gaz molekülleri iki veya daha fazla atomdan oluşuyorsa, çarpışma üzerine döner hareket... Bu nedenle, gazlarda moleküller esas olarak öteleme ve dönme hareketi gerçekleştirir.

Sıvılarda, moleküller arasındaki mesafe, etkin çaplarıyla karşılaştırılabilir. Moleküllerin birbirleriyle etkileşim kuvvetleri oldukça büyüktür. Sıvı moleküller geçici denge konumları etrafında salınır. Bununla birlikte, sıvılarda, WP ~ W K, bu nedenle, kaotik çarpışmaların bir sonucu olarak fazla kinetik enerji almış olan tek tek moleküller, komşu moleküllerin cazibesinin üstesinden gelir ve etrafında tekrar salınım hareketi gerçekleştirdikleri yeni denge konumlarına hareket eder. Sıvı moleküllerin denge konumlarına yakın titreşim süresi çok kısadır (yaklaşık 10 -10 - 10 -12 s), bundan sonra moleküller yeni konumlara geçiş yapar. Sonuç olarak, sıvının molekülleri geçici denge merkezleri etrafında salınım hareketi yapar ve aniden bir denge konumundan diğerine geçer (bu tür hareketler nedeniyle sıvı akışkanlığa sahiptir ve bulunduğu kabın şeklini alır) . Bir sıvı, yakındaki moleküllerin düzeninde belirli bir düzenin olduğu, sıvının tüm hacmi boyunca tekrarlanmayan ve zamanla değişen birçok mikroskobik bölgeden oluşur. Bu tür parçacık sıralamasına kısa menzilli sıralama denir.

Katılarda, moleküller arasındaki mesafe sıvılardan bile daha azdır. Katıların moleküllerinin birbirleriyle etkileşim kuvvetleri o kadar büyüktür ki, moleküller birbirlerine göre belirli konumlarda tutulur ve sabit denge merkezleri etrafında titreşir. Katılar kristal ve amorf olarak ikiye ayrılır. Kristal cisimler, sözde kristal kafeslerle karakterize edilir - uzayda moleküllerin, atomların veya iyonların düzenli ve periyodik olarak tekrarlanan düzenlemesi. Eğer keyfi bir düğüm aracılığıyla kristal kafes herhangi bir yönde düz bir çizgi çizin, daha sonra bu düz çizgi boyunca eşit mesafede bu kafesin diğer düğümleri olacaktır, yani bu yapı kristal gövdenin tüm hacmi boyunca tekrarlanır. Bu tür parçacık sıralamasına uzun menzilli sıralama denir. Amorf cisimlerde (cam, reçine ve bir dizi başka madde) uzun menzilli düzen ve kristal kafes yoktur, bu da amorf cisimleri özelliklerde sıvılara benzer kılar. Bununla birlikte, amorf cisimlerde moleküller, sıvılardan çok daha uzun süre geçici denge konumları etrafında titreşir. Katılarda, moleküller ağırlıklı olarak titreşimsel hareket gerçekleştirir (difüzyon fenomeninin kanıtladığı gibi, öteleme olarak hareket eden tek tek moleküller olmasına rağmen).

^ 3. Stern'in deneyimi. Moleküllerin hız dağılımı

Gaz molekülleri hareket eder yüksek hızlarçarpışmadan hemen önce. Oda sıcaklığında, hava moleküllerinin hızı saniyede birkaç yüz metreye ulaşır. Moleküllerin bir çarpışmadan diğerine ortalama olarak kat ettikleri mesafeye moleküllerin ortalama serbest yolu denir. Oda sıcaklığında, hava moleküllerinin ortalama 10-7 m serbest yolu vardır.Hareket rastgeleliği nedeniyle moleküller çok farklı hızlara sahiptir. Ancak belirli bir sıcaklıkta, hangi hıza yakın olduğunu belirlemek mümkündür. en büyük sayı moleküller.

En fazla sayıda molekülün sahip olduğu hıza , en olası hız denir.

Sadece çok az sayıda molekül sıfıra yakın veya sonsuz hıza sahiptir. büyük bir değer birçok kez en olası hız. Ve elbette, hızı sıfır veya sonsuz yüksek moleküller yoktur. Ancak moleküllerin çoğu, en olasıya yakın bir hıza sahiptir.

Sıcaklığın artmasıyla moleküllerin hızları artar. Ancak, hızlardaki yayılma arttığından, hızı en olasıya yakın olan moleküllerin sayısı azalır ve hızları en olası olandan önemli ölçüde farklı olan moleküllerin sayısı artar. Yüksek hızlarda hareket eden moleküllerin sayısı artar ve düşük hızlarda azalır. VE Herhangi bir gaz hacmindeki çok sayıda molekül nedeniyle, gaz bir denge durumundaysa, yani içinde akış yoksa, herhangi bir koordinat ekseni boyunca hareket yönleri eşit derecede olasıdır. Bu, bir molekülün herhangi bir yönlendirilmiş hareketinin, aynı hızda başka bir molekülün yönsüz hareketine karşılık geldiği anlamına gelir, yani bir molekül, örneğin ileri hareket ederse, o zaman kesinlikle aynı hızla geri hareket eden başka bir molekül olacaktır. Bu nedenle, yönleri dikkate alındığında moleküllerin hareket hızı, tüm moleküllerin ortalama hızı ile karakterize edilemez, her zaman sıfır olacaktır, çünkü koordinat eksenlerinden biriyle aynı yönlü pozitif bir hız, bir ile toplanacaktır. bu eksene negatif hız anti-yön. Tüm moleküllerin hızlarının değerlerinin karesi alınırsa, tüm eksiler kaybolacaktır. Tüm moleküllerin hızlarının karelerini toplayıp N moleküllerinin sayısına bölersek, yani tüm moleküllerin hızlarının karelerinin ortalama değerini belirleyin ve sonra çıkarın. Kare kök bu değerden sonra artık sıfıra eşit olmayacak ve moleküllerin hareket hızını karakterize etmek mümkün olacaktır. Tüm moleküllerin hızlarının karelerinin ortalamasının kareköküne, bunların ortalama kare hızlarının kök hızı denir.
... Moleküler fiziğin denklemlerinden şu sonucu çıkar:
.

^ Stern'in Deneyimi.

Moleküllerin hızının ilk deneysel tespiti 1920'de Alman fizikçi O. Stern tarafından yapıldı. Atomların ortalama hızını belirledi. Deneyin şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.

Düz bir yatay taban üzerinde, tabanla birlikte OO 1'in dikey ekseni etrafında dönebilen iki koaksiyel silindirik yüzey 1 ve 2 sabitlenmiştir. Yüzey 1 katıdır ve n
Yüzey 2, OO 1 eksenine paralel dar bir yarığa 4 sahiptir. Bu eksen, içinden bir elektrik akımının geçtiği platin gümüş kaplı bir teldir (3). Tüm sistem, havanın boşaltıldığı (yani bir vakumda) bir bölmede bulunur. Tel yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Yüzeyinden buharlaşan gümüş atomları, iç silindir 2'yi doldurur. Bu atomların dar bir demeti, silindir 2'nin duvarındaki 4 numaralı yarıktan geçerek silindir 1'in iç yüzeyine ulaşır. Silindirler sabit ise, gümüş atomları biriktirilir. bu yüzeyde yarıklara paralel dar bir şerit şeklinde (B noktası), (silindirlerin yatay bir düzlemle bölümü).

Silindirler sabit döndürüldüğünde açısal hız atomların yarıktan dış silindirin yüzeyine uçtuğu t süresi boyunca OO 1 ekseni etrafında (yani, farka eşit AB mesafesini kaplarlar)
bu silindirlerin yarıçapları), silindirler bir  açısı boyunca dönerler ve atomlar başka bir yerde bir şerit şeklinde biriktirilir (C noktası, Şekil b). Birinci ve ikinci durumda atomların birikme yerleri arasındaki mesafe s'ye eşittir.

biz atomik hareketin ortalama hızıdır ve v = R, dış silindirin doğrusal hızıdır. Sonra
... Kurulumun parametrelerini bilerek ve deneysel olarak ölçerek, atomların ortalama hareket hızını belirlemek mümkündür. Stern'in deneyinde gümüş atomlarının ortalama hızının 650 m/s olduğu bulundu.

Dağlar, yıldızlar, insanlar - etrafta gördüğümüz her şey küçük atomlardan oluşuyor. Atomlar küçüktür. Çok çok fazla. Tüm maddenin bu küçük şeylerin kümelerinden oluştuğunu çocukluktan biliyoruz. Çıplak gözle görülemeyeceğini de biliyoruz. Doğrulayamadan bu ifadelere körü körüne inanmak zorunda kalıyoruz. Atomlar birbirleriyle etkileşir ve dünyamızı tuğla tuğla oluşturur. Bunu nasıl biliyoruz? Pek çok insan bilim adamlarının iddialarını gerçek değeriyle ele almaktan hoşlanmaz. Bilimle birlikte, atomları anlamaktan doğrudan varlıklarını kanıtlamaya geçelim.

Atomların varlığını kanıtlamanın kolay bir yolu varmış gibi görünebilir: onları mikroskop altına koymak. Ama bu yaklaşım işe yaramayacak. En güçlü ışık odaklı mikroskoplar bile tek bir atomu görselleştiremez. Işık dalgalarını yansıttığı için cisim görünür hale gelir. Atomlar, görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür ve hiç etkileşime girmezler. Başka bir deyişle, atomlar ışığa bile görünmez. Bununla birlikte, atomların görebildiğimiz bazı şeyler üzerinde gözlemlenebilir etkileri vardır.

Yüzlerce yıl önce, 1785'te Hollandalı bilim adamı Jan Ingenhauzh, anlayamadığı garip bir fenomeni inceledi. Kömür tozunun en küçük parçacıkları laboratuvarındaki bir miktar alkolün yüzeyinde geziniyordu.

50 yıl sonra, 1827'de İskoç botanikçi Robert Brown, oldukça benzer bir şey tanımladı. Brown, polen granüllerini mikroskop altında inceleyerek, bazı granüllerin küçük parçacıklar yaydığını ve daha sonra rastgele, gergin bir dansla polenden ayrıldığını buldu.

İlk başta Brown, parçacıkların bir tür bilinmeyen organizma olduğunu düşündü. Deneyi, açıkça cansız olan taş tozu gibi diğer maddelerle tekrarladı ve yine garip hareketi gördü.

Bilimin bir açıklama bulması neredeyse yüz yıl sürdü. Einstein geldi ve o belirli hareket türünü öngören bir matematiksel formül geliştirdi - daha sonra Robert Brown'dan sonra Brownian hareketi olarak adlandırıldı. Einstein'ın teorisi, polen granüllerinin parçacıklarının, milyonlarca küçük su molekülü - atomlardan oluşan moleküller - onlara çarparken sürekli hareket etmesiydi.

Londra'daki Bilim Müzesi'nin küratörü olan Cambridge Üniversitesi'nden Harry Cliff, "Gözlemlediğiniz bu sinirli hareketin aslında tek tek su moleküllerinin toz parçacıkları veya sahip olduğunuz her şey üzerindeki etkisinden kaynaklandığını açıkladı" diye açıklıyor.

1908 yılına gelindiğinde, hesaplamalarla desteklenen gözlemler, atomların gerçek olduğunu gösterdi. Fizikçiler on yılda önemli ilerleme kaydettiler. Tek tek atomları gererek iç yapılarını anlamaya başladılar.

Atomların ayrılabilmesi şaşırtıcıydı - özellikle "atom" adının Yunanca "bölünemez" anlamına gelen "atomos" kelimesinden geldiği gerçeği ışığında. Ancak fizikçiler artık atomların temel tuğlalardan uzak olduğunu biliyorlar. Üç ana bölümden oluşurlar: protonlar, nötronlar ve elektronlar. Protonların ve nötronların birlikte sistemin merkezinde bir "güneş" veya çekirdek oluşturduğunu hayal edin. Elektronlar, gezegenler gibi bu çekirdeğin yörüngesinde dönerler.

Atomlar hayal edilemeyecek kadar küçükse, bunlar atom altı parçacıklardır. Komik, ama üçünün en küçük parçacığı ilk keşfedildi - bir elektron. Boyut farkını anlamak için, bir çekirdekteki protonların bir elektrondan 1.830 kat daha büyük olduğunu unutmayın. Yörüngede bir lolipop hayal edin sıcak hava balonu- tutarsızlık böyle bir şey olacak.

Ama bu parçacıkların orada olduğunu nasıl biliyorduk? Cevap, küçük olsalar da büyük bir etkiye sahip olmalarıdır. Elektronları keşfeden İngiliz fizikçi Thomson, 1897'de varlıklarını kanıtlamak için mükemmel bir yöntem kullandı.

Bir Crookes borusu vardı - havanın çoğunu makine tarafından emilen gülünç bir cam parçası. Tüpün bir ucuna negatif bir elektrik yükü uygulandı. Bu yük, tüpte kalan gazın moleküllerinden bazı elektronları koparmak için yeterliydi. Elektronlar negatif yüklüdür, bu yüzden tüpün diğer ucuna uçarlar. Kısmi vakum sayesinde elektronlar, yollarında büyük atomlarla karşılaşmadan tüpün içinden uçtu.

Elektrik yükü, elektronların çok hızlı hareket etmesine neden oldu - saniyede 59.500 kilometre - uzak uçtaki cama çarpıp atomlarında saklanan daha fazla elektronu devirene kadar. Şaşırtıcı bir şekilde, bu akıllara durgunluk verecek kadar küçük parçacıklar arasındaki çarpışma o kadar çok enerji üretti ki, fantastik bir yeşil-sarı parıltı üretti.

Cliff, “Bir bakıma ilk parçacık hızlandırıcılardan biriydi” diyor. "Tüpün bir ucundaki elektronları diğerine hızlandırır ve diğer ucunda ekrana çarparak fosforlu bir parıltı üretir."

Thomson, elektron demetlerini mıknatıslar ve elektrik alanları ile manipüle edebileceğini keşfettiğinden, bunların sadece garip ışık demetleri olmadığını biliyordu - yüklü parçacıklardı.

Ve bu elektronların atomlarından bağımsız olarak nasıl uçabildiğini merak ediyorsanız, bunun nedeni - bu durumda - bir elektrik yükünün bir atomun yapısını değiştirdiği ve elektronları yakındaki boşluğa fırlattığı bir iyonizasyon sürecidir.

Özellikle elektronların manipüle edilmesi ve hareket ettirilmesi çok kolay olduğu için elektrik devreleri mümkün hale geldi. Bir bakır teldeki elektronlar, bir bakır atomundan diğerine tren gibi hareket eder - bu nedenle tel, tel üzerinden iletilir. Atomlar, daha önce de söylediğimiz gibi, maddenin bütün parçaları değil, değiştirilebilen veya parçalara ayrılabilen sistemlerdir. yapısal elemanlar.

Elektronun keşfi, atomlar hakkında daha fazla şey öğrenmenin gerekli olduğunu gösterdi. Thomson'ın çalışması elektronların negatif yüklü olduğunu gösterdi - ancak atomların kendi başlarına ortak bir yükü olmadığını biliyordu. Negatif yüklü elektronları dengelemek için gizemli pozitif yüklü parçacıklar içermeleri gerektiğini önerdi.

20. yüzyılın başları bu pozitif yüklü parçacıkları ortaya çıkarırken, aynı zamanda güneş sistemine benzer şekilde atomun iç yapısını da ortaya çıkardı.

Ernest Rutherford ve meslektaşları çok ince bir metal folyo aldılar ve onu pozitif yüklü bir radyasyon demetinin - bir küçük parçacık akımı - altına yerleştirdiler. Rutherford'un düşündüğü gibi, folyonun kalınlığı göz önüne alındığında, güçlü radyasyonun çoğu doğrudan geçti. Ancak, bilim adamlarını şaşırtacak şekilde, bunun bir kısmı geri döndü.

Rutherford, metal folyodaki atomların pozitif yüklü küçük, yoğun bölgeler içermesi gerektiğini öne sürdü - başka hiçbir şey bu kadar güçlü radyasyonu yansıtma potansiyeline sahip olamazdı. Bir atomdaki pozitif yükleri keşfetti ve aynı anda hepsinin elektronlardan farklı olarak yoğun bir kütleye bağlı olduğunu kanıtladı. Başka bir deyişle, bir atomda yoğun bir çekirdeğin varlığını gösterdi.

Sorun kaldı. O zamana kadar, atomun kütlesini zaten hesaplayabilirlerdi. Ancak çekirdekteki parçacıkların ne kadar ağır olması gerektiğine dair veriler göz önüne alındığında, hepsinin pozitif yüklü olduğu fikri mantıklı gelmiyordu.

Cliff, "Karbon'un çekirdeğinde altı elektron ve altı proton var - altı pozitif yük ve altı negatif yük" diye açıklıyor. "Fakat karbon çekirdeği altı proton ağırlığında değil, 12 protona eşdeğerdir."

İlk başta, altı tane daha olduğu öne sürüldü. nükleer parçacıklar bir proton kütlesine sahip, ancak negatif yüklü: nötronlar. Ama kimse kanıtlayamazdı. Aslında nötronlar 1930'lara kadar bulunamadı.

Cambridge fizikçisi James Chadwick, nötronu keşfetmek için çaresizdi. Uzun yıllar bu teori üzerinde çalıştı. 1932'de bir atılım yapmayı başardı.

Birkaç yıl önce, diğer fizikçiler radyasyonla deneyler yapmıştı. Rutherford'un çekirdek arayışında kullandığı tip pozitif yüklü radyasyonu berilyum atomlarına fırlattılar. Berilyum kendi radyasyonunu yayar: pozitif veya negatif yüklü olmayan ve malzemenin derinliklerine nüfuz edebilen radyasyon.

Bu zamana kadar, diğerleri gama radyasyonunun nötr olduğunu ve derinlere nüfuz ettiğini anladılar, bu yüzden fizikçiler berilyum atomları tarafından yayılanın tam olarak bu olduğuna inanıyorlardı. Ama Chadwick öyle düşünmüyordu.

Bağımsız olarak yeni radyasyon üretti ve onu proton açısından zengin olduğunu bildiği bir maddeye yöneltti. Beklenmedik bir şekilde, protonların, aynı kütleye sahip parçacıklar tarafından sanki diğer toplar tarafından bilardo topları gibi malzemeden fırlatıldığı ortaya çıktı.

Gama radyasyonu protonları bu şekilde yansıtamaz, bu nedenle Chadwick istenen parçacıkların bir proton kütlesine, ancak farklı bir elektrik yüküne sahip olması gerektiğine karar verdi: ve bunlar nötronlardır.

Atomun tüm ana parçacıkları bulundu, ancak hikaye burada bitmiyor.

Atomlar hakkında daha önce bildiğimizden çok daha fazlasını öğrenmiş olsak da, onları görselleştirmek zordu. 1930'larda kimsede resimleri yoktu ve birçok insan varlığını kabul etmek için onları görmek istedi.

Bununla birlikte, Thomson, Rutherford ve Chadwick gibi bilim adamları tarafından kullanılan yöntemlerin, nihayetinde bu görüntüleri üretmemize yardımcı olan yeni ekipmanların yolunu açtığını belirtmek önemlidir. Thomson'ın Crookes tüp deneyinde ürettiği elektron ışınları özellikle faydalıydı.

Bugün, bu tür ışınlar elektron mikroskopları tarafından üretiliyor ve bu mikroskopların en güçlüsü aslında tek tek atomların fotoğraflarını çekebiliyor. Bunun nedeni, bir elektron demetinin bir ışık demetinden binlerce kez daha kısa bir dalga boyuna sahip olmasıdır - aslında o kadar kısadır ki, elektron dalgaları küçük atomlardan yansıyabilir ve ışık demetlerinin yapamayacağı bir resim üretebilir.

University College London'dan Neil Skipper, bu tür görüntülerin, örneğin elektrikli araçlar için pil yapımında kullanılanlar gibi özel maddelerin atomik yapısını incelemek isteyenler için faydalı olduğunu söylüyor. Atomik yapıları hakkında ne kadar çok şey bilirsek, pilleri tasarlamada o kadar iyi oluruz, onları verimli ve güvenilir hale getiririz.

Atomların neye benzediğini basitçe onlara dokunarak da anlayabilirsiniz. Atomik kuvvet mikroskobu temelde böyle çalışır.

Buradaki fikir, son derece küçük bir sondanın ucunu bir molekülün veya maddenin yüzeyine getirmektir. Yeterli yakınlıkta, sonda, işaret ettiği şeyin kimyasal yapısına duyarlı olacak ve sonda hareket ettikçe dirençteki değişiklik, bilim adamlarının örneğin tek bir molekülün fotoğraflarını çekmesine izin verecek.

Skipper, birçok atom bilimcinin, yüksek basınç veya sıcaklığa maruz kaldığında nesnelerin yapısının nasıl değiştiğini araştırdığını ekliyor. Çoğu insan, bir madde ısındığında genellikle genişlediğini bilir. Çoğu zaman faydalı olduğu ortaya çıkan bu süreçte meydana gelen atomik değişiklikleri tespit etmek artık mümkün.

Skipper, "Bir sıvıyı ısıttığınızda, atomlarının nasıl düzensiz bir konfigürasyon aldığını görebilirsiniz" diyor. "Doğrudan yapı haritasından görebilirsiniz."

Skipper ve diğer fizikçiler, ilk kez 1930'larda Chadwick tarafından keşfedilen nötron ışınlarını kullanarak atomlarla da çalışabilirler.

"Malzeme örneklerine çok sayıda nötron ışını gönderiyoruz ve sonuçta ortaya çıkan saçılma modelinden, çekirdeklerde nötronları saçtığınız anlaşılabilir" diyor. "Görünür olan nesnenin kütlesini ve boyutunu kabaca tahmin edebilirsiniz."

Ancak atomlar her zaman orada, kararlı bir durumda incelenmeyi bekleyen değildir. Bazen bozulurlar - yani radyoaktiftirler.

Doğal olarak oluşan birçok radyoaktif element vardır. Bu süreç, nükleer gücün temelini oluşturan enerjiyi üretir - ve nükleer bombalar... Nükleer fizikçiler genellikle çekirdekte meydana gelen bu gibi temel değişikliklerden geçen reaksiyonları daha iyi anlamaya çalışıyorlar.

Liverpool Üniversitesi'nden Laura Harkness-Brennan, bozunan atomların yaydığı bir tür radyasyon olan gama ışınlarının çalışmasında uzmanlaşmıştır. Belirli bir türde radyoaktif atom yayar. özel form Gama ışını. Bu, atomları yalnızca gama ışınlarının enerjisini kaydederek tanımlayabileceğiniz anlamına gelir - aslında Harkness-Brennan'ın laboratuvarında yaptığı şey budur.

"Kullanmanız gereken dedektör türleri, hem radyasyonun varlığını hem de biriken radyasyonun enerjisini ölçmenize izin verecek dedektörlerdir" diyor. "Bunun nedeni, tüm çekirdeklerin özel bir damgaya sahip olmasıdır."

Radyasyonun tespit edildiği alanda, özellikle büyük bir nükleer reaksiyondan sonra her tür atom bulunabileceğinden, tam olarak hangi radyoaktif izotopların bulunduğunu bilmek önemlidir. Bu tür tespitler genellikle nükleer santrallerde veya nükleer bir felaketin meydana geldiği bölgelerde gerçekleştirilir.

Harkness-Brennan ve meslektaşları, belirli bir odada radyasyonun bulunabileceği yerleri üç boyutlu olarak göstermek için bu tür konumlara yerleştirilebilecek algılama sistemleri üzerinde çalışıyorlar. “Üç boyutlu bir uzay haritası yapmanıza ve bu odada, bu borunun neresinde olduğunu söylemenize izin verecek tekniklere ve araçlara ihtiyacınız var” - diyor.

Radyasyonu "Wilson odası"nda da görselleştirebilirsiniz. Bu özel deneyin bir parçası olarak, -40 santigrat dereceye kadar soğutulan alkol buharı, radyoaktif bir kaynak üzerinden bir buluta püskürtülür. Radyasyon kaynağından uçan yüklü radyasyon parçacıkları, elektronları alkol moleküllerinden atar. Alkol, yayılan parçacıkların yolunun yakınında bir sıvıya yoğunlaşır. Bu tür algılamanın sonuçları etkileyicidir.

Atomlarla doğrudan pek fazla çalışmadık - bunların çoğu doğada meydana gelen şaşırtıcı değişikliklere uğrayabilen güzel karmaşık yapılar olduğunu fark ettik. Atomları bu şekilde inceleyerek kendi teknolojilerimizi geliştiriyor, atomlardan enerji elde ediyoruz. nükleer reaksiyonlar ve daha iyi anlıyoruz doğal dünya etrafımızda. Ayrıca kendimizi radyasyondan koruma ve maddelerin aşırı koşullar altında nasıl değiştiğini inceleme fırsatımız oldu.

Harkness-Brennan yerinde bir şekilde “Bir atomun ne kadar küçük olduğu düşünülürse, ondan ne kadar fizik çıkarabileceğimiz inanılmaz” diyor. Çevremizde gördüğümüz her şey bu küçük parçacıklardan oluşur. Ve orada olduklarını bilmek güzel, çünkü onlar sayesinde etraftaki her şey mümkün oldu.

BBC'den alınan materyallere dayanarak

J. Dalton'un teorisi

Atom teorisinin ilk gerçek bilimsel doğrulaması, herkesin kabul ettiği hipotezinin rasyonelliğini ve basitliğini ikna edici bir şekilde gösteriyor. kimyasal element en küçük parçacıklardan oluşur, bu problem üzerine makalesi 1803'te yayınlanan İngiliz matematik öğretmeni J. Dalton'un (1766-1844) eseriydi. yasalar, gerçek deneylerin sonuçlarını açıklamayı ve kendi aralarında ilişkilendirmeyi ve yeni deneylerin sonuçlarını tahmin etmeyi mümkün kıldı. 1) aynı elementin tüm atomları her bakımdan özdeştir, özellikle kütleleri aynıdır; 2) farklı elementlerin atomları farklı özelliklere sahiptir, özellikle kütleleri aynı değildir; 3) bir bileşik, bir elementten farklı olarak, kurucu elementlerinin her birinin belirli bir tamsayı sayıda atomunu içerir; 4) kimyasal reaksiyonlarda, atomların yeniden dağılımı meydana gelebilir, ancak tek bir atom yok edilmez veya yeniden yaratılmaz. (Aslında, 20. yüzyılın başında ortaya çıktığı gibi, aynı elementin atomları farklı kütlelere sahip olabileceğinden, bu varsayımlar tam olarak yerine getirilmemiştir, örneğin hidrojenin izotop adı verilen bu tür üç çeşidi vardır; ayrıca, atomlar radyoaktif dönüşümlere uğrayabilir ve hatta tamamen çökebilir, ancak Dalton tarafından ele alınan kimyasal reaksiyonlarda değil.) Bu dört önermeye dayanarak, Dalton'un atom teorisi, sabit ve çoklu oranlar yasalarının en basit açıklamasını sağladı. Ancak atomun yapısı hakkında herhangi bir fikir vermemiştir.

Brown hareketi

İskoç botanikçi Robert Brown, 1827'de polen çalışmaları yaptı. Özellikle polenlerin döllenme sürecine nasıl katıldığıyla ilgilendi. Bir keresinde suda asılı duran, polen hücrelerinden izole edilen uzun sitoplazmik tanecikleri mikroskop altında inceledi. Birdenbire Brown, bir damla suda güçlükle görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Bu hareketlerin, kendi sözleriyle, "sıvıdaki akışlarla ya da kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, ancak parçacıkların kendilerinde var olduğunu" buldu. Brown tarafından gözlemlenen fenomene "Brown hareketi" adı verildi. Görünmez moleküllerin hareketiyle Brown hareketinin açıklaması sadece son bölümde verildi. çeyrek XIX yüzyılda, ancak tüm bilim adamları tarafından hemen kabul edilmekten uzaktı. 1863'te, tanımlayıcı geometri öğretmeni Ludwig Christian Wiener (1826-1896), fenomenin görünmez parçacıkların salınım hareketleriyle ilişkili olduğunu öne sürdü.

Elektronun keşfi

Moleküllerin gerçek varlığı nihayet 1906'da Fransız fizikçi Jean Perrin'in Brownian hareket yasalarını inceleme deneyleriyle doğrulandı.

Perrin'in katot ve röntgen, bir elektrik boşalması sırasında bir vakum tüpünde negatif elektrot (katot) tarafından yayılan katot ışınlarının doğası hakkında henüz bir fikir birliğine varılamamıştır. Bazı bilim adamları bu ışınların bir tür ışık radyasyonu olduğuna inanıyorlardı, ancak 1895'te Perrin'in araştırması, bunların bir negatif yüklü parçacık akışı olduklarını gösterdi. Atom teorisi, elementlerin atom adı verilen ayrı parçacıklardan oluştuğunu ve kimyasal bileşiklerin moleküllerden, iki veya daha fazla atom içeren daha büyük parçacıklardan oluştuğunu savundu. XIX yüzyılın sonunda. atom teorisi bilim adamları arasında, özellikle kimyagerler arasında geniş bir kabul görmüştür. Bununla birlikte, bazı fizikçiler, atomların ve moleküllerin, kolaylık nedenleriyle tanıtılan ve kimyasal reaksiyonların sonuçlarının sayısal olarak işlenmesinde yararlı olan hayali nesnelerden başka bir şey olmadığına inanıyorlardı.

Perrin'in deneyini değiştiren Joseph John Thomson, vardığı sonuçları doğruladı ve 1897'de elektriksel ve manyetik alanlar... Kütle, tüm atomların en hafifi olan hidrojen atomunun kütlesinden yaklaşık 2 bin kat daha az olduğu ortaya çıktı. Kısa süre sonra, elektron adı verilen bu negatif parçacıkların bileşen parçası atomlar.

Biliş süreci öyle gelişir ki, görünüşünü yaratıcı dehalara borçlu olduğumuz parlak tahminler ve büyük teoriler, bir süre sonra çoğu insanın inandığı neredeyse önemsiz gerçekler haline gelir. Kaçımız bağımsız olarak, gözlemlere ve yansımalara dayanarak, Dünya'nın yuvarlak olduğunu veya Dünya'nın Güneş'in etrafında döndüğünü, tersini değil ve son olarak atomların ve moleküllerin olduğunu tahmin edebiliriz? yüksekten modern bilim atomik-moleküler teorinin ana hükümleri ortak gerçekler gibi görünüyor. Ancak, uzun zamandır bilinen bilimsel sonuçlardan uzaklaşalım, kendimizi geçmişin bilim adamlarının yerine koyalım ve iki ana soruyu cevaplamaya çalışalım. İlk olarak, maddeler nelerden yapılmıştır? İkincisi, maddeler neden farklıdır ve neden bazı maddeler diğerlerine dönüşebilir? Bilim, bu karmaşık sorunları çözmek için 2.000 yıldan fazla zaman harcadı. Sonuç olarak, ana hükümleri aşağıdaki gibi formüle edilebilecek atom-moleküler teori ortaya çıktı.

• 1. Tüm maddeler moleküllerden oluşur. Bir molekül, kimyasal özelliklere sahip bir maddenin en küçük parçacığıdır.
• 2. Moleküller atomlardan oluşur. Bir atom, kimyasal bileşiklerdeki bir elementin en küçük parçacığıdır. Farklı atomlar farklı elementlere karşılık gelir.
• 3. Moleküller ve atomlar sürekli hareket halindedir.
• 4. Kimyasal reaksiyonlar sırasında bazı maddelerin molekülleri başka maddelerin moleküllerine dönüştürülür. Kimyasal reaksiyonlar sırasında atomlar değişmez.

Bilim adamları atomların varlığını nasıl anladılar?

Atomlar 5. yüzyılda Yunanistan'da icat edildi. M.Ö NS. Filozof Leucippus (MÖ 500-440), maddenin her parçacığının, ne kadar küçük olursa olsun, daha da küçük parçacıklara bölünüp bölünemeyeceğini merak etti. Leucippus, böyle bir bölünmenin bir sonucu olarak, daha fazla bölünmenin imkansız hale geleceği kadar küçük bir parçacık elde etmenin mümkün olduğuna inanıyordu.

