Статья об атомной теории и кинетической теории.
Атомная теория
На протяжении тысячелетий древние греки верили, что каждое чистое вещество (например, золото, железо и т. д.) состоит из атомов. По их мнению, если чистое вещество разрезать на мелкие кусочки, затем эти крошечные части разрезать снова, затем снова… и так далее, то останутся мельчайшие кусочки, которые нельзя разрезать снова. Эти мельчайшие кусочки, которые нельзя разрезать снова, называются атомами. Атом означает «неделимый» (греческий язык).
В то время считалось, что атом уже не делится на части. Но позже некоторые ученые открыли электроны и атомные ядра (протоны и нейтроны), так что предположение о невозможности деления атомов оказалось неверным. Таким образом, атомы состоят из электронов (отрицательно заряженных) и атомных ядер. Электроны вращаются вокруг ядра. Внутри ядра находятся протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные или незаряженные).
Существует ещё одна теория, называемая теорией непрерывности. Эта теория утверждает, что чистые вещества можно делить на бесконечность. Согласно этой теории, не существует понятия наименьшего куска. Самые маленькие куски всё ещё можно разрезать на более мелкие. Таким образом, их количество становится бесконечным. Какая из этих двух теорий верна? Атомная теория или теория непрерывности?
В физике любая теория будет признана научно, если её можно будет доказать экспериментально. В XVIII, XIX и XX веках эксперименты, проведённые учёными, подтвердили истинность атомной теории.
Для начала разберитесь в следующих моментах. Элементы — это чистые вещества, которые нельзя химически разделить на другие вещества, например, золото (Au), железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), натрий (Na), кальций (Ca), хлор (Cl), азот (N), кислород (O), водород (H) и т. д. Помимо элементов, существуют также соединения. Соединения состоят из элементов. Поскольку соединение состоит из элементов, его все равно можно разделить на элементы. Примером соединения является вода.
Самая маленькая часть элемента — это атом, а самая маленькая часть соединения — это молекула. Молекулы состоят из атомов, соединенных вместе. Чистое золото — пример элемента. Чистое золото состоит из атомов золота (Au). Кусочки железа также являются примером элемента. Железо состоит из атомов железа (Fe). Таким образом, элемент — это чистое вещество, состоящее из подобных атомов.
Вода, которую вы часто видите, держите в руках и пьете, состоит из молекул воды (химическая формула — H₂O ) . Молекулы воды состоят из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O).
Вот несколько доказательств атомной теории:
Во-первых, закон постоянного сравнения.
Закон сравнения гласит, что если элементы соединяются, образуя соединения, то образовавшиеся соединения имеют одинаковое соотношение масс. Например, соль. Соль, которую мы видим, представляет собой соединение, состоящее из молекул соли (NaCl). В природе молекулы соли всегда образуются из 23 частей натрия (Na) и 35 частей хлора (Cl).
Теория непрерывности не может это объяснить, но атомная теория может. Согласно атомной теории, атомы — это мельчайшие части элемента, поэтому атомы имеют массу. Массовое соотношение элементов в соединении должно быть связано с относительной массой атомов, из которых состоит этот элемент. На основе количества каждого элемента, входящего в состав соединения, ученые определяют относительную массу атомов. Она называется относительной, потому что относительная масса одного элемента сравнивается с относительной массой других атомов элементов.
Водород — самый лёгкий атом, поэтому его используют в качестве эталона. Относительной массе атома водорода (H) присваивается значение 1. Используя относительную массу атома водорода в качестве эталона, относительная масса атома углерода (C) принимается равной 12.
Относительная масса атома кислорода (O) принимает значение 16 и так далее (см. периодическую таблицу элементов). Относительная масса атома углерода, равная 12, означает, что масса одного атома углерода в 12 раз больше массы одного атома водорода (H). Относительная масса атома кислорода, равная 16, означает, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы одного атома водорода (H).
В Международной системе мер (СИ) у нас есть стандарт массы, а именно иридий-платина, который хранится в международных учреждениях по контролю веса и размеров во Франции. Согласно международному соглашению, масса иридия-платины составляет 1 кг, что является стандартным килограммом. В атомной шкале у нас также есть второй стандарт массы, а именно атомы углерода 12C. На основании международных соглашений масса 1 атома углерода 12C составляет 12 0000 унифицированных атомных единиц массы (сокращенно u).
1 u = 1.66 x 10⁻²⁷ кг.
Масса 1 атома углерода (C) = 12,0000 а.е.м., масса 1 атома водорода (H) = 1,0078 а.е.м., масса 1 атома кислорода (O) = 15,9994 а.е.м., масса 1 атома натрия = 22,9897 а.е.м. и так далее. Атомные массы можно увидеть в полной мере в периодической таблице элементов.
Помимо атомной массы, существует также молекулярная масса. Молекулярная масса — это суммарная масса атомов молекулы. Например, масса молекулы соли (NaCl) = масса одного атома натрия (Na) + масса одного атома хлора (Cl). Масса молекул воды (H₂O ) = масса двух атомов водорода (H) + масса одного атома кислорода (O).
Во-вторых, коричневое движение
В древние времена жил английский биолог Роберт Браун. Он исследовал пыльцу, помещенную в воду (1827). Вода и пыльца видны под микроскопом. Роберт Браун счел странным, увидев, как пыльца движется сама по себе. Странность заключалась в том, что пыльца двигалась. Направление движения пыльцы было произвольным, но непрерывным. Он предположил, что это движение обусловлено жизнью, благодаря которой пыльца может двигаться. Но его предположение оказалось неверным, поскольку мелкие органические частицы, такие как пыльца, также движутся, когда их помещают в воду. Это движение называется броуновским движением.
Это открытие невозможно объяснить до тех пор, пока не будет разработана кинетическая теория.
Кинетическая теория
Кинетический означает «движущийся» (греч.). Кинетическая теория утверждает, что каждое вещество состоит из атомов или молекул и что атомы или молекулы непрерывно и хаотично движутся.
При движении атомы или молекулы должны двигаться с определенной скоростью. Атомы или молекулы также обладают массой. Поскольку они имеют массу (m) и скорость (v), то атом или молекула обладают кинетической энергией (EK) и импульсом (p). Кинетическая энергия: EK = 1/2 mv² . Импульс: p = mv. Помимо импульса, существуют силы. При движении возможны столкновения. Таким образом, силы возникают из-за изменения импульса при столкновении.
Можно сказать, что кинетическая теория основана на кинетической энергии, импульсе и силе. Эти три понятия изучаются в рамках динамики движения (законы Ньютона, импульс и момент импульса). Разница заключается в том, что в кинетической теории мы применяем динамику на уровне атомов или молекул. Кинетическая теория была разработана Бойлем (1627-1691), Даниэлем Бернулли (1700-1782), Джоулем (1818-1889), Кронигом (1822-1879), Рудольфом Клаузиусом (1822-1888) и Клерком Максвеллом (1831-1879).
Существование этой кинетической теории может объяснить открытие Брауна. Согласно кинетической теории, пыльца движется благодаря быстро движущимся молекулам воды. Количество молекул воды огромно, поэтому пыльца перемещается с разных сторон.
Основанная на законе постоянного сравнения и открытии коричневого движения, атомная теория всё больше укрепляется в глазах учёных. Атомы — это мельчайшие частицы любого вещества. Следовательно, атом имеет размер. Каков размер атома?
В 1905 году Эйнштейн теоретически исследовал размеры атомов. На основе атомной теории, кинетической теории и данных, полученных экспериментальным путем, он обнаружил, что диаметр атома составляет около 10⁻¹⁰ м . Таким образом, диаметр атома был получен путем вычислений. Открытие размеров атомов привело к признанию атомной теории, а также кинетической теории.
