Атомы — удивительные частицы, лежащие в основе всего, что нас окружает. Если представить всю материю как гигантский пирог, то атомы будут его основными ингредиентами. Как, выпечка не может обойтись без своих составляющих: муки, яиц и сахара, так же и весь мир вокруг нас состоит из различных атомов.
Ученые, проводя многолетние исследования, открыли 118 разных типов атомов. Эти атомы называются элементами, и каждый из них имеет свое место в знаменитой периодической таблице Менделеева. Все вокруг нас, начиная от экранов наших гаджетов и заканчивая нашим телом, состоит из атомов.
Но стоит учесть, что один атом настолько мал, что его невозможно разглядеть даже с помощью обычного оптического микроскопа. Поэтому, когда кто-то утверждает, что мир состоит из атомов, это может звучать как нечто невероятное. Но сегодня мы знаем, что это так, и эта информация основана на многолетних научных исследованиях.
Пытаясь понять, откуда взялась идея атома, мы погружаемся в атмосферу древней Греции. Там, в величественных акрополях и агорах, жил и работал Демокрит, который первым сформулировал концепцию атома.
В те времена существовало представление, что любой объект, будь то яблоко или камень, можно делить бесконечно, исследуя всё мельчайшие его части. Но Демокрит не разделял это мнение. Он был убежден, что на определенном этапе мы столкнемся с частицами, которые настолько малы и прочны, что их невозможно будет разделить дальше. Эти частицы он назвал "атомами", что в переводе с древнегреческого означает "неделимый". Однако у него не было доказательств этой концепции, что привело к её отвержению многими учеными того времени.
Переходя к эпохе арабского мира, мы сталкиваемся с продвинутыми методами экстракции, такими как извлечение соли из морской воды. Ученые, такие как Джабир ибн Хайян, развивали сложные методы фильтрации, кипячения и сбора пара. Их исследования показали, что разные материалы могут быть разделены на чрезвычайно чистые вещества.
В 1700-х годах во Франции Мария-Анна Пьеретта и Антуан Лавуазье приняли эстафету, развивая идеи своих арабских предшественников. Они смогли доказать, что даже чистые вещества, такие как вода, могут быть разложены еще дальше. Например, вода может быть разделена на водород и кислород.
Долгое время ученые пытались понять, из чего состоит наш мир на микроскопическом уровне. Основное открытие было сделано, когда исследователи пришли к выводу, что водород и кислород — это не просто газы, но основные элементы, которые не могут быть разложены на более простые вещества.
Это открытие стало отправной точкой в исследовании химических элементов. В итоге было найдено 118 уникальных элементов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами. Они могут быть газообразными, твердыми или жидкими при комнатной температуре. Примеры включают в себя все, от водорода и кислорода до углерода, золота, ртути и брома.
Интересно также то, как различные элементы могут взаимодействовать друг с другом, создавая совершенно новые вещества. Например, когда кислород и железо соединяются, образуется ржавчина. Или кислород и водород, реагируя, образуют воду, жизненно важное соединение для всех нас.
Самое поразительное в этом открытии — это постоянство и сохранность элементов в химических реакциях. Независимо от того, как вы комбинируете или разъединяете элементы в реакции, атомы элементов остаются неизменными. Хотя они могут образовать новые соединения, в общей сложности количество каждого элемента до и после реакции остается одинаковым.
Так что, если бы вы взглянули на кусочек чистого золота под микроскопом, что бы вы увидели? Как далеко можно "приблизиться" к золоту? Может ли золото оставаться чистым золотом при любом приближении? Этот вопрос занимал ученых в течение многих веков, и один из ответов пришел из неожиданного источника: школьного учителя из Англии по имени Джон Далтон.
В начале 1800-х годов Далтон стал фанатом химии. Его эксперименты и изучение работ других ученых привели его к открытию интересной закономерности. Он заметил, что элементы реагируют между собой в определенных пропорциях. Это наблюдение подтолкнуло его к развитию идеи о существовании крошечных, неделимых частиц, которые, следуя традиции, он также назвал атомами.
В 1808 году Далтон опубликовал книгу, в которой представил свои идеи о существовании атомов. Хотя не все ученые того времени приняли его теорию, концепция стала основой для многих последующих научных открытий.
Альберт Эйнштейн в 1905 году опубликовал работу, в которой изучал броуновское движение и показал, как движение молекул может объяснить это явление. Его идеи косвенно давали подтверждение существованию молекул и атомов.
Через несколько лет французский физик Жан Перрен провел эксперименты, подтверждающие броуновское движение, что убедительно подтверждало существование молекул и атомов. Эти результаты убедили многих ученых в правильности атомной теории.
Большинству из нас, возможно, было бы интересно увидеть визуальные подтверждения существования атомов. К сожалению, отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было разглядеть с помощью обычного света. Длина волны света просто слишком велика, из-за чего обычные микроскопы не могут "увидеть" атомы.
Однако в 70-х годах XX века команда инженеров под руководством Герда Биннига и Хайнриха Рорера начала работу над созданием сканирующего туннельного микроскопа. Они надеялись, что с его помощью удастся получить неискаженные изображения многих различных типов атомов. Этот микроскоп использует процесс, называемый электронным туннелированием, чтобы сканировать и, по сути, "ощупывать" поверхность образца, аналогично тому, как мы можем ощупывать предметы в темноте.
Так, например, был получен реальный скан атомов кремния на поверхности кристалла. И хотя цвета на изображении искусственные, это реальные данные, показывающие фактическую структуру атомов кремния. Позднейшие работы доктора Уилсона Хоу совершили скачок в технике и подаче данных. Но ученые хотели большего.
Команда исследователей из известного исследовательского центра, поддерживаемого Фондом национальной науки, разработала новый метод "визуализации" атомов с использованием реального света. Хотя ранее считалось, что это сложно из-за того, что длина волны света значительно превышает размер атома, ученые нашли обходное решение.
Они использовали модифицированный сканирующий туннельный микроскоп, при котором свет направлялся на кончик зонда. Этот метод позволил "сжимать" длины волн света, что, в свою очередь, дало возможность его рассеивания от образца на экран детектора. Путем последовательного сканирования образца и освещения его ученые получили изображение отдельного атома.
Таким образом, спустя тысячелетия после того, как античные философы впервые обсудили идею существования атомов, современная наука предоставила нам прямое визуальное подтверждение того, что атомы действительно существуют.
Итак, что же такое атом? Атомы - это основные строительные блоки химии. Откуда нам известно о их существовании? Через химические реакции мы можем наблюдать их эффекты; с помощью математических уравнений, сочетающихся с косвенными наблюдениями, мы можем рассчитать их различные размеры. И, наконец, благодаря новым технологиям, таким как сканирующий туннельный микроскоп, теперь мы можем "видеть" атомы. Хотя слово "атом" технически означает "неделимый", как мы увидим в следующей статье, атомы на самом деле могут быть разделены. Атомы состоят из более мелких частиц.
Спасибо за внимание к этой статье! Если вам понравилось, подпишитесь, чтобы не пропустить следующий материал. Не забудьте поставить "лайк" и поделиться статьей с друзьями. Ваша поддержка важна для нас! До новых встреч!
Вторая часть: