Литография 1833 года. Карикатура изображает Дальтона (справа), благодарящего голландского физика Герхарда Молля (1785-1838) за публикацию памфлета в защиту английской науки.

Работая в своей маленькой лаборатории в Манчестере, Джон Дальтон и представить не мог, какие последствия вызовет его атомная теория. Прошел целый век, прежде чем существование атомов было доказано экспериментально. Ученые решили не вводить новые данные по крупицам, а изменить вообще весь мир. Для того чтобы объяснить поведение атомов, были созданы новые невероятные теории, такие как квантовая физика.

Четвертая глава закончилась фразой, которая некоторым могла показаться слишком дерзкой — особенно из-за того, что она написана физиком. Но это не так. Мы уже рассказывали, как родилась современная химия и как она превратилась из магического искусства алхимии в науку в привычном нам смысле слова. Мы также говорили о том, какую важную роль сыграл Дальтон в изучении конечных частиц материи. Сегодня достаточно отрыть любой словарь, чтобы найти в нем определение химии, согласно которому она является наукой, изучающей атомный и молекулярный состав материи и особое взаимодействие ее составляющих.

Странным образом работы Бойля, Лавуазье, самого Дальтона и многих других ученых, которых мы уже перечислили, легли в основу нового взгляда на мир. В конце предыдущей главы мы упомянули важный конгресс в Карлсруэ, организованный в 1860 году. Это не только был первый международный конгресс по химии — мероприятие имело серьезные последствия для будущего химии, такие как практически немедленное принятие системы обозначений Берцелиуса и международное признание закона Авогадро.

Если бы нужно было свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучало бы так: все вещи созданы из атомов.

Ричард Фейнман (1918-1988), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года

Именно благодаря работам Авогадро, Гей-Люссака и особенно Джона Дальтона итальянский химик Станислао Канниццаро распространил среди участников конгресса короткую брошюру под названием "Краткий очерк развития философии химииР (1856). В этой работе Канниццаро утверждал, что поскольку атомы неделимы, молекула должна содержать целое число — и почти всегда простое — атомов каждого вида. Если мы можем рассчитать молекулярный вес составляющих элемента и процент, в котором он присутствует в соединении, полученное количество является кратным простым числом атомного веса элементов. Чтобы определить относительную атомную массу некоторых элементов среди наиболее известных, Канниццаро применил закон Авогадро и рассчитал, что один моль газа — в нормальных условиях, то есть при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре О °С — занимает объем 22, 4 литра. Из веса этих объемов в разных соединениях можно вычислить процент, относительную атомную массу и количество атомов элемента в молекулах реакций.

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой — за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов — при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния — Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию — в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были "полезным понятием", для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах — особенно в области статистической механики — опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов — самого простого состояния вещества, — нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10^е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п — число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат: