Джон Дальтон, отец современной атомной теории, представлял собой архетипического британского естествоиспытателя XIX века. Выходец из семьи квакеров, он не мог попасть в университет, который в ту пору оставался доступным только адептам англиканской церкви. Дальтон был самоучкой и проводил свои исследования по газам в стесненных условиях.
Однако по мере того как признавалась важность и польза атомной теории, авторитет Дальтона возрастал. Некоторые университеты предоставили ему почетные титулы, король Георг вручил медаль в награду за его работу, а различные иностранные общества назвали его своим почетным членом. В 1833 году, в возрасте 67 лет, он получил пожизненную пенсию. Но ничто из этого не изменило его простых привычек. Дальтон жил в Манчестере с 1793 года, когда город прогрессировал в ритме промышленной революции. Опасаясь того, чтобы этот прогресс не ограничился экономической сферой, местная буржуазия поддерживала художников, философов и ученых, которые помогли бы приравнять Манчестер к крупнейшим аристократическим центрам Англии. Дальтон справлялся с этой миссией, и памятник в его честь был воздвигнут еще при жизни исследователя. Это не только воздаяние почестей, но и стремление нанести Манчестер на культурную карту и доказать, что экономическое развитие предполагает также развитие научное. Дальтон скончался у себя дома 27 июля 1844 года. По завещанию ученого было произведено вскрытие его тела, в ходе которого подтвердилась его теория относительно причин особенности зрения, сегодня известной как дальтонизм. Похороны стали публичным событием неслыханного масштаба для ученого, ведшего столь скромную жизнь. Около 40 тысяч человек вышли на улицы города фабричных труб, чтобы почтить того, кого они сами сделали символом Манчестера.
Изучая испарение, Дальтон заинтересовался другим вопросом, а именно составом воздуха. На протяжении веков люди науки полагали, что атмосферный воздух — это единственный чистый газ. Согласно древней теории, атмосферный воздух — одна из четырех стихий, наряду с водой, огнем и землей. Французский ученый Антуан Лавуазье (1743-1794) показал, что на самом деле воздух состоит по крайней мере из двух элементов. Оставалось понять, как именно соединяются различные газы. Первым вариантом была химическая реакция, то есть предположение, что воздух — это вещество, продукт взаимодействия составляющих его газов. Но Дальтон отверг эту теорию. Его метеорологические наблюдения показали, что различные типы газов соединяются, не теряя своих свойств.
На основе этой идеи он провел измерения давления газов, состоящих из разных веществ, и пришел к выводу, что давление, оказываемое определенным объемом газа, не зависит от того, какие газы находятся в том же объеме. Другими словами, давление, оказываемое составным газом, — это сумма значений парциального давления каждого из его компонентов. Так, пользуясь современной терминологией, общее давление атмосферного воздуха равно сумме давлений, которые оказывают по отдельности кислород, азот и остальные газы, входящие в состав атмосферы. Тот факт, что газы представлены вместе, не влияет на давление, которое оказывает каждый из них. Это называется «законом парциальных давлений», или «законом Дальтона».
Использование весов, столь важных в работах Джозефа Пристли (1733-1804) и Антуана Лавуазье, также было определяющим для Дальтона. С 1800 по 1808 год исследователь провел точные и системные измерения некоторых химических реакций и на их основе сформулировал закон кратных отношений. Иногда два элемента реагируют друг с другом различным образом, и получаются различные сложные вещества. Это случай кислорода и углерода, которые могут образовывать монооксид углерода (СО) или диоксид углерода (СO2). Масса кислорода, реагирующая с постоянной массой углерода, сохраняет простое числовое отношение (2:1). Так, для каждых 100 г углерода нужно 133 г кислорода, чтобы образовать СО, и 266 г — чтобы образовать СО2. Это простое отношение, но его можно определить, только когда в распоряжении имеются точные измерительные приборы.
Молодой Нильс Бор с матерью, Эллен Адлер, происходившей из состоятельной еврейской семьи с многочисленными связями в банковской и политической сферах.
Датский ученый в Копенгагенском университете, 1920-е годы.
Веру в то, что материя состоит из атомов, вновь пробудил авторитет Ньютона. Но каковы эти атомы? Вклад Дальтона состоит в том, что он утвердил атомную теорию, совместимую с наблюдениями за газами и химическими реакциями. Закон кратных отношений, казалось, говорил о том, что атомы определенного вещества отличаются от других атомов массой. Можно было представить, что каждый химический элемент характеризуется массой его атомов. Дальтон допускал, что атомы — это твердые шарики, окруженные атмосферой тепла. Основываясь на своем законе парциальных давлений, он также решился предположить, что кроме массы, у атомов есть и другая характеристика — размер.
Наблюдения за смесями газов привели его к выводу, что при соединении различные газы сохраняют некую независимость друг от друга. Таким образом, вклад каждого газа в общее давление независим от прочих смешанных газов. Это навело его на мысль, что причина подобной независимости заключается в различном объеме атомов, входящих в состав газа. Атомы достигают равновесия с другими атомами такого же размера, но это равновесие невозможно с другими типами атомов.
АТОМЫ, ЭЛЕМЕНТЫ И ВЕЩЕСТВА
С усовершенствованием весов и прочих измерительных приборов Лавуазье и Дальтон, среди прочего, сумели сформировать новую химию. Атомная гипотеза, принятая лишь частично, позволила выделить новые вещества (24 из них были отделены с 1800 по 1850 год: алюминий, кальций, литий, магний, калий, кремний...). В 1860 году в немецком городе Карлсруэ международное научное сообщество предприняло попытку навести порядок в хаосе, вызванном появлением стольких новых «действующих лиц».
МАССА АТОМОВ
Атомная теория Дальтона обеспечила истории атомизма главный элемент: представление о том, что масса — одна из основных характеристик атома. С 1805 года Дальтон прокомментировал свою теорию в Манчестерском литературно-философском обществе, а затем в университетах Глазго и Эдинбурга. В качестве дидактического материала он приводил таблицу, в которой атомы некоторых элементов представлены в виде шариков различной структуры, упорядоченных в зависимости от их массы. Номер (масса), результат измерения на весах, впервые превратился в критерий для упорядочивания химических веществ. Следуя алхимической традиции, Дальтон определил специальный символ для каждого типа атомов; сегодня мы пользуемся буквами (С — углерод, Hg —ртуть и так далее).
Страница книги Дальтона «Новый курс химической философии» (1808), на которой представлены символы, использованные им для обозначения каждого из атомов (вверху). Внизу приведены символы сложных веществ, образованных двумя или более атомами.
[Этот съезд] позволит прийти к согласию в определении важных химических понятий, которые выражаются словами «атом», «молекула», «эквивалентность», «атомный» и «базовый», [...] а также установить единые обозначение и номенклатуру.
Приглашение на Съезд в Карлсруэ
Съезд в Карлсруэ в 1860 году стал первой международной встречей химиков в истории и имел чрезвычайную важность для развития химии как научной дисциплины. Алхимия всегда была особым знанием, передаваемым из уст в уста практически по секрету. Характеристика материальных веществ в зависимости от их свойств делала материю чем-то таинственным и закрытым, и это знание было доступно немногим. С появлением точных весов химические вещества стали классифицироваться по их массе, а не по свойствам. Но чтобы говорить об атомных массах, нужно было иметь базовую единицу, которая стала бы единой для всех лабораторий. Без нее научное общение и сравнение результатов оказались бы невозможными. Именно эта задача была решена в Карлсруэ: ученые высказались за систему измерений, в которой атомная масса углерода равнялась 12, а кислорода — 16.
Определение атомной массы — нелегкий процесс, поскольку атомы не видны и их также нельзя измерить по отдельности. Дальтон считал, что каждое химическое вещество состоит из особенного типа атомов, отличающегося от остальных веществ. Допустим, если назначить массу 1 атому водорода, то на основе измерения массы сложных веществ в составе с водородом можно вывести массу других веществ. Так, например, если вода состоит из водорода и кислорода и весит в восемь раз больше, чем масса чистого водорода, то логично предполагать, что атомная масса кислорода — 8.