Атом

Атом (греческий άτομος), буквально — тело, которое не может быть разрезано. Атомизм — учение, утверждающее, что тела природы состоят из атомов. Это воззрение, на первый взгляд, может показаться противоречащим очевидности: мы в состоянии разделить каплю воды на две части, из которых каждая опять будет каплей воды и с которыми мы опять можем повторить то же; таким образом, у нас есть основание предположить, что подобное дробление может продолжаться неопределенное число раз. Но подобно тому, как уже в древности зародилась противоречащая первоначальной очевидности идея о движении земного шара, так (в еще более ранние времена) мы встречаем и мысль о том, что тела природы построены из мельчайших неделимых частиц. Этого воззрения придерживался греческий философ Левкипп, живший за несколько столетий до Рождества Христова. Идеи Левкиппа получили дальнейшее развитие у его ученика Демокрита. Вот некоторые из основных положений Демокритовой философии: «Ничего не существует, кроме атома и пустого пространства; все прочее есть мнение. Атомы, бесконечные по числу и по форме, своим движением, столкновением и возникающим от того круговращением образуют видимый мир. Различие предметов зависит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия атомов не существует. Атомы  действуют друг на друга только давлением и ударами». Физические воззрения Демокрита в неизменном виде были восприняты Эпикуром. Популяризатором идей Эпикура среди римского общества был поэт Лукреций, автор знаменитой поэмы «De rerum natura» («О природе вещей»), дошедшей до нас и содержащей изложение атомистической теории вещества. Не следует переоценивать (как это иногда делают) научного значения этих первых атомистических учений. Их авторы основывались или на чисто метафизических принципах или на чересчур поспешных обобщениях эмпирических фактов, и поэтому наряду с немногими элементами, выдержавшими дальнейшую эволюцию, мы встречаем у них множество грубых и нелепых ошибок, которые могли только тормозить правильное движение научной мысли. Так обстояло дело не только у атомистов классического мира, но часто и у позднейших последователей их. Из ученых нового времени (XVII век), воспринявших идеи древних атомистов, уместно отметить современного Декарту французского физика Гассенди и знаменитого английского физика и химика Бойля.

Для правильной оценки прежнего и современного атомизма важно заметить, что главное свойство, которым характеризовался атом у поименованных мыслителей и приверженцев их, а именно абсолютная неделимость, нераздробимость, — как раз оказалось наименее существенным; более того: по современным воззрениям, атомы могут быть, при известных условиях, подобно молекулам, раздроблены на более мелкие тельца. С другой стороны, можно сказать, что в известных пределах неделимой является и молекула. До начала XIX в. в науке не существовало понятия молекулы, отличного от понятия атома; атом был носителем также и тех свойств, которые теперь приписываются молекуле. С современной точки зрения, в определении понятия атома (как равно и молекулы) играет роль не неделимость в прямом смысле, но индивидуальность, в смысле присутствия у этих телец известных характерных свойств, которых они лишаются при раздроблении на части. Поэтому атом в той же мере «неделим» (индивидуален) в какой неделимы: человек, клеточка животного организма, часовой механизм. Имея в виду указанное различие между древним и современным атомизмом, мы придем к неожиданному следствию: такие противники древнего атомизма, как Декарт, могут быть по праву зачислены в предшественники атомизма современного. В своих «Principia Philosophiae» (1644) Декарт изображает механизм вселенной в следующих чертах. Вначале мир был наполнен материальными частицами однородного вещества и одинаковой средней величины. Этот океан  материи не находился в покое, но был разделен на множество областей, вращавшихся вокруг своих осей. Отдельные частицы материи не могли быть вначале шаровидными, ибо в таком случае они не наполнили бы пространства; но постепенно, шлифуясь друг о друга в своем движении, они приняли шарообразную форму. Эти шарики Декарт называет вторым элементом. Отщепившиеся при трении гораздо меньшие осколки (так называемый первый элемент) наполнили промежутки между шариками второго элемента. При известных условиях частички первого элемента, сплачиваясь и соединяясь между собой, образуют значительно большие и менее подвижные массы — третий элемент. Весьма любопытно, что Декартовы три элемента, три порядка «неделимых» до известной степени представляются аналогичными трем субстанциям современной физики: первый элемент напоминает электроны, второй — эфир, наконец, третий — материальные частицы (см., между прочим, слово эфир). Своеобразный характер, вполне противоположный системам Демокрита и Декарта, имеет атомистическая теория славянина Босковича (см.). По Декарту, пространство без промежутков наполнено тельцами трех элементов; по Босковичу, материя состоит из непротяженных индивидуумов, являющихся центрами сил и взаимодействующих между собой. Если два таких индивидуума находятся на весьма малом расстоянии друг от друга, сила является отталкивательной; она сделалась бы бесконечно большой, если бы расстояние уменьшилось до нуля: поэтому индивидуумы никогда не могут дойти до взаимного соприкосновения. С увеличением расстояния, при некоторой определенной (однако, чрезвычайно малой) величине его, сила взаимодействия уменьшается до нуля; такое взаимное положение индивидуумов есть положение взаимного равновесия. С дальнейшим увеличением расстояния между индивидуумами, сила взаимодействия делается притягательной; когда расстояние становится заметным, закон силы начинает совпадать с законом Ньютонова тяготения, т. е. выражается обратной пропорциональностью между силой и квадратом расстояния взаимодействующих центров. Как высказанный Босковичем закон изменения междучастичных сил, так и данное им на основании этого закона объяснение явлений сцепления и упругости держатся в науке по настоящее время (для твердого тела); только вместо атомов-точек фигурируют протяженные молекулы. Истинным родоначальником современного понятия об атоме является Дальтон (в самом начале XIX века). Он впервые применил к изучению атомов число и меру, и таким образом сделал понятие атома из метафизического научным. Установленный к концу XVIII в. закон постоянства состава химических соединений рассматривается Дальтоном, как следствие двух положений: 1) все атомы определенного химического элемента тождественны между собой; 2) для определенного химического соединения, числа входящих в него атомов каждого элемента остаются в постоянном отношении. Эти взгляды иллюстрируются им на примере двух углеводородов (болотного газа и маслородного газа) и двух окислов углерода — окиси углерода и углекислого газа. Дальтон гипотетически принимает, что окись углерода содержит по равному числу атомов углерода и кислорода; а так как в углекислоте на то же самое весовое количество углерода, по анализу, оказывалось вдвое большее количество кислорода, чем в окиси углерода, то для углекислот количество атомов углерода должно было относиться к количеству атомов кислорода, как 1 : 2. Зная относительные весовые количества, в которых эти элементы входят в соединения, Дальтон стал определять отсюда относительные веса атомов. С тех пор вес, или масса атома рассматривается в химии, как важнейший определитель свойств соответствующего элемента. Кроме простых атомов, или атомов-элементов, Дальтон рассматривает атомы сложные: двойные, тройные, четверные и т. д.; здесь подразумевается то, что современная наука называет молекулами, т. е. наименьшие количества химического соединения, еще сохраняющие состав, свойственный этому соединению. Так, например, молекула углекислоты состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода; раздробив ее, мы утратим и состав и все признаки углекислоты, и получим уже нечто иное. Ясно, что относительные веса молекул также могут быть легко определены на основании Дальтоновых соображений. Однако, до 60-х  годов прошлого столетия во всех подобных определениях царила полная сбивчивость. Действительно, по ходу мыслей Дальтона, установление относительного числа элементарных атомов в одном из соединений известного класса основывается на произвольной гипотезе (см. выше): в зависимости от рода гипотезы, мы придем к разным результатам. Например, если положим, что молекула воды содержит по одному атому кислорода и водорода, то, принимая вес атома водорода за единицу, получим для атомного веса кислорода число 8 и для молекулярного веса воды число 9; если же примем, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, то вес атома кислорода будет 16, вес молекулы воды — 18; подобные колебания имели бы место и для других тел. Вопрос несколько разъяснялся правилом, которое предложил (1811) Авогадро, основываясь на произведенных Гей-Люссаком (1808) измерениях газовых объемов: два различных газа, находящиеся под одинаковым давлением и при одинаковой температуре, содержат в равных объемах равное число молекул; из этого правила вытекает, что молекулярные веса двух газообразных тел относятся, как их плотности, при тождественных условиях температуры и давления. Это положение позволяет найти молекулярный вес любого газа, если предварительно приравняем произвольно выбранному числу молекулярный вес определенного газообразного тела. Однако, правило Авогадро в течение долгого времени оставалось лишенным теоретической подкладки, а потому им с трудом удовлетворялись умы, привыкшие к систематическому мышлению. Такая теоретическая подкладка нашлась благодаря развитию кинетической теории газов. В этой теории закон Авогадро является теоремой, математически доказуемой (что, впрочем, и посейчас остается неясным для некоторых химиков). Не менее не ясна доставляемая кинетической теорией газов возможность определения числа атомов в молекуле газа. Это основано на зависимости, в которой находится упомянутое число от величины отношения теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (см. Газы). Таким образом, оказывается, что молекулы гелия, криптона, аргона, паров ртути содержат по одному атому; молекулы кислорода, водорода, азота, окиси углерода — по два атома и т. д.

Со своей стороны и химики, заметив с помощью правила Авогадро, что водородная молекула, вступая в некоторые реакции, расщепляется пополам, еще гораздо раньше заключили, что она состоит из двух атомов; таким образом, если по-прежнему будем принимать вес атома водорода за единицу, то вес водородной молекулы выразится числом 2; вес М молекулы всякого другого газа будет во столько раз больше 2, во сколько этот газ плотнее водорода; итак, обозначив плотность его по водороду буквой D, будем иметь столь известное у химиков соотношение М=2D. Всеми до сих пор указанными методами с полной определенностью решается вопрос об относительном весе различных атомов и молекул (цифры атомных весов см. в статье Химия). Из других средств определять относительные атомные веса упомянем: закон постоянства атомных теплот (Дюлонг и Пти, 1819), явление изоморфии (Мичерлих, 1819) и периодический закон (Менделеев, 1869). Что касается абсолютного веса атомов, то величина его может быть с некоторой степенью точности установлена или методами кинетической теории газов, или же методами так называемой «электроники» (см. ниже).

В 1874 г. атомистическое учение испытало еще новый прогресс благодаря обоснованию (Ле-Белем и вант-Гофом) стереохимии (см.). Допущениями, касающимися геометрической формы атомов и их пространственного расположения в молекуле, стереохимические теории легко объясняют явления изомерии (см. химия). Наиболее разработана стереохимия углерода; углеродному атому обыкновенно приписывают форму правильного тетраэдра. Ко второй половине XIX в. атомистика так прочно укоренилась в физике и химии, связала в цельное мировоззрение такую массу разнообразнейших фактов, что до некоторой степени казался восстановленным древний взгляд на атомы, как на основные камни мироздания, не подлежащие возникновению или разрушению. Кельвин предложил на этом основании (1867) особую теорию, в которой атомы рассматриваются как вихревые кольца в идеальной жидкости, наполняющей пространство (см. вихревые движения). Теория вихревых атомов, в своем роде весьма замечательная, не получила, однако же, особого развития.

Последние годы XIX века и начало ХХ-го принесли с собой ряд важнейших открытий, сыгравших первостепенную роль в  дальнейшем усовершенствовании атомистического учения. Это усовершенствование выразилось в том, что вместо двух категорий физических индивидуумов: молекулы—атомы, стали рассматривать три категории их: молекулы—атомы—элементарные электрические заряды. Надо, впрочем, заметить, что отдельные основания для происшедшего около 1903 года (когда появились работы американских физиков Резерфорда и Содди о продуктах распада радия) научного переворота накоплялись (как это всегда бывает) исподволь и частью были известны уже давно. Упомянем главнейшие из них. 1) Известно, что химические элементы, между прочим, характеризуются их спектром; а так как носителем свойств элемента является атом, то можно сказать, что природа атома отражается в спектре. Но спектры атомов часто бывают очень сложны, состоят из множества (до нескольких тысяч) отдельных линий; это показывает, что атом является источником целого множества колебаний с различными периодами. Этот факт объясняется только с помощью предположения, что атом не есть нечто простое, но что он представляет собой сложную систему множества движущихся частей. 2) Производя опыты над катодными лучами (см.), Крукс (1879) пришел к выводу, что эти лучи суть потоки телец, более мелких, чем обыкновенные химические атомы, — потоки атомов первичной материи «протила». 3) Гельмгольц в 1881 г. высказал мысль, что характер законов электролиза с необходимостью указывает на атомную природу электричества. Явление электролиза происходит так, как будто каждый атом или элементарная группа атомов, соответствующая выделяющемуся иону, обладает совершенно определенным количеством электричества, равным или кратным (по позднейшим измерениям) приблизительно 10^-20 электромагнитных единиц. На электродах эти атомы выделяются в нейтральном состоянии; следовательно, они отдали свои электрические заряды электроду. А так как эта передача не может происходить мгновенно, то эти заряды должны были, хотя бы в течение короткого времени, существовать самостоятельно. Поэтому естественно считать заряд, равный 10^-20 электромагнитных единиц, электрическим атомом.

Эти предвидения нашли себе подтверждение, с одной стороны, в исследованиях Дж. Дж. Томсона и др. над катодными лучами, которые оказались потоками отрицательных электрических атомов (так называемых электронов), а с другой — в так называемом Земановом явлении (см.). Таким образом, можно считать доказанным, во-первых, что электричество имеет атомную природу, и, во-вторых, что электрические атомы входят в состав любого материального атома. Этим была установлена сложность атомов вещества; тогда сделалась понятной и сложность даваемых атомами спектров.

Этого мало. Теория показывает, что всякий электрический заряд обладает самым основным и характеристичным свойством материи, именно массой или инерцией; но в таком случае естественно отнести присущую материальному атому массу на долю зарядов, входящих в его состав. Таким образом материя, так сказать, разрешается в электричество, которое занимает место первичной материи, «протила» Крукса; материальный атом делается системой, состоящей (смотря по роду атома), из большего или меньшего числа положительных и отрицательных электрических атом В этом состоит основное положение «электрической теории материи». Число электронов, входящих в состав различных атомов, составляло предмет изысканий Дж. Дж. Томсона; он находит, что это число пропорционально весу атома и выражается цифрой, не в много раз превышающей цифру атомного веса. Рассматривая устойчивость комбинаций, состоящих из разного числа электрических атомов, Томсон объясняет валентность элементов, то есть, способность их атомов терять или присоединять к себе 1, 2, и т. д. электронов; этим открывается путь к объяснению химических соединений: силы «химического сродства» сводятся к силам электростатическим. Вместе с тем Томсон находит между своими комбинациями соотношения, напоминающие периодическую систему Менделеева.

Один из важнейших выводов электрической теории материи состоит в следующем. Если атом есть система индивидуальных электрических зарядов, то он может терять эти заряды один за другим и, следовательно, уменьшаться в массе (или весе); это будет не что иное, как вырождение атома, переход одного элемента в другой. Мысль о такой «эволюции атома» могла бы показаться вполне фантастической до начала XX века; но после открытия Бекерелевых лучей (1890) и радия (1898) ученые, занявшиеся разработкой сложных явлений радиоактивности (см.), нашли, что в природе действительно постоянно происходит постепенное вырождение «радиоактивных» элементов, непрерывное раздробление их, сопровождаемое выделением электрических зарядов. В частности атом радия, вырождаясь, отделяет из себя один за другим атомы легкого газа гелия и, пройдя чрез целый ряд более или менее нестойких форм вещества, в заключение превращается, как можно судить по некоторым данным, в свинец или висмут. Притом есть веские основания думать, что и сам радий точно также является продуктом распадения, которому подвергаются атомы элемента урана. Понятно, что эти «радиоактивные превращения» сопровождаются постепенным уменьшением атомного веса получающихся продуктов (уран имеет атомный вес 238,5, радий 226, свинец 207, гелий 4). Распадаясь, атом радиоактивного вещества выделяет огромное количество энергии, которая раньше была, так сказать, локализирована внутри его, в форме потенциальной энергии составляющих его электрических зарядов; допуская единство строения материи, мы должны атомам других веществ также приписать известный запас внутренней энергии. Теоретический расчет показывает, что этот запас может быть чрезвычайно велик, исследование явлений радиоактивности имело огромное значение для научного атомизма между прочим потому, что оно вывело атом из категории умопостигаемых объектов и сделало его доступным ощущению. Вследствие невообразимой мелкости атомов, мы, конечно, не можем воспринимать их непосредственно нашими чувствами; но оказывается возможным осуществить посредствующие аппараты, настолько чувствительные, что под воздействием одного атома в них уже обнаруживаются изменения, доступные наблюдению. Из двух относящихся сюда методов один принадлежит Круксу, а другой — Резерфорду и Гейгеру. Метод Крукса состоит в следующем. Ничтожно-малое количество радиевой соли помещается перед экраном из сернистого цинка (вещество, способное фосфоресцировать) на очень малом расстоянии от экрана; глаз, вооруженный лупой, видит на экране проблески света, вспыхивающие и немедленно погасающие. Это — следы той бомбардировки, которой подвергается фосфоресцирующее вещество экрана от вылетающих из радия с огромной скоростью заряженных электричеством атомов гелия (так называемых частиц α); удар каждого атома обозначается вспышкой. Считая вспышки, мы тем самым определяем число атомов гелия, выбрасываемых препаратом радия. В методе Резерфорда и Гейгера переход каждой частички α в особый приемник отмечается внезапным движением стрелки электрометра. Абсолютный вес атомов может быть найден следующим путем. Как выше было указано, абсолютная величина заряда электрона составляет около10^-20 электромагнитных единиц; такой же заряд переносится атомом водорода при электролизе. Один грамм водорода переносит при электролизе 9 650 электромагнитных единиц электричества; отсюда вес одного атома водорода в граммах найдем, разделив 10^~20 на 9 650; круглым счетом это будет 10^-24 г. Абсолютный вес атомов других веществ получим, умножая относительный атомный вес их на это число. При подобной малости атомов понятно, какую сильную поддержку может оказывать атомистическое учение материалистическим теориям в области явлений наследственности и явлений нервной физиологии.

Ср. также электрон.

Литературу см. в статье физика.

А. Бачинский.