Становление знаний об атомно-молекулярной организации неживой природы
Атомная и молекулярная организация вещества представляет ту систему объектов, при исследовании которой происходило и происходит наиболее активное взаимодействие химии и физики.
Объективно это обусловлено тем, что всякой химической структуре (атомно-молекулярным образованиям) присущи физические свойства: эти образования весомы, имеют объем, определенный запас энергии, электрический заряд или дипольный момент, взаимодействуют с электромагнитными излучениями различной чаγстоты (γ-квантами, рентгеновскими лучами, ИК-, видимым и УФ-излучениями, СВЧ и радиоволнами). Кроме того, в процессах химических превращений могут иметь место люминесценция, эмиссия радиоволнового или СВЧ-излучения в магнитных полях (химическая поляризация ядер и электронов), а кинетика и механизм химических реакций могут принципиальным образом зависеть от взаимодействия множества физических факторов: температуры, облучения быстрыми частицами и светом, воздействием магнитных полей и т.д.
Исследование названных явлений в пограничных областях химии и физики стало возможным прежде всего в связи с познанием микроструктуры вещества: атомных и молекулярных систем, их электронной структуры и химического строения. Историко-логический процесс познания микроструктуры вещества характерен тем, что зарождение знаний в этой области, начиная с первичных, происходило в результате тесного взаимодействия химии и физики. Каждый новый этап обогащения знаний в этой области приводил к раскрытию новых предметных областей и новым исследовательским методам, которые обусловливали еще более интенсивное взаимодействие данных наук.
Для полноты историко-логического исследования вначале необходимо дать краткий анализ истоков научной атомистики. нужно ясно различать развитие учения о составляющих вещества (стихиях, элементах) и учения о структуре вещества (атомах, корпускулах и т.п.).
Четыре стихии древних: земля, вода, огонь, воздух, и пятая — квинтэссенция (введенная Аристотелем), — явились истоком традиции познания элементарных составляющих тел. Заметим, что пятая стихия Аристотеля — эфир — оставалась в системе научного знания наиболее долго, вплоть до начала ХХ в. (до создания специальной теории относительности и опытов Майкельсона—Морли).
Историческим и логическим продолжением учения о составляющих вещества (элементов) было учение Т.Парацельса о трех началах: сере, ртути, соли. Далее развитие этой линии продолжалось в учении Р.Бойля, который положил начало установлению связи элемента с такой физической характеристикой, как вес, определяя элемент как вещество, которое при химическом превращении всегда увеличивает свой вес. Хотя понятно, что положение об увеличении веса элемента ошибочно, важна принципиальная сторона установления связи “элемент — вес”. Вполне завершенное учение об элементах как элементарных составляющих вещества было создано А.Лавуазье, и принципиальный смысл оно сохраняет до настоящего времени. Стоит заметить, что в качестве составляющих вещества (элементов) рассматривались и теплород, и флогистон. Для своего времени это было, на наш взгляд, вполне обоснованным (не ошибочные взгляды для того времени — XVII—XVIII вв., а ошибочные для ретроспективных оценок науки XIX—ХХ вв.).
Параллельно развивалась традиция познания микроструктуры вещества. Для нас здесь важна линия атомистического учения. Представления об атомистическом, дискретном строении тел, как хорошо известно, сформировались в древности. Важно учитывать, что атомистические представления древних были гипотезой не с большими основаниями, чем альтернативные учения — гипотезы о цельности и непрерывности тел. И то и другое учение можно назвать умо-зрительным, спекулятивным, натурфилософским. Атомистические гипотезы долгое время не находили научного развития и экспериментально-теоретических оснований. Сдвиг наметился в XVII в., когда атомистические идеи получили некоторое развитие в картезианской философии и картезианской физике. Эти идеи стали внедряться в химию. Р.Бойль, Н.Лемери и другие ученые, работавшие в химической области, пытались с помощью механических моделей атомов объяснить химические явления (см.: [Становление, 1983, c. 25—71]).