Leucippus'un bir öğrencisi olan filozof Demokritos (MÖ 460-370) bu küçük parçacıklara "atomlar" (atomos - bölünemez) adını verdi. Her elementin atomlarının özel boyut ve şekillere sahip olduğuna ve bunun maddelerin özelliklerindeki farklılıkları açıkladığına inanıyordu. Gördüğümüz ve hissettiğimiz maddeler, atomlar bir araya geldiğinde oluşur. çeşitli unsurlar ve bu bileşiğin doğasını değiştirerek bir maddeyi diğerine dönüştürebilirsiniz.

Democritus, atom teorisini neredeyse modern bir biçimde yarattı. Bununla birlikte, bu teori, yalnızca onunla ilgili olmayan felsefi yansımaların meyvesiydi. doğal olaylar ve süreçler. Deneysel olarak doğrulanmadı, çünkü eski Yunanlılar hiç deney yapmadılar, düşünmeyi gözlemin üzerine koydular.

Maddenin atomik yapısını doğrulayan ilk deney ancak 2000 yıl sonra gerçekleştirildi. 1662'de İrlandalı kimyager Robert Boyle (1627-1691), U şeklindeki bir tüpteki havayı bir cıva sütununun basıncı altında sıkıştırırken, tüpteki hava hacminin basınçla ters orantılı olduğunu buldu:

Fransız fizikçi Edm Marriott (1620-1684) bu ilişkiyi Boyle'den 14 yıl sonra doğruladı ve sadece sabit sıcaklıkta tutulduğunu kaydetti.

Boyle ve Mariotte tarafından elde edilen sonuçlar, ancak havanın, aralarında boşluk bulunan atomlardan oluştuğu kabul edilirse açıklanabilir. Havanın sıkıştırılması, atomların yaklaşması ve boşluk hacminin azalmasından kaynaklanır.

Gazlar atomlardan oluşuyorsa, katıların ve sıvıların da atomlardan oluştuğu varsayılabilir. Örneğin, ısıtıldığında su kaynar ve hava gibi sıkıştırılabilen buhara dönüşür. Bu, su buharının atomlardan oluştuğu anlamına gelir. Ama eğer su buharı atomlardan oluşuyorsa, sıvı su ve buz neden atomlardan oluşamıyor? Ve bu su için doğruysa, diğer maddeler için de geçerli olabilir.

Böylece Boyle ve Mariotte'nin deneyleri, maddenin en küçük parçacıklarının varlığını doğruladı. Bu parçacıkların ne olduğunu bulmak için kaldı.

Önümüzdeki 150 yıl boyunca, kimyagerlerin çabaları esas olarak çeşitli maddelerin bileşimini oluşturmaya yönelikti. Daha az karmaşık maddelere ayrışan maddelere, örneğin su, karbondioksit, demir ölçeği gibi bileşikler (karmaşık maddeler) adı verildi. Ayrıştırılamayan maddelere elementler (basit maddeler), örneğin hidrojen, oksijen, bakır, altın denir.

1789'da, büyük Fransız kimyager Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), o zamana kadar biriken kimya bilgisini sistematize ettiği ünlü "Temel Kimya Kursu" (Traite elementaire de chimie) kitabını yayınladı. Özellikle 33 madde içeren bilinen tüm elementlerin bir listesini verdi. Bu listedeki iki isim temelde hatalıydı (hafif ve kalorili) ve sekizinin daha sonra karmaşık maddeler olduğu ortaya çıktı (kireç, silika ve diğerleri).

Kantitatif ölçümler için tekniklerin ve kimyasal analiz yöntemlerinin geliştirilmesi, kimyasal bileşiklerdeki elementlerin oranını belirlemeyi mümkün kılmıştır. Fransız kimyager Joseph Louis Proust (1754-1826), bir dizi maddeyle yapılan dikkatli deneylerden sonra, bileşimin değişmezliği yasası.

I Tüm bileşikler, hazırlama yönteminden bağımsız olarak ele- içerir. kesinlikle tanımlanmış ağırlık oranlarında polisler.

Bu nedenle, örneğin, kükürt yakılarak, asitlerin sülfitler üzerindeki etkisiyle veya başka herhangi bir şekilde elde edilen kükürtlü gaz, her zaman ağırlıkça 1 kısım (kütle oranı) kükürt ve ağırlıkça 1 kısım oksijen içerir.

Proust'un rakibi Fransız kimyager Claude Louis Berthollet (1748-1822), aksine, bileşiklerin bileşiminin hazırlanma yöntemine bağlı olduğunu savundu. İki elementin reaksiyonunda bunlardan biri fazla alınırsa, elde edilen bileşikte bu elementin ağırlık fraksiyonunun da daha büyük olacağına inanıyordu. Ancak Proust, Berthollet'in hatalı analiz ve yetersiz saf madde kullanımı nedeniyle hatalı sonuçlar aldığını kanıtladı.

Şaşırtıcı bir şekilde, Berthollet'in zamanı için hatalı olan fikri, şimdi büyük bir bilimsel yön kimyada - kimyasal malzeme bilimi. Malzeme bilimcilerinin temel görevi, belirli özelliklere sahip malzemeler elde etmektir ve ana yöntem, bir malzemenin bileşiminin, yapısının ve özelliklerinin üretim yöntemine bağımlılığını kullanmaktır.

Proust tarafından keşfedilen bileşimin değişmezliği yasası çok önemliydi. Moleküllerin varlığı fikrine yol açtı ve atomların bölünmezliğini doğruladı. Gerçekten de, kükürt dioksit S0 2'de kükürtün oksijene ağırlık (kütle) oranı neden 1.1: 0.9 veya 0.95: 1.05 değil de her zaman 1: 1'dir? Bir kükürt dioksit parçacığının oluşumu sırasında (daha sonra bu parçacık bir molekül olarak adlandırıldı), bir kükürt atomunun belirli sayıda oksijen atomuyla birleştiği ve kükürt atomlarının kütlesinin oksijen atomlarının kütlesine eşit olduğu varsayılabilir. .

Fakat iki element birbiriyle birkaç kimyasal bileşik oluşturabilirse ne olur? Bu soru, deneyi formüle eden büyük İngiliz kimyager John Dalton (1766-1844) tarafından cevaplandı. çoklu ilişkiler yasası (Dalton yasası).

I İki eleman kendi aralarında birkaç bağlantı oluşturuyorsa, o zaman. bu bileşiklerde, diğer elementin birim kütlesi başına bir elementin kütleleri küçük tam sayılar olarak adlandırılır.

