?

Log in

No account? Create an account
ll

livelogic

Штрихи к научной картине мира

Человеку свойственно ошибаться


Previous Entry Share Next Entry
Имеет ли отношение атомная бомба к атомам?
livelogic


Несколько раз, обсуждая со знакомыми проблему практического применения утверждения "вещество состоит из атомов/молекул", я наталкивался на вопрос: "А как же атомная бомба"? Действительно, казалось бы, практическое применение "атомной теории" налицо. Однако, оказалось, что именно история создания атомной бомбы хорошо иллюстрирует сомнительную практическую ценность атомного учения. Более того, теория "запрещала" открытие ключевого процесса, несколько раз казалось, у исследователей был очевидный шанс, но они его не использовали. Cбывшееся предсказание подтверждает теорию, несбывшееся ставит теорию под сомнение, а табуирование открытия - это что?


Перед созданием атомной бомбы необходимо было открыть процесс деления урана - под действием медленного нейтронного излучения уран распадается на криптон и барий (элементы легче урана) с выделением электромагнитного и вторичного нейтронного излучений, вторичное нейтронное излучение, в свою очередь, может вызвать дальнейшее деление, весь процесс иногда называется цепным делением. Современная наука представляет это дело как-то так:



Казало бы, все просто - но давайте посмотрим, через какие тернии нужно было продраться, чтобы появилась эта простота.

После открытия Дж. Чадвиком нейтрона в 1932 году во многих научных лабораториях начали изучать процессы их взаимодействия с ядрами. В Италии Энрико Ферми, бомбардируя уран нейтронами, обнаружил возрастание в сотни раз радиоактивности мишени. Но - вот ирония судьбы! - он был уверен, что при этом создаются трансурановые элементы. И хотя Ида Ноддак еще в 1934 году выдвинула смелую гипотезу о том, что "при бомбардировке тяжелых ядер исследуемое ядро распадается на несколько крупных кусков, которые, несомненно, должны быть изотопами известных элементов, подвергнутых облучению", это заявление Ферми не принял всерьез.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fis.html

Ферми благоразумно действовал по схеме "наука доказала", Отто Ган и Фриц Штрассман поступили аналогично:


Вместе с Лизой Мейтнер в начале 1938 года Ган предположил на основании результатов опытов, что образуются целые цепочки из радиоактивных элементов, возникающих из-за многократных бета-распадов поглотивших нейтрон ядер урана-238 и его дочерних элементов. Вскоре Лиза Мейтнер была вынуждена бежать в Швецию, опасаясь возможных репрессий со стороны фашистов после аншлюса Австрии. Ган же, продолжив опыты с Фрицем Штрассманом, обнаружил, что среди продуктов был еще и барий, элемент с номером 56, который никоим образом из урана получиться не мог: все цепочки альфа-распадов урана заканчиваются гораздо более тяжелым свинцом. Исследователи были настолько удивлены полученным результатом, что публиковать его не стали, только писали письма друзьям, в частности Лизе Мейтнер в Гётеборг.

http://elementy.ru/lib/432441



Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории Института кайзера Вильгельма
http://elementy.ru/lib/432077


Удивление исследователей понятно, ибо атомное учение такой результат табуировало:


В ходе исследований в Берлине Майтнер, Штрасман и Ган облучали потокам медленных нейтронов уран, самый тяжелый из всех, встречающихся в природных условиях элементов. Поскольку нейтроны проникали в ядра атомов и застревали в них, все ожидали, что в результате будет возникать некое новое вещество, еще более тяжелое, чем уран.

http://www.famhist.ru/famhist/enst/0001704d.htm


Действительно, до этого экспериментаторы бомбардировали ядра частицами из ускорителей и обнаружили, что для вырывания из ядра одного или двух нуклонов требуется энергия в миллионы электронвольт. Казалось бы, для того чтобы вызвать деление тяжелого ядра, потребуются сотни миллионов электронвольт, а из результатов Гана и Штрассмана следовало, что для деления ядра урана достаточно сообщить ему энергию в 6 МэВ, которую легко получить добавлением одного нейтрона. Это все равно, что твердый камень раскалывался бы от постукивания карандашом.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fis.html


Отто Ган и Фриц Штрассман все-таки немного поверили (но не до конца), что ядро распадается:

Более точные анализы, проведенные ими, дали совершенно неожиданный результат: при бомбардировке урана нейтронами образуется барий, масса которого вдвое меньше массы урана. Это для них было настолько обескураживающим, что в статье, посвященной проведенным исследованием, они написали: "Как химики, мы должны подтвердить, что это новое вещество является не радием, а барием... Как физики, знакомые со свойствами ядра, мы не можем, однако, решиться на такое утверждение, противоречащее предшествующему опыту ядерной физики

http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fis.html


Нильс Бор мудро подвел итог этой эпопеи:

Там на Рождество 1938 года ее (Лизу Мейтнер, livelogic) посетил племянник, Отто Фриш, и, гуляя в окрестностях зимнего города — он на лыжах, тетя пешком, — они обсудили возможности появления бария при облучении урана вследствие деления ядра (подробнее о Лизе Мейтнер см. «Химию и жизнь», 2013, №4). Вернувшись в Копенгаген, Фриш буквально на трапе парохода, отбывающего в США, поймал Нильса Бора и сообщил ему об идее деления. Бор, хлопнув себя по лбу, сказал: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше»

http://elementy.ru/lib/432441





Как видим, учение об атоме мало того, что не "предсказывало", оно еще и "противоречило", выступая тормозом, а не теоретическим двигателем.

Мораль сей басни имеет двойное дно. Во-первых, не стоит слишком сильно полагаться на "наука доказала", и уж тем более делать из этого мировоззрение. Во-вторых, ясно, что свою положительную роль атомное учение в этой истории сыграло - хорошо, что атомная бомба появилась в конце Второй мировой войны, а не перед ее началом.

PS: А вдруг у эволюционного учения тоже есть положительная роль?

"И что говорит атомная теория по этому поводу (на числа в таблице Менделеева смотреть нельзя)?"

Почему нельзя? Там же атомная масса. Это, скорее уж, вам нельзя туда смотреть, но вы всё-таки смотрите, иначе были бы цифры 32 и 71. Но вы почему-то делаете соотношение таким, чтобы масса кислорода была кратной определённому числу. Значит признаёте, что есть в этой химии нечто неделимое. Атом - это и есть нечто неделимое, для данных задач нагружать это понятие чем-то ещё смысла нет. Поэтому мне эти задачи кажутся непригодными для вашей цели (показать, что без понятия атома жить легче и удобнее) - что "вы", что "мы" решаем их примерно одинаково, только вы, когда записывали свой вариант, почему-то опустили этап получения соотношения 64/142, поэтому запись у вас получилась намного короче.

"Интересно, конкретный пример можете привести, желательно простой? ;)"

Попробовала на примере, действительно, лишнее загромождение получается. Видимо, это чисто педагогический приём (если он есть, давно как-то со школой не сталкивалась). Хотя в задачках, связанных с объёмом газа, без молей вообще не обойтись. Ещё в молях удобно выражать концентрации растворов, использующихся для объёмометрического анализа, так как там интересно, не сколько растворённое вещество весит в граммах, а с каким количеством других веществ оно может взаимодействовать.

"Понятно, как атомная теория "тормозила", но совершенно непонятно, как она помогала достичь цели."

Разве все эти исследования проводились не с целью узнать строение и свойства атомов (по крайней мере на начальных этапах, когда практическое применение ещё не просматривалось)?

"В отличие от баллистики и акустики, эволюция и атомизм позиционируются как глобальные теории всего."

Ну да, резонно. Придётся отвечать. Эволюция не позиционируется "теорией всего": во-первых, она касается только живой части мира, во-вторых - только одного связанного с ней вопроса - происхождения. А ничто не имеет..." - это о том, что представление об эволюции превращает биологию, которая иначе была бы набором разрозненных сведений, в единую систему. "Атомизм" имеет отношение ко всему, но только в том смысле, что всё состоит из атомов. Так же все люди состоят из клеток, но применять цитологию к экономическим (экономика - это такой способ взаимодействия многих людей) или даже экологическим (взаимодействие разных организмов) проблемам никто почему-то не пытается.

"И то же самое можно сказать про атомизм, с помощью которого отменяют Бога"

Не увидела в вашей ссылке отмены Бога с помощью "атомизма". Вы серьёзно думаете, что люди, которые объяснили свойства химических веществ тем, что вещества состоят из мельчайших частиц, преследовали цель "отменить Бога"? Или они предвидели, что эта гипотеза в дальнейшем приведёт к теории "Большого взрыва", которая хоть какое-то отношение к происхождению мира имеет?

"Замечу, что баллистика и акустика, в отличие от атомизма и ТЭ, не используются в контр-религиозной борьбе. Вы не видите тут некоей закономерности?"

Вижу - вы выбираете в качестве объектов опровержения те области знаний, которые, по вашему мнению, "используются в контр-религиозной борьбе", а другие не трогаете.

>Почему нельзя?

Так а почему мне нельзя, а Вам можно? :)

1) В 1793 г. И. Б. Рихтер показал, что элементы химически взаимодействуют между собой не в произвольных, а в строго определенных количествах, сохраняющихся в виде неизменных пропорциональных чисел при переходе от одного сложного тела к другому.

2) Еще до создания атомно–молекулярного учения было установлено, что простые и сложные вещества вступают в химические реакции в строго определенных массовых соотношениях.

Т.е. это "мои числа", полученные взвешиванием участников реакций. Я уже говорил, эти числа ранее назывались "паевым весом" или "соединительным весом".

>Хотя в задачках, связанных с объёмом газа, без молей вообще не обойтись.

Давайте разберем на примере.

>Ещё в молях удобно выражать концентрации растворов, использующихся для объёмометрического анализа

Вот тут согласен!

>Вы серьёзно думаете, что люди, которые объяснили свойства химических веществ тем, что вещества состоят из мельчайших частиц, преследовали цель "отменить Бога"?

Я думаю, что "глобальные учения" вступают в противоречия с религией не зря, идет пересечение сфер влияния.

"Так а почему мне нельзя, а Вам можно? :)"

Так я же говорю, что всем можно, поэтому подобные задачи не годятся для опровержения вашей точки зрения (понятно, что для обоснования тем более не годятся).

"Давайте разберем на примере."

Да ну, может не надо? Там же один моль любого газа при определённых условиях занимает известный объём (кажется, 22,4 м2). Если исходное вещество или продукт реакции даны в виде объёма, то не представляю, как можно обойтись без перевода в моли.
Вообще-то, ничего в этих молях особо атомного нет, просто общепринятая единица количества вещества. Только с помощью частиц легко сформулировать определение - это, дескать, количество частиц в 12г углерода. А без частиц мозги вывихнуть можно. Но это не значит, что моли может использовать только тот, кто признаёт существование частиц.

"Я думаю, что "глобальные учения" вступают в противоречия с религией не зря, идет пересечение сфер влияния."

В данном случае не вижу никакого вторжения в сферу влияния религии.

>Так я же говорю, что всем можно, поэтому подобные задачи не годятся для опровержения вашей точки зрения (понятно, что для обоснования тем более не годятся).

Не очень понятно. Есть мнение, что без атомизма задачи решаются проще.

Если Вы не считаете, что тут это демонстрируется:
http://livelogic.livejournal.com/7035.html?thread=13691#t13691

то зафиксируем разногласие, и дело с концом.

>Да ну, может не надо? Там же один моль любого газа при определённых условиях занимает известный объём (кажется, 22,4 м2).

Ну почему же не надо, давайте рассмотрим какую-нибудь задачку. Не подскажете, кстати, как определить, что один моль занимает 22.4 м2, используя весы, манометры и прочие механические измерители?

>Только с помощью частиц легко сформулировать определение - это, дескать, количество частиц в 12г углерода.

Вот только на практике это определение использовать невозможно.

>В данном случае не вижу никакого вторжения в сферу влияния религии.

Ok

"Если Вы не считаете, что тут это демонстрируется:
http://livelogic.livejournal.com/7035.html?thread=13691#t13691

то зафиксируем разногласие, и дело с концом."

Фиксируйте, что хотите, но я согласилась с тем, что без использования молей задачи, где все вещества даны в единицах веса, решать проще. Только моли - это не "атомизм", точнее, не больший "атомизм", чем химические формулы и атомная и молекулярная масса, которыми вы пользоваться не брезгуете. Поэтому непонятно, почему вам нельзя пользоваться и молями тоже.

"Ну почему же не надо, давайте рассмотрим какую-нибудь задачку."

Ну, например, сколько воды получится при сжигании 100 л (там литры, а не м3, как я написала)водорода?
100 л водорода - это 4,46 моля. Значит (по уравнению реакции горения водорода) мы получаем 4,46 моля воды. Переводим моли в граммы: 4,46 * (2 * 1 + 16) = 80,28г (или, как более привычно, мл).

"Не подскажете, кстати, как определить, что один моль занимает 22.4 м2, используя весы, манометры и прочие механические измерители?"

Взять ёмкость с манометром и градусником, заполнить газом (а то у воздуха состав сложный), взвесить, зафиксировать температуру и давление, потом откачать газ (полностью вряд ли получится, но остаточное давление можно учитывать при расчёте). По весу и молекулярной массе определить количество в молях, по давлению, объёму и температуре определить, какой объём был бы при "нормальных" давлении и температуре (а можно сразу создать нужную температуру и давление, так что не надо меня спрашивать, как я буду это высчитывать).

"Вот только на практике это определение использовать невозможно."
Если вы о возможности отсчитать 6,02·1023 частиц (количество частиц в одном моле), то, конечно, невозможно и не нужно, т.к. количество вещества прекрасно определяется по весу или объёму. Но возможность сказать другому человеку, о каком количестве вещества идёт речь, так, чтобы он понял - это и есть использование определения на практике.

>Ну, например, сколько воды получится при сжигании 100 л (там литры, а не м3, как я написала)водорода?

Атомизм

1) Коль-во молей водорода n(H2) = 100 / 22.4 = 4,46
2) Кол-во молей воды: ?H2 + ?O2 -> H2O => 2H2 + O2 = 2H2O => Коль-во молей воды равно кол-ву молей водорода, т.е. 4,46
3) Масса воды = n(H2O) * M(H2O) = 4.46 * 18 = 80.28

Макрохимия

1) Масса водорода m(H) = V * M(H2) * 22.4 = 100 * 2 * 22.4 = 8.92 грамма
2) Масса воды m(H2O) = M(H2O)/M(H, H2O) * m(H) = 18/2 * 8.92 = 80.28

Не нужны ни моли, ни уравнение реакции.

>По весу и молекулярной массе определить количество в молях, по давлению, объёму

Нет-нет, давайте с нуля, перезагрузим химию. Мы взвешиванием определили, что минимальная относительная масса водорода в реакциях - 1, кислорода - 16 и так далее. Эти числа записали в таблицу Менделеева и назвали "паевый вес". Вы не "побрезговали" и назвали это о.а.м., хотя Вы же не знаете, вдруг водород В ИЗВЕСТНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ всегда соединяется минимум по два атома (или по пять)? Ну да ладно.

Теперь Вы определяете, что один моль - это кол-во атомов в 12 граммах углерода.

Что дальше? Для любых чисел из современных справочников нужно продемонстрировать способ их получения, используя весы, манометры и прочие механические измерители.

Edited at 2015-11-16 10:07 am (UTC)

"1) Масса водорода m(H) = V * M(H2) * 22.4 = 100 * 2 * 22.4 = 8.92 грамма
2) Масса воды m(H2O) = M(H2O)/M(H, H2O) * m(H) = 18/2 * 8.92 = 80.28"

1) Откуда взяли цифру 22,4?
2) Уравнение реакции нужно, чтобы увидеть, что весь водород вошёл в состав воды, а не делся куда-то ещё. Если в данном случае (т.к. он очень простой) это и так ясно, то уравнение мне без надобности точно так же, как и вам, просто я на этом примере пишу об общем случае.
3) Ну и на этот раз мои расчёты получились короче: два действия у меня и пять у вас (подсчёт молекулярной массы не считаю).

"Что дальше?"

А дальше то, что я написала.

>Откуда взяли цифру 22,4?

Множитель уравнения Менделеева-Клапейрона при нормальных условиях - R * 1 * 273,15

R – газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K).

>два действия у меня и пять у вас

Вам нужно уравнение реакции горения водорода решать, это много букв и действий. И у меня четыре действия, а не пять.

>А дальше то, что я написала.

Давайте в конкретных цифрах. Пока нам из эксперимента известны только паевые веса, которые Вы почему-то решили называть "о.а.м".

Edited at 2015-11-16 04:18 pm (UTC)

"Множитель уравнения Менделеева-Клапейрона при нормальных условиях - R * 1 * 273,15"

Как вы узнали, что этот множитель, не имеющий физического смысла, надо использовать, чтобы найти массу 100л водорода (в уравнении Менделеева-Клапейрона никакая масса не фигурирует). Кстати, там, вроде, на 1 не умножить надо, а разделить.

"R – газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K)."

Литр на атмосферу на что? на кельвин.

И, кстати, почему вы это нахождение множителя из уравнения не включаете в ход решения?

"Вам нужно уравнение реакции горения водорода решать, это много букв и действий."

Мне это нужно не больше, чем вам (читайте п.2 в прошлом ответе).

"И у меня четыре действия, а не пять."
Действительно.

"Давайте в конкретных цифрах. Пока нам из эксперимента известны только паевые веса, которые Вы почему-то решили называть "о.а.м"."

Конкретно ёмкость была объёмом 100 л, и весило её содержимое 8,92г (это был водород). Я знаю, что молярный вес водорода - 2г, значит в этой ёмкости было 4,46 моля. Я разделила 100 л на 4,46 и получила молярный объём 22,4л. Устраивает?

>Литр на атмосферу на что? на кельвин.

Ах да, не искоренил до конца атомизм из копипаста :) Слово "Моль" там совершенно излишнее

>в уравнении Менделеева-Клапейрона никакая масса не фигурирует

Ну, в макромире уравнение МК выглядит так:

P * V = m / M * R * T

Где m - масса а M - относительная масса (паевый вес), умноженная на газовый коэффициент.

>И, кстати, почему вы это нахождение множителя из уравнения не включаете в ход решения?

Это число считается один раз в курсе макрохимии и дальше используется для решения типовых задач при нормальных условиях.

>Мне это нужно не больше, чем вам (читайте п.2 в прошлом ответе).

Я бы хотел увидеть вариант решения, ведь ситуация ровно такая же, как здесь
http://livelogic.livejournal.com/7035.html?thread=13691#t13691

Там было другое соотношение молей, как Вы обойдетесь без уравнения, пока непонятно.

>Я знаю, что молярный вес водорода - 2г

Мы пока знаем лишь, что паевый вес водорода - 1, а моль - это кол-во атомов углерода массой 12 г. Как отсюда получить молярный вес водорода - 2г?

Edited at 2015-11-17 07:06 pm (UTC)

"Ах да, не искоренил до конца атомизм из копипаста :) Слово "Моль" там совершенно излишнее"

Если вы его просто так выкинете из религиозных соображений, то величина получится безразмерная.
Чтобы найти ваше 22,4, вы делите градусы на атмосферы и умножаете это на безразмерное R. Значит, единица измерения 22,4 - К/атм.
Для нахождения массы 100л водорода вы умножаете литры на безразмерную относительную массу и делите всё это на 22,4. Единица измерения полученного результата - л*атм/К, а не граммы. (Если вернуть исконные обозначения для R и М, то всё нормально, в результате получаются граммы).
В общем, непонятно, каким образом вы здесь переходите от относительной массы к абсолютной.

"Я бы хотел увидеть вариант решения, ведь ситуация ровно такая же, как здесь"

Здесь вы частично правы, у вас процедура, эквивалентная тому, что вы у меня назвали решением уравнения реакции, идёт вторым пунктом, уже в граммах. Так что свой вариант я сократила несправедливо. Я просто среагировала на слова о том, что уравнения реакции вам не нужны. В обоих данных случаях действительно не нужны, потому что всё обсуждаемое исходное вещество входит в состав продукта, так что его нужное количество можно определить просто по доле в продукте. Но это ведь не всегда так.

"Мы пока знаем лишь, что паевый вес водорода - 1, а моль - это кол-во атомов углерода массой 12 г. Как отсюда получить молярный вес водорода - 2г?"

Не поняла. Если атом водорода в 12 раз легче атома углерода, один моль углерода весит 12 г, а молекула водорода состоит из двух атомов, то в чём проблема?

>В общем, непонятно, каким образом вы здесь переходите от относительной массы к абсолютной.

Размерность макро-R есть атм * л / (г * К), М - безразмерная величина

P * V = m / M * Gk * R * T
отсюда m = V * M * Gk * P / (R * T)
для нормальных условий m = V * M * Gk * 22.4

Для водорода M = 1, газовый коэффициент Gk = 2.

>Не поняла. Если атом водорода в 12 раз легче атома углерода, один моль углерода весит 12 г, а молекула водорода состоит из двух атомов, то в чём проблема?

Проблема в том, чтобы узнать, что молекула водорода состоит из двух атомов а моль газа занимает 22.4 литра.

Я пока считаю, что такое определение моля тут использовано быть не может, если оставаться в рамках механического измерения. Либо переопределять, либо доопределять.

Годное определение такое - моль, это количество молекул газа CO2, получаемое при сжигании 12 грамм углерода.

Edited at 2015-11-18 10:21 pm (UTC)

"Размерность макро-R есть атм * л / (г * К)"

Тогда единица измерения числа 22,4 будет л/г, то есть 1г любого газа занимает 22,4 л, а это, как вы понимаете, неправда.

"Проблема в том, чтобы узнать, что молекула водорода состоит из двух атомов"

Я не знаю, как определили, что простые газы состоят из двух атомов. А вы интересуетесь с целью выяснить, можно ли пользоваться словом "моль" и при этом считать, что вещество состоит не из атомов?

Вынес на первый уровень, а то сильно "заглубились"
http://livelogic.livejournal.com/7035.html?thread=19067#t19067