В этот период атомистическое учение дополняется идеями Ньютона, который в своих трудах возрождает атомы Эпикура—Лукреция, усматривая во взаимодействии атомов исходные причины большинства явлений. Выше уже отмечалось, что Ньютон высказывался о возможном взаимодействии атомов наподобие сил, аналогичных силам тяготения в его механике. В 1704 г. в известной “Оптике”, точнее в специальном приложении к ней (“Вопросы”), Ньютон высказал предположение о том, что тела состоят из частичек и “частички тел разделены промежутками”. Все это определенным образом сказывалось на общем развитии атомистических представлений.
Однако в данном месте историко-логического анализа весьма важно подчеркнуть, что атомистические представления, развивавшиеся в науке XVII—XVIII вв., были такими же умозрительными, как и представления древнегреческих атомистов. Научная экспериментально обоснованная атомистика зародилась именно в химии.
На первом этапе она также в большей степени была умозрительной. Это относится к работам Р.Бойля и М.В.Ломоносова. “Многие химические эксперименты, — утверждал Р.Бойль, — могут быть удачно объяснены с помощью понятий о корпускулах, точно так же многие из понятий о корпускулах могут быть удобно пояснены или подтверждены химическими экспериментами” (см.: [Ланжевен, 1977, с. 33]). В свою очередь М.В.Ломоносов не раз рассуждал о важности исследования “начал” (или “первоначальных частиц” — атомов). В 1740—1750-х гг. он замечал, что “столько же значит для химии познание начал, сколько для тел — самые начала” (см., напр., [Ломоносов, 1951а]). Из рассуждений обоих ученых ясно, что они ориентировались на опыт практических исследований в химии, однако найти достаточные основания для атомистической теории еще были не в состоянии.
Решающий этап в развитии атомистических представлений и переход их от умозрительного характера к форме экспериментально-теоретического учения связан с применением в химии физического метода взвешивания и весов как средства реализации этого метода. Долгое время (до XVIII в. преимущественно, но частично и сейчас) в химических исследованиях свойства веществ характеризовались по их цвету, запаху, вкусу, твердости и текучести, реакции при воздействии некоторых физических и химических агентов — тепла, кислот и т.п. Все эти характеристики не были выражены в количественном виде. Количественная оценка интенсивности “химического сигнала” стала возможной в результате применения физических методов взвешивания, измерения объемов (“пневматическая химия”) и тепловых эффектов (по расходу льда в ледяном калориметре). Для развития атомно-молекулярного учения принципиальную роль сыграли первые два физических метода.
Здесь важно то, что Ньютон утвердил в естествознании положение о связи массы вещества с его весом. “Количество материи, — писал он, — есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее... Определяется масса по весу тела, ибо она пропорциональна весу” [Ньютон, 1954, с. 22]. Это положение явилось определяющим для использования в химии инструмента — весов для количественного определения массы химических соединений. Особое значение весовому методу придавал А.Лавуазье, который в третьей части своего знаменитого “Начального курса химии” (1789) подробно описал технику работы с физическими инструментами в химии: весами, термометром, калориметром.
Широкое использование весов в химических исследованиях второй половины XVIII в. создало новые предпосылки для зарождения научной атомистики. Так, сочетание исследований превращений вещества химическими методами с измерениями массы исходных веществ и продуктов (в сочетании химических методов и физического инструментального метода) позволило А.Лавуазье сформулировать закон сохранения массы в химических реакциях — первый естественнонаучный закон сохранения массы. Открытие Лавуазье позволило производить запись уравнений химических реакций (1789), представляющих собой, по существу, алгебраические выражения с химической символикой (знаками). В этот же период, основываясь на том же подходе, Ж.Л.Пруст установил, что соотношения элементов в химическом соединении постоянны. Эта закономерность получила название “закон постоянства состава Пруста” (закрепивший, как мы знаем, неокончательную его победу в споре с Бертолле — наряду с “дальтоноидами” имеются и “бертоллоиды”, т.е. соединения непостоянного состава, хотя как объекты химии они встречаются значительно реже). Для атомистической теории указанные открытия, сделанные в результате взаимодействия химического и физического знаний, стали одним из необходимых научных оснований.
Принципиальное развитие и синтез знаний о качественных составляющих вещества — элементах, выработанных в химии, и представлений о микроскопических структурных составляющих вещества — атомах, сформировавшихся в результате длительного развития философии, физики, химии, были осуществлены в революционных работах Дж. Дальтона в начале XIX в.
Открытию Дальтона способствовало то, что он стал записывать веса веществ, участвующих в химических реакциях, в виде отношений к весу распространенного элемента. До Дальтона данные о количественных соотношениях элементов было принято давать в весовых процентах, в которых кратность весовых соотношений прямо не просматривалась. “Когда Г. Деви сообщил, что три оксида азота содержат соответственно 29,50, 44,05 и 63,30 вес.% азота, никто не обратил внимание, что азот входит в соединения в соотношении 1:2:4”, — отмечается в [Дикерсон, 1982, c. 279]. Подход Дальтона позволил ему сформулировать в 1802 г. закон кратных отношений и атомистическую теорию.
С появлением работ Дальтона представления о химических элементах и символика, их выражающая, приобрели принципиальное отличие от прежней — химический символ обозначал не только элемент (как элементарную, но не-определенную в структурном отношении составляющую вещества), но и атом с определенным весом (массой).
Таким образом, атомистические представления, будучи ранее умозрительными, перешли в сферу экспериментально-теоретического учения. В этом процессе физика и химия находились в постоянном взаимодействии. Через физическую механику и идеи Ньютона в химии сформировалась “физическая идеология” и были привнесены учения о весе и массе, а вместе с этим и весовой метод. В химии были развиты учения об элементах как элементарных неделимых составляющих вещества. Использование физического (весового) метода в химии могло привести к атомистическому учению Дальтона только при его применении для исследования химических реакций с известными для химии веществами и элементами, т.е. при применении в разработанной предметной области химии.
Следующий этап развития атомно-молекулярного учения, начавшийся в XIX в., связан с конкретизацией знаний об атоме и молекуле, а также с развитием знаний о химическом строении вещества (атомной структуре молекулярных образований). Надо сказать, что сам Дальтон весьма своеобразно толковал взаимосвязь физических и химических свойств в атомных образованиях; по его мнению, собственно атом определяет химические свойства вещества, а его теплородная оболочка — физические.
Дальнейший прогресс атомно-молекулярного учения был связан с измерением объемов газообразных веществ, участвующих в химических реакциях, и их взвешиванием. Поскольку объем — величина физическая, то можно говорить о взаимодействии химии и физики через инструментальные методы измерения объемов. При этом следует оговориться, что в историческом аспекте в этой области взаимодействие химии и физики более сложное, так как методы исследования газов, в том числе методы измерения их объемов, создавались в сфере химических исследований, в ее части, известной в истории химии под названием “пневматическая химия”.
Мы проанализируем только применение объемного газового анализа в химии, который оказался наиболее важным для развития атомно-молекулярного учения. Вант-Гофф заметил, что как изучение веса привело к идее об атомах, так и изучение другого физического свойства — объема — привело к представлению о молекулах.
Исторически развитие метода объемного анализа и химические исследования происходили в тесном взаимодействии. Так, интерпретация данных объемных измерений в процессе проведения химических реакций имела смысл только при проведении экспериментов при постоянном давлении; во многих случаях эта проблема “автоматически” решалась, поскольку большинство из них проводилось при более или менее постоянном атмосферном давлении. Корректное экспериментирование могло быть основано только на результатах работ Р.Бойля и Э.Мариотта, проведенных еще в XVII в. и выразившихся в известном законе зависимости объема газов от давления (законе Бойля—Мариотта).
Успехи химии газов во второй половине XVIII в. и изобретение эвдиометра в 1777 г., которым измеряли объемы взаимодействующих газов, создали основу для распространения в химии метода объемного количественного анализа веществ, вступающих в реакцию в газообразном и парообразном состояниях. Так, К.Шееле, Г.Монж, А.Лавуазье, К.Бертолле в 70—90-е гг. XVIII в. установили объемные соотношения для различных химических реакций в газообразном и парообразном состояниях, которые несли в себе информацию о том, что соотношения объемов газообразных веществ, вступающих в химические реакции, подчиняются простым кратным соотношениям (см., напр., [Вант-Гофф, 1900, с. 1]). Заметим, что аналогично и до открытия Дж.Дальтона была накоплена большая информация о весовых соотношениях агентов химических реакций. Накопление такой количественной информации, как видно, происходит до того предела, когда, во-первых, ее становится достаточно для обобщающих решений; во-вторых, когда появляется субъект научной деятельности, способный увидеть в массе материала некоторую систему, выявляющую новое знание о природе.
Вскрытие новой закономерности обозначилось в работах А.Гумбольдта и Ж.Гей-Люссака, которые в 1805 г., используя в экспериментах эвдиометр А.Вольта, определили, что для образования воды требуется ровно 2 объема водорода и 1 объем кислорода. Обсуждая эти эксперименты, Ж.Био писал: “Стремление этих чисел к простому кратному пределу поразило Гей-Люссака. Он немедленно предположил, что точное отношение 1:2 является правильным и что простота этого отношения, весьма возможно, есть явление общего характера, дающее для объемов соотношение, аналогичное соотношению для весов, открытому Дальтоном” (см.: [Соловьев, 1983, с. 143]). Синтез знаний в объединяющую атомно-молекулярную теорию с разделенными понятиями “атом” и “молекула” происходил в противоречиях, но достаточно интенсивно.
Данные об открытии закона объемных отношений Гей-Люссак изложил в 1809 г. в обобщающей статье “О соединении газообразных веществ”. Если закон Дальтона относился к соотношениям масс веществ в химических реакциях, то закон Гей-Люссака — к соотношениям объемов газообразных веществ в таких реакциях. В обоих случаях соотношения были простые кратные. Открытие Гей-Люссака послужило основанием для подтверждения атомистической теории Дальтона и разделения понятий “атом” и “молекула”, но, естественно, это могло произойти только с принятием гипотезы Авогадро. Отношение Дальтона к результатам Гей-Люссака не было достаточно определенным. “Представление Гей-Люссака об объемах, — писал он, — аналогично моему представлению об атомах, и если можно будет доказать, что все упругие флюиды имеют в одинаковых объемах равное число атомов или числа, относящиеся как 1, 2, 3 и т.д., то обе гипотезы стали бы одной с той разницей, что моя гипотеза универсальна, а Гей-Люссака применима только к упругим флюидам” (см.: [Фаерштейн, 1961, с. 144]). Великий Дальтон ошибался в главном. “Истина, — писал он, — я полагаю, состоит в том, что газы в любом случае не соединяются в равных или точных объемах; когда же они, как кажется, ведут себя именно так, это происходит вследствие неточности измерений” (см.: [Дальтон, 1940, с. 145]).
Перед нами показательный случай, когда в узком историческом интервале развития научного знания Дальтон, создав новую научную теорию-гипотезу, оказался в рамках ее парадигмы. К создавшейся противоречивой ситуации более гибко отнесся Я. Берцелиус. “Обе теории, — отмечал он в 1814 г., — составляют одно и то же; все различие заключается только в агрегационной форме элементов и словах “атомы” и “объемы”. Теория объемов, будучи доступна проверке, даст большую уверенность нашим рассуждениям, и когда будет лучше изучено соотношение твердого тела с его газообразным состоянием, то, вероятно, оба способа рассмотрения окончательно сольются в один” (см.: [Канниццаро, 1873, с. 64—65]).
В 1811 г. А. Авогадро высказал гипотезу (которая не была известна ни такому авторитетному ученому, как Берцелиус, ни научному сообществу того времени), полностью подтвердившуюся в будущем. Гипотеза Авогадро заключалась в предположении, что вещества состоят из “интегральных молекул” (в конце XVIII — начале XIX в. французские химики предел делимости вещества называли молекулой, а английские — атомом).
Число таких “интегральных молекул”, или молекул в современном смысле этого понятия, по Авогадро, у любых газов всегда одинаково в равных объемах и всегда пропорционально объемам (см., напр., [Фаерштейн, 1961, с. 35]). Авогадро высказал важнейшую для развития химии и физики гипотезу, противоположную позиции Дальтона, который в кратных соотношениях, скорее, видел неточность измерений, нежели новую закономерную связь. Авогадро ясно понимал, что его гипотеза находится в русле развития атомистики Дальтона и представляет собой “в сущности систему Дальтона, снабженную новым способом уточнения, который основан на найденной нами связи с общим фактом, установленным Гей-Люссаком” (см.: [Быков, 1970, с. 35]). Гипотеза Авогадро своевременно вошла в историю науки, но значительно позднее включилась в логику развития системы научного знания. Как хорошо известно, в научный оборот она была введена через несколько десятилетий С. Канниццаро в связи с необходимостью четкого разделения в химии понятий “атом”, “молекула”, “эквивалент”, что было сделано в докладе Канниццаро в 1860 г. на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ. Этим этапом завершается период взаимодействий химического и физического знаний, характеризующийся исключительной значимостью весового и объемного методов при исследовании химических явлений. При этом нужно подчеркнуть, что в данный период атомно-молекулярное учение развивалось внутри института химии. В предметную область физики атомно-молекулярные представления стали включаться с развитием молекулярно-кинетической теории, причем в обедненном варианте, поскольку для молекулярно-кинетической теории были “безразличны” разделение понятий “атом” и “молекула” и вопросы химического строения (атомной структуры молекул).
Достаточно развитые знания об атомно-молекулярной микроскопической структуре вещества оказались сконцентрированными в системе химического знания и составляли в XVIII в. и особенно в XIX в. предметную область химии.В конце XVIII в. и первой половине XIX в. для физики было достаточно представлений о микрочастицах (атомах, молекулах) как бесструктурных упругих частицах или центрах сил.
Потребовались десятки лет, чтобы представления об атоме, молекуле и атомной организации молекул (химическом строении) могли войти в предметную область конкретных физических дисциплин. Вначале, как уже отмечалось, атомистика в бесструктурной форме вошла в концептуальный аппарат кинетической теории газов.
Гипотеза Авогадро и ее судьба демонстрируют, что характер науки в целом не зависит от времени возникновения тех или иных идей. Она вошла в систему научного знания только через 50 лет после ее возникновения — в 1811—1860 гг. За это время научное знание в области атомно-молекулярного учения не стояло на месте. В сфере химического знания уже был разработан ряд теорий химического строения, сменивших одна другую и дополнявших друг друга, — теорий, в концептуальный аппарат которых входили представления не только о молекулах, состоящих из атомов, но и о внутренней молекулярной структуре. Атомно-молекулярное учение в химии непрерывно развивалось, несмотря на “упущение из виду” гипотезы Авогадро. В то же время важная “физическая составляющая” гипотезы, устанавливающая, что в равных объемах при прочих равных условиях содержится одинаковое число частиц, “ждала” своего времени (физика до становления молекулярно-кинетической теории, термодинамики и других разделов, т.е. до середины XIX в., не особенно нуждалась в положении Авогадро). Эти примеры свидетельствуют о необходимом характере развития естествознания и присущей ему в известной степени планомерности, когда отдельные случаи “выпадения идей” еще не приводят к нарушению поступательного развития знания.
Итак, если учение о внутренней организации молекул в химии развивалось непрерывно, то в физике оно актуализировалось только в 50-е гг. XIX в. Так, в 1856 г. А.Крениг, а в 1857 г. Р.Клаузиус разрабатывают кинетическую теорию газов и тем самым подтверждают вывод Авогадро о том, что в одинаковых объемах различных газов при прочих равных условиях содержится одинаковое число частиц (слово “подтверждают” означает совпадение их выводов с гипотезой Авогадро, а не целенаправленную разработку теории для упрочения гипотезы Авогадро). В свою очередь, опираясь на кинетическую теорию и учение о теплоемкости, Клаузиус, а за ним и Максвелл пришли к выводу о двухатомности молекул простых газов. По словам Клаузиуса, его положение о том, что “молекулы различных газов имеют равную живую силу поступательного движения”, позволяет выяснить механическую причину существования закона Авогадро (см.: [Дорфман, 1979, с. 64]).
Можно говорить о том, что атомно-молекулярное учение, развивавшееся во взаимодействиях химии и физики в предметной области химии, во второй половине XIX в. стало переходить в предметную область физики.
По словам С.Канниццаро (1850), “теория Авогадро и Ампера возродилась в новой форме в результате приложения термодинамики к конституции воздухоподобных флюидов и привела Клаузиуса к тем же самым выводам о делимости молекул непростых элементов, к выводам, уже сделанным Авогадро, Ампером, Годэном и Жераром” (см.: [Канниццаро, 1873]). В указанный период получили начало исследования молекулярно-физического направления. Были выделены поступательное, вращательное и колебательное движения молекул; на основании кинетических представлений получили объяснения такие физические явления, как диффузия, теплопроводность, теплоемкость.
Результаты исследований физики молекулярных процессов были почти сразу использованы при теоретических построениях в химии. Так, в 1867 г. Л.Пфаундлер, опираясь на кинетическую теорию газов, показал, что от физического (энергетического) состояния вещества зависит его химическая реакционная способность, т.е. способность к качественным вещественным превращениям. В 1869 г. появилась работа А.Горстмана, в которой впервые при трактовке химического превращения использовалось уравнение Клаузиуса—Клапейрона. В 1880-е гг. Кундт и Варбург теоретически обосновали зависимость отношения молярных теплоемкостей при одинаковом давлении и одинаковом объеме от числа атомов в молекуле, что позволило В.Рэлею и В.Рамзаю в совместной работе на основе экспериментальных данных установить одноатомность инертных газов.
Наконец, молекулярно-кинетические представления в сочетании со статистическим подходом дали основание для объяснения основного закона химической кинетики — закона действующих масс. Таким образом, если на первом этапе развития атомно-молекулярного учения в химии взаимодействие с физикой осуществлялось через экспериментальный инструментальный метод взвешивания, то на втором этапе стали использоваться теоретические методы физики (или физические теории, играющие роль метода в исследовательской деятельности химика).
При рассмотрении становления атомно-молекулярного учения мы опустили важнейшую его часть, относящуюся к становлению теорий химического строения (по существу, учений об атомной структуре молекулярных образований). Важно, что это направление развивалось целиком в сфере химического знания, хотя и с привлечением ряда физических инструментов (последние применялись в большей части случаев не для определения каких-либо физических характеристик, отражающих существенные стороны химического процесса, а для измерения интенсивности аналитического сигнала — весового или объемного расхода химических реагентов и т.п.). Мы не углубляемся в рассмотрение этого периода, поскольку он достаточно хорошо описан во многих работах как с историко-научной, фактологической, так и методологической стороны, особенно в работах Г.В.Быкова.
Подчеркнем еще раз то, что химия пришла к развитой теории химического строения (и атомно-молекулярного учения в целом), опираясь преимущественно на химические методы. Яркий пример — явление изомерии, которое могло быть открыто только в химических исследованиях, явилось одним из важнейших оснований для развития теории о пространственно-упорядоченной системе атомов в молекуле (элементарной целостности, определяющей химические свойства вещества). Интенсивное развитие атомно-молекулярного учения в химии, начиная с его зарождения как научного учения (во взаимодействиях с физикой на фоне “механической идеологии” и в результате применения инструментальных методов), обусловило его использование в ряде разделов физики второй половины XIX в. и дополнило его “физическим содержанием”.
В целом можно сказать, что в 60-е гг. XIX в. завершился определенный этап в развитии атомно-молекулярного учения, состоящий из трех основных направлений:
1) исследований, в которых атомистическая теория Дальтона находила дополнительное подтверждение и конкретизацию (выполнение закона кратных соотношений для вновь исследуемых химических реакций, применение атомистических концепций в молекулярно-кинетической теории);
2) исследований внутримолекулярной атомной структуры, т.е. работ по теории химического строения и валентности (это сложное и насыщенное противоречивыми тенденциями направление, связанное с именами Берцелиуса, Жерара, Франкленда, Кекуле и многих других химиков, нашедшего завершение в теории химического строения Бутлерова, основные положения которой сохраняют значение и в современной науке со времени ее создания в 1861 г.);
3) исследований, в которых конкретизировались и разделялись понятия об атоме и молекуле (от гипотезы Авогадро до ее второго рождения в трудах Канниццаро и развития в молекулярно-кинетической теории Клаузиуса и др.).
Таким образом, в 60-е гг. XIX в. атомно-молекулярное учение наполнилось содержанием и можно говорить о его этапной завершенности. К этому периоду были установлены структурные составляющие материи (конкретнее, вещества) — атомы и молекулы, представляющие собой объекты, познание которых стало осуществляться в интегративных процессах физики и химии.
Для нас важно в последующем изложении проследить историко-логический процесс познания сложной электронной структуры атома, определившей новую объект-предметную область интеграции и синтеза физики и химии. Понятно, что представления о сложной структуре атома могли зародиться при формировании знаний об элементарном носителе электрического заряда и в процессе получения экспериментально-теоретических данных, указывающих на наличие у атома каждого элемента специфической внутренней структуры. И то и другое получило развитие в связи с развитием взаимодействий химического и физического знаний (а не только физического, как это распространено в обыденном сознании научной общественности).
Во второй половине XIX в. стали накапливаться экспериментальные данные и появляться гипотезы и теоретические исследования, указывающие на сложную структуру атомов (элементарных носителей свойств химических элементов), а вместе с этим на субатомную структуру молекул (элементарных носителей свойств химических веществ).
Так, в результате исследований взаимосвязи химических и электрических процессов М. Фарадей, опираясь на концепцию атомистической теории, в том числе на закон кратных соотношений, сформулировал основные законы электролиза и ввел в науку понятие “ион”. Кратность масс взаимодействующих химических реагентов и кратность количеств электричества, приходящихся на осуществление соответствующей электрохимической реакции, подвели Фарадея к идее существования в природе элементарного электрического заряда (см., напр., [История, 1981, с. 138]), величины такого заряда Фарадей вычислить не мог — не было известно число Авогадро (оно было найдено в результате опытов Малликена по определению заряда электрона). Однако экспериментальные электрохимические данные Фарадея и его предположения создали определенную базу для зарождения и становления электронных представлений в естествознании. Поэтому, хотя работы по исследованию явлений в разрядных трубках и открытие в 1897 г. электрона не вытекают непосредственно из работ Фарадея, на наш взгляд, они определенным образом исторически и логически ими предопределены — аналогично тому, как атомистика Дальтона была предопределена учениями об элементах Лавуазье и законом постоянства состава Пруста.
Таким образом, к концу XIX в. был открыт электрон, но электронная структура атома еще не была известна. Принципиально важно, что собственно проблема сложной структуры атома получила экспериментально-теоретические основания после открытия периодической системы химических элементов, разработанной в наиболее полной форме Д.И.Менделеевым (первый вариант системы был опубликован им в 1869 г.). Это подтверждается мыслями Д.И.Менделеева, высказанными в “Основах химии”: “Легко предположить, ...что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами... и выставленная мной периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие” [Менделеев, 1949, с. 805].
Рассматривая вопрос в методологическом аспекте, следует сказать, что периодический закон Менделеева так же предопределил постановку вопроса о субатомной структуре вещества, как в свое время закон кратных отношений предопределил формулировку первой научно обоснованной атомистической гипотезы Дальтона.
Действительно, периодическая зависимость свойств химических элементов от их массы вошла в противоречие с господствовавшими представлениями о монотонной функциональной зависимости химических свойств от массы. Как подробно освещалось в предыдущей части, многие ученые полагали, что концепции ньютоновой механики вполне распространимы и на область химических превращений вещества, считая механику Ньютона идеальным образом науки, к которому следует привести и химию. В аспекте проблем логики развития науки интересно, что такой подход находил подтверждения в ряде феноменологических знаний химии. Так, закон действующих масс Гульдберга и Вааге, открытый в 1864—1867 гг., казалось бы, прямо подтверждал справедливость “механических” представлений в химии, так как выражал пропорциональную зависимость скорости химической реакции от масс реагентов.
