Теперь Кью работает в режиме чтения

Мы сохранили весь контент, но добавить что-то новое уже нельзя

Как ученые узнали, сколько электронов и нуклонов в химических элементах, если никто никогда не видел атомы?

Более конкретно: откуда известно, что в атомах кремния 28 нуклонов, 14 протонов и нейтронов и 12 электронов, которые еще разбросаны по электронным энергетическим уровням как 2:8:4? Откуда такие подробности? Или это все гипотетически? И еще - каким образом без возможности увидеть атомы узнают химический состав веществ? Тот же песок - откуда известно, что он состоит из кремния и кислорода SiO2?

ФизикаХимия+2
Дмитрий Литвиненко
  ·   · 22,7 K
Миро(в)творец.   · 19 апр 2021

Если кратко, - все эти количественные величины являются лишь квантовыми числами.

Т.е. они выражают не количество тех или иных составляющих элементов, а правила соотношений количества вещества в химических и физических реакциях. Иначе говоря соотношениями этих чисел и законами их сохранения задаются допустимые/недопустимые реакции. Отсюда и источник их обнаружения - наблюдения за пропорциями вещества в реакциях.

В физике элементарных частиц это выявление статистики распадов ядер и коротко живущих частиц, которая так же представляет собой определенные пропорции вероятностей направлений распада. Вот из всех этих кратностей и пропорций, которые строго закономерны, и получают соответствующие числа, которые интерпретируют как количество составляющих элементов.

-

Еще со времен античных греков считалось, что все возможные вещества состоят из некоторого ограниченного числа элементарных веществ (субстанций). Вот и химики с самого зарождения химии искали эти элементарные вещества, полагая, (опять же следуя идеям греков) что эти элементарные вещества состоят из атомов. Тем более, что к тому времени уже было проведено несколько опытов (сжатие газов, закон кратных отношений), результаты которых объяснялись с привлечением гипотезы атомов. Закон кратных отношений говорил о соотношениях объемов или масс участвующих в реакции элементарных веществ. И эти соотношения сводились к соотношениям целых чисел. Благодаря им химики стали записывать формулы более сложных веществ.

Однако при этом было обнаружено несоответствие исходных объемов элементарных веществ конечному. Эту проблему решил А.Авогадро, предположив, что все вещества в том числе и элементарные состоят не из атомов, а из их комплексов - молекул. В результате все соотношения объемов участвующих в реакции веществ полностью согласовались между собой.

Следующим шагом было формулирование понятия валентности (степени окисления), которое напрямую связано с химическими формулами веществ. Оно определяло количество возможных химических связей каждого атома. Именно на основе валентностей атомов и их масс была построена периодическая таблица Менделеева. Которая в свою очередь, хоть и основывалась на атомных массах и химических свойствах элементов, подспудно проявила периодизацию элементов согласно зарядам их ядер и электронных оболочек. Но это уже относилось к компетенции физики.

С рождением квантовой физики для объяснения спектров разных химических элементов Н.Бор был вынужден выдвинуть гипотезу энергетических уровней электронов в атоме. И как оказалось она прекрасно легла на структуру периодов таблицы Менделеева. В это же время была установлена связь номера элемента в таблице с зарядом ядра. А следствием этого при явной разнице между зарядом и массой ядра появилась гипотеза о нейтроне.

Таким образом мы видим, что все количественные соотношения между собой атомов в молекулах и электронов с протонами и нейтронами в атоме есть результат косвенных наблюдений за химическими и физическими (излучение фотонов и распад ядер) реакциями. И самое удивительное, что во всех случаях эти соотношения приводились к соотношениям целых чисел. Что напрямую указывало на дискретную/квантовую природу как в химических, так и в физических процессах. Разумеется самым простым и уже традиционным решением было рассматривать эти целые числа как проявление дискретности вещества, т.е. разного рода частицами.

Однако если на все это взглянуть с точки зрения квантовой теории, то становится понятно, что в обоих случаях это всего лишь арифметика квантовых чисел характеризующая определенные законы сохранения, т.е. симметрии. Физики уже сомневаются в реальном существовании элементарных частиц, предлагая рассматривать их лишь как удобный аппарат для описания физических процессов. Так же можно взглянуть и на химию, где уже сами атомы можно рассматривать как просто квантовые числа удобные для описания химических процессов. Они не являются элементами вещества, они элементы молекул и кристаллов.

Можно провести интересную аналогию между химическими элементами, элементарными частицами и языком. Атомы, как и элементарные частицы (кварки с электронами и калибровочными бозонами) можно сравнить с буквами. Как буквы в языке не несут никакого семантического значения, а являются лишь знаками, атомы являются буквами в химических формулах, а элементарные частицы - буквами в физических. И те и другие по сути являются просто названиями квантовых чисел. (В стандартной модели даже существует проблема с массой элементарных частиц, для решения которой и придумали бозон Хиггса).

В свою очередь из этих "букв" составляются "слова" - молекулы и составные субатомные частицы соответственно. Как слова в языке являются минимальными единицами текста, так и молекулы минимальными частицами вещества, а субатомные частицы минимальными носителями массы (которая возникает как результат связывания энергии взаимодействия входящих в них элементарных частиц).

И наконец из "слов" можно составлять неограниченное многообразие "предложений" и "текстов". Из молекул неограниченное многообразие физических тел и живых клеток. А из субатомных частиц - атомов. И те и другие в свою очередь становятся "буквами" для нового уровня.

Так что я убежден, что гипотеза физического существования атомов, как и элементарных частиц излишня. Достаточно рассматривать их как квантовые числа в математике описания законов регулирующих химические и физические реакции.

Спасибо вам за такой ответ! Мне он очень понравился. Вы мне своим текстом напомнили, наверное, самое интересное в... Читать дальше
Polymer Scientist, Rheologist, and Materials...  · 19 апр 2021  · nikolaysemenov.ru
Все началось с предположения, что атом можно разделить. Потом произошло открытие радиации(когда атом делится сам), и создание моделей которые описывали это деление. На основании этих моделей были разработаны эксперименты и... Читать далее
3 эксперта согласны
Valery Timin
подтверждает
23 сент 2021
Сначала химики знали только относительные массы веществ, участвующих в реакциях. И они для разных веществ имели... Читать дальше
физика математика  · 7 сент 2021
Аналогия. Предположим, перед Вами 3 ящика. Вес первого 450 г, второго - 640, третьего 845 гр. В каждом из них находятся стальные шарики - абсолютно одинаковые. Пустые ящики ничего весят очень мало - но весят - для простоты (или... Читать далее
программист, тренер  · 19 апр 2021
Немного дополню предыдущие два ответа. Атомы уже вполне можно не только видеть, но и манипулировать ими. Как самый первый пример: логотип IBM, сложенный из отдельных атомов ещё в 1990 году: https://www.ibm.com/ibm/history/exhibi... Читать далее
1 эксперт согласен

это скорее трогать атомы, чем видеть

Инженер-радиофизик, преподаватель физической...  · 29 сент 2021
Из исследования радиоактивности, а в последствии на ускорителях в магнитном поле в камерах Вильсона по траекториям ядер, где легко рассчитывались масса и заряд ядра, когда уже были открыты электрон, позитрон и нуклоны, далее... Читать далее
пенсионер, изобретатель, в реальном мире нет тем...  · 27 июл 2021
Как ученые узнали... это долгий-долгий процесс научных исследований - экспериментов, расчётов, теоретических моделей-гипотез, экспериментальных проверок (подтверждений и опровержений, новых открытий). Один из интереснейших... Читать далее
1 эксперт согласен
Susanna Kazaryan
подтверждает
12 июн 2022
Это единственный правильный ответ на вопрос.
Программист. Интересна физика  · 17 сент 2021
Мы не видим сами атомы напрямую, но мы видим их косвенно, то есть видим то на что различные атомы способны в разных экспериментах. Проверяя многочисленными способами параметры атомов мы можем весьма точно сказать что они из... Читать далее
1 эксперт согласен
инженер, почти хобби чтение: историческая...  · 21 сент 2021
Благодаря изучению атома, его строения и свойств. Чем больше мы познаем об атомной структуре, тем больше вопросов возникают у нас. А человек всегда искал ответы на вопросы, чтобы поставить окончательную точку. Отсюда и создание... Читать далее
1 эксперт согласен
Физика т/т, производственник, к Нижнему с любовью.  · 11 июн 2022
Таблица Менделеева (периодическая система химических элементов) дала физикам возможность построить результативные  физические модели атомов с количественными значениями нуклонов, энергетическими уровнями электронов - хотя никто... Читать далее
При чём ещё и таблица приснилась😁
По образованию физик, работаю программистом  · 3 июл 2022
Это известно по косвенным данным. Хотя данные и косвенные, они очень многочисленны и согласуются друг с другом. Строение электронных оболочек известны по химическим реакуциям, в которые вступает или не вступает элемент, а... Читать далее