Bu nedenle, üç demir oksitte, oksijenin birim ağırlığı (kütlesi) başına sırasıyla 3.5, 2.625 ve 2.333 ağırlık parçası (kütle fraksiyonları) demir vardır. Bu sayıların oranları şu şekildedir: 3.5: 2.625 = = 4: 3; 3.5: 2.333 = 3: 2.

Çoklu oranlar yasasından, elementlerin atomlarının moleküller halinde birleştiği ve moleküllerin az sayıda atom içerdiği sonucu çıkar. Elemanların kütle içeriğinin ölçülmesi, bir yandan belirlemeye izin verir. moleküler formüller bileşikler ve diğer yandan - atomların göreceli kütlelerini bulmak.

Örneğin, su oluştuğunda, ağırlıkça bir kısım hidrojen, ağırlıkça 8 kısım oksijen ile birleşir. Bir su molekülünün bir hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluştuğunu varsayarsak, bir oksijen atomunun bir hidrojen atomundan 8 kat daha ağır olduğu ortaya çıkar.

Ters problemi düşünün. Bir demir atomunun bir oksijen atomundan 3.5 kat daha ağır olduğunu biliyoruz. Orandan

bu bileşikte iki demir atomu başına üç oksijen atomu olduğu, yani bileşiğin formülü Fe 2 0 3'tür.

Bu şekilde akıl yürüten Dalton, elementlerin atom ağırlıklarının ilk tablosunu derledi. Ne yazık ki, birçok yönden yanlış olduğu ortaya çıktı, çünkü Dalton atomik ağırlıkları belirlerken sıklıkla yanlış moleküler formüllerden yola çıktı. Elementlerin atomlarının neredeyse her zaman (nadir istisnalar dışında) çiftler halinde birleştiğine inanıyordu. Dalton su formülü - HAYIR. Ayrıca, tüm basit maddelerin moleküllerinin her birinin bir atom içerdiğinden emindi.

Gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlar incelenerek su ve diğer birçok madde için doğru formüller belirlendi. Fransız kimyager Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850), bir hacim hidrojenin bir hacim klor ile reaksiyona girerek iki hacim hidrojen klorür ürettiğini keşfetti; suyun elektrolitik ayrışması sırasında bir hacim oksijen ve iki hacim hidrojen oluşur, vb. Bu temel kural 1808'de yayınlandı ve adını aldı. hacimsel ilişkiler yasası.

I Reaksiyona giren gazların hacimleri birbirine ve gazın hacimlerine atıfta bulunur. küçük tam sayılar şeklinde reaksiyon ürünleri.

Hacimsel ilişkiler yasasının anlamı, daha sonra bir hipotez (varsayım) formüle eden İtalyan kimyager Amedeo Avogadro'nun (1776-1856) büyük keşfinden sonra netleşti. Avogadro yasası.

| Sabit sıcaklık ve basınçta herhangi bir gazın eşit hacimlerinde mi? lelen aynı sayıda molekül içerir.

Bu, tüm gazların belirli bir anlamda aynı şekilde davrandığı ve belirli koşullar altında bir gazın hacminin gazın doğasına (bileşimine) bağlı olmadığı, yalnızca belirli bir hacimdeki parçacıkların sayısı tarafından belirlendiği anlamına gelir. . Hacmi ölçerek gaz fazındaki parçacıkların (atomlar ve moleküller) sayısını belirleyebiliriz. Avogadro'nun en büyük değeri, gözlemlenen makroskopik miktar (hacim) ile gaz halindeki maddelerin mikroskobik özellikleri (parçacık sayısı) arasında basit bir bağlantı kurabilmesidir.

Gay-Lussac tarafından bulunan hacimsel oranları analiz etmek ve hipotezini kullanmak (daha sonra Avogadro yasası), bilim adamı, gaz halindeki basit maddelerin (oksijen, azot, hidrojen, klor) moleküllerinin iki atomlu olduğunu buldu. Gerçekten de hidrojen klor ile tepkimeye girdiğinde hacim değişmez, dolayısıyla tanecik sayısı da değişmez. Hidrojen ve klorun monoatomik olduğunu varsayarsak, ekleme reaksiyonu sonucunda başlangıç ​​hacmi yarıya inmelidir. Ancak reaksiyondan sonra hacim değişmez, bu da hidrojen ve klor moleküllerinin her birinin iki atom içerdiği ve reaksiyonun denkleme göre ilerlediği anlamına gelir.

Moleküler formüller benzer şekilde oluşturulabilir karmaşık maddeler- su, amonyak, karbon dioksit ve diğer maddeler.

İşin garibi, ancak çağdaşlar Avogadro'nun çıkardığı sonuçları takdir etmedi ve tanımadı. Dönemin önde gelen kimyagerleri J. Dalton ve Jens Jacob Berzelius (1779-1848), moleküllerin sadece farklı atomlardan (pozitif ve negatif yüklü) oluştuğuna inandıkları için basit maddelerin moleküllerinin diyatomik olabileceği varsayımına itiraz ettiler. Bu tür yetkililerin baskısı altında, Avogadro'nun hipotezi reddedildi ve yavaş yavaş unutuldu.

Sadece yaklaşık 50 yıl sonra, 1858'de, İtalyan kimyager Stanislao Cannizzaro (1826-1910) yanlışlıkla Avogadro'nun çalışmasını keşfetti ve gaz halindeki maddeler için "atom" ve "molekül" kavramlarını açıkça ayırt ettiğini fark etti. Bu paragrafın başında verilen atom ve molekül tanımlarını öneren ve "atom ağırlığı" ve "molekül ağırlığı" kavramlarını tamamen açık hale getiren Cannizzaro'dur. 1860 yılında, Karlsruhe'de (Almanya) Birinci Uluslararası Kimya Kongresi yapıldı ve burada uzun tartışmalardan sonra atom-molekül teorisinin ana hükümleri evrensel olarak kabul edildi.

Özetleyelim. Atom-moleküler bilimin gelişiminde üç temel aşama ayırt edilebilir.

• 1. Atom doktrininin doğuşu, atomların varlığı hakkında bir fikrin (hipotez) ortaya çıkışı (Leucippus ve Democritus).
• 2. İlk deneysel doğrulama basınçlı hava deneylerinde atom teorisi (Boyle-Mariotte yasası).
• 3. Bir molekülde farklı elementlerin atomlarının belirli ağırlık oranlarında bulunduğuna dair önemli bir düzenliliğin keşfi (Dalton'un çoklu oranlar yasası) ve gaz halindeki basit maddeler için formüllerin oluşturulması (Avogadro'nun hipotezi).

İlginç bir şekilde, atomların varlığı hakkında varsayım yapıldığında, teori deneyden öndeydi (ilk atomlar icat edildi ve 2000 yıl sonra kanıtlandı). Moleküller söz konusu olduğunda, deney teoriyi geride bıraktı: çoklu oranların deneysel yasasını açıklamak için moleküllerin varlığı fikri ortaya atıldı. Bu anlamda atom-moleküler teori tarihi, farklı bilimsel keşif yollarını yansıtan tipik bir örnektir.

Albert Einstein

Çoğu zaman, yalnızca görelilik teorisinin yaratılması, Albert Einstein'ın meziyeti olarak kabul edilir. Bilim tarihi açısından, böyle bir değerlendirme, fiziğin diğer alanlarındaki olağanüstü başarıları ile ilgili olarak yanlış ve haksızdır. "Görelilik teorisinin babası", son derece çok yönlü ilgi alanlarına sahip bir bilim adamıydı.

Bern yıllarında, Einstein'ın en fırtınalı yaratıcı faaliyeti sırasında, neredeyse aynı anda, onun için büyük önem taşıyan araştırmasının ilk sonuçları ortaya çıktı. Daha fazla gelişme fizik. 1905 yılı, Einstein 26 yaşındayken özellikle verimli oldu. Kronolojik olarak, ilki moleküler fizikteki araştırmasıydı.

Einstein'ın termal hareket üzerine çalışması esas olarak atomların ve moleküllerin hareketinin istatistiksel tanımı ve hareket ile ısı arasındaki ilişki sorununa ayrılmıştı. Bu çalışmalarda Einstein, parlak Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann ve Amerikalı Willard Gibbs tarafından elde edilen sonuçları önemli ölçüde genişleten sonuçlara vardı. Einstein'ın esas değeri, matematiksel zorlukların üstesinden gelmekten çok, fiziksel problemlerin daha derin bir formülasyonundaydı. Bunda Boltzmann'ın olasılık kavramının ("Boltzmann ilkesi") ısı teorisinin matematiksel yorumunun temelini oluşturması gerektiği fikri ona rehberlik etti.

Bütün bu sorular Einstein tarafından bağımsız olarak geliştirildi, bu yüzden Max Born ile birlikte "Einstein istatistiksel mekaniğin tüm temel özelliklerini yeniden keşfetti" deme hakkına sahibiz. Genç araştırmacı moleküler fizikteki çalışmalarına kesin niyet Doğruluğuna ikna olduğu atomistik teoriyi güvenilir sonuçlarla doğrulamak için, o zaman birçok kişiye tartışmalı görünse de.

Einstein'ın odak noktası Araştırma çalışmasıısı teorisine göre, Brownian moleküler hareket bulundu. 1827'de İngiliz botanikçi Robert Brown, polenleri mikroskop altında gözlemledi; aynı zamanda, bir sıvı damlasında asılı kalan parçacıkların sürekli olarak düzensiz, zikzak hareketler gerçekleştirdiğini keşfetti. Parçacıkların bu hareketi - daha sonra onu "Brown hareketi" keşfeden bilim adamının adını almıştır - parçacıkların kütlesi ne kadar küçükse ve içinde bulundukları sıvı ne kadar sıcak olursa o kadar yoğun gerçekleşir.

Birkaç on yıl boyunca, bilim adamları bu gizemli fenomen için bir açıklama bulmakta başarısız oldular. 1880'lerde - Einstein'dan yirmi yıl önce - bir Fransız fizikçi, Brownian hareketinin, sıvı moleküllerden mikroskop altında görülemeyen asılı parçacıkların rastgele etkilerinin sonucu olduğunu öne sürdü. Ancak bu dahiyane açıklamanın matematiksel bir gerekçesi veya deneysel bir doğrulaması yoktu.

Einstein, "Moleküler-kinetik teoriden yola çıkarak, durgun haldeki bir sıvıda asılı kalan parçacıkların hareketi üzerine" makalesinde, Einstein'ın yardımıyla istatistiksel yöntemler asılı parçacıkların hareket hızı, boyutları ve kullanılan sıvının viskozite katsayısı arasında deneysel olarak doğrulanabilecek nicel bir ilişki olduğunu gösterdi.

O zamanlar Brownian hareketiyle ilgili önceki çalışmalara henüz aşina olmayan Einstein, mikroskop altında görülebilen parçacıkların hareketinin, bir sıvının mikroskobik olarak görünmez moleküllerinin hareketinin bir tezahürü olduğuna inanıyordu. Einstein, Polonyalı fizikçi Marian von Smoluchowski tarafından kendisinden önce formüle edilmiş olan bu fenomenin istatistiksel açıklamasına tam bir matematiksel biçim verdi. "Einstein'ın Brownian hareketi yasası", 1926'da bu çalışması için Nobel Ödülü'nü alan Fransız fizikçi Jean Perrin'in deneyleriyle 1908'de tamamen doğrulandı.

Einstein'ın moleküler fizik üzerindeki çalışması, ısının moleküllerin düzensiz hareketinde bir enerji biçimi olduğu fikrinin doğruluğunu kanıtladı. Aynı zamanda, maddenin -fiziksel anlamda- moleküllerden ve atomlardan oluştuğu şeklindeki atomistik hipotezi güçlendirdiler.

Einstein'ın moleküllerin boyutunu belirlemek için önerdiği yöntem ve Brownian hareketi için formülü, molekül sayısını belirlemeyi mümkün kılar. Bundan önce fizikçiler, Avusturyalı fizikçi Loschmidt tarafından 1865'te önerilen yaklaşık yöntemlerle idare etmek zorundaydılar; şimdi, Einstein'ın araştırması sayesinde, kesin matematiksel yöntemlerle çalışabilirler.

Einstein'ın termal hareket üzerine yaptığı araştırma, salt bilimsel değerin yanı sıra, büyük teorik ve bilişsel öneme sahipti. Bazı doğa bilimcilerinin atom teorisine karşı olumsuz veya şüpheci tutumunun hiçbir şekilde haklı olmadığını gösterdiler. Einstein'ın atom görüşlerinin doğruluğuna dair kanıtı o kadar inandırıcıydı ki, daha önce atom doktrinine Ernst Mach ile inatçı bir karşıt olan kimyager Wilhelm Ostwald, şimdi kendi deyimiyle "atom inancına dönüştü".

Einstein'ın atomizmin zaferine yaptığı belirleyici katkı, onun en büyük bilimsel başarılarından biri olarak kabul edilmelidir. Bu bakımdan antik çağın büyük materyalistlerinin değerli bir halefidir: Demokritos, Epikuros ve Lucretius.

Friedrich Gerneck, 1984