В целом открытие в химии периодического закона стало выражаться в комплексе противоречий, обусловивших дальнейшее развитие научного знания. В сфере конкретной науки периодический закон явился одним из оснований для развития учения о субатомной структуре вещества. В сфере методологии он обострил и заново поставил проблему механизма в химии.
Интенсивное взаимодействие химического и физического знаний, особенно в области обсуждаемых проблем раскрытия субатомной структуры вещества, связано со становлением нового исследовательского инструментального метода — метода спектрального анализа. Спектроскоп — устройство, позволяющее разделять составляющие видимого света, был изобретен физиком Кирхгоффом в 50-е гг. XIX в. Затем в совместных работах с химиком Бунзеном (1859—1860 гг.) было показано, что линейчатые спектры светящихся в пламени бунзеновской горелки паров солей щелочных и щелочноземельных металлов индивидуальны для каждого элемента. Чувствительность метода оказалась очень высокой, с его помощью можно было обнаружить до 10-7 мг натрия, до 10-6 мг лития. Создание метода спектрального анализа обусловило открытие ряда неизвестных химических элементов: рубидия и цезия Бунзеном (1860), таллия Круксом (1862), индия Рейхом и Рихтером (1863), галлия Лекок де Буабодраном (1875). В 1895 г. Рамзай получил и идентифицировал гелий (ярко-желтая линия в излучении Солнца была обнаружена в 1868 г. Жансеном и Локьером; поскольку такая линия отсутствовала в спектрах известных элементов, Локьер объяснил ее происхождение (1871) наличием неизвестного ранее элемента, названного гелием).
Возможность идентификации различных веществ при использовании метода спектрального анализа, высокая его чувствительность и, следовательно, малые затраты анализируемого вещества определили широкое распространение метода в различных областях естествознания: астрофизике, минералогии, археологии и многих других. Для химии была получена возможность по линиям спектров эмиссии (абсорбционная спектроскопия стала развиваться позднее) проводить идентификацию химических элементов, а по интенсивности линий определять их количество, т.е. проводить качественный и количественный анализы. Физико-химический метод спектрального анализа дал химии возможность использовать для обнаружения и исследования химических элементов не только классические химические методы (последовательное проведение химических превращений и выявление в их системе инварианта — элемента), но и инструментальные.
В аспекте методологических проблем взаимодействия химии и физики для нас принципиально важно сказать, что метод спектрального анализа возник только в результате взаимодействия химического и физического знаний. Важно учитывать, что создание оптического спектроскопа Кирхгоффом (по существу, устройства, реализующего оптический физический метод спектрального разложения света, открытый Ньютоном) еще не есть создание метода спектрального анализа вещества (а не только света как такового). Только вследствие применения спектроскопа для анализа спектров эмиссии изученных ранее в области химического знания элементов было обнаружено, что такая физическая характеристика химического элемента, как линейчатый спектр эмиссии, индивидуальна для каждого элемента. Именно эти результаты составили основу для зарождения нового исследовательского метода — спектрального анализа. Физический же оптический прибор, используемый для реализации данного метода, является лишь его материальной составной частью (или технической частью). Другими словами, только в результате взаимодействия химического и физического знаний была показана возможность применения спектрального метода для изучения вещества.
Помимо новой возможности идентификации химических элементов, обнаружение факта собственно испускания веществом света, дающего дискретную спектральную картину, в совокупности с периодическим законом создали к концу XIX в. определенную базу знаний, “теоретическую напряженность” на подходах естествознания к познанию внутренней организации атома. Создание спектрального анализа привело к тому, что физика и химия обогатились новым пограничным исследовательским методом, применение которого для исследования свойств вещества расширило предметную область физики и химии в области учения о строении и свойствах атома. Вследствие этого определилась также достаточно однозначно пограничная предметная область химии и физики (при ее рассмотрении в аспекте структурных уровней ор<