Современный образ атома

Интересно, что электромагнитные излучения атома занимают исключительно широкую полосу частот — от 10⁶ до 10¹⁹ Гц. Это означает, что атом, вроде бы незначительная частица вещества, по сути, органично вписан в мироздание в целом. Он представляет собой удивительно гармоничную колебательную систему. Создание квантовой физики и химии позволило ученым уяснить себе это обстоятельство. Теперь они знают, что если настроиться на характерные для атома частоты, то он продемонстрирует испытателям свое устройство.

Среди инструментальных методов познания центральное место занимают атомный спектральный анализ, ядерный магнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, масс-спектроскопия. При атомном спектральном анализе о химических элементах и устройстве их энергетических уровней и подуровней судят по спектрам испускания и поглощения. Они содержат значительную информацию как качественного, так и количественного анализа, но лишь для знатоков химии. Подчеркивая это обстоятельство, порой говорят, что результаты экспериментов теоретически нагружены. Имеется в виду, что химический эксперимент проводится в соответствии с определенным знанием.

Метод ядерного магнитного резонанса основан на учете поведения ядер атомов, обладающих ненулевым спином, во внешнем магнитном поле. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, спин которых равен ½. Если совокупный спин ядра равен 0, то он никак не реагирует на внешнее магнитное поле. Принципиально другая ситуация имеет место в случае полуцелого спина. Допустим, что он равен ½. При включении внешнего магнитного поля происходит переориентация спина ядра. Он реализует два состояния — вдоль и против направления внешнего магнитного поля. Это означает, что появляются два энергетических подуровня атома. Переходы между ними реализуются в форме либо поглощения, либо излучения ядром атома электромагнитного излучения. Исследователи, варьируя частоту электромагнитного поля и его интенсивность, получают актуальные сведения об устройстве химических объектов. Учет ядерного магнитного резонанса оказался столь существенным для экспериментальных наук, что его разработчики несколько раз удостаивались Нобелевской премии (табл. 5.14).

Таблица 5.14

Нобелевские премии за развитие метода ядерно-магнитного резонанса.

Содержание табл. 5.14 свидетельствует о широких междисциплинарных связях, характерных для современной пауки.

Основу рентгеноструктурного анализа составляет явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерных структурах. Метод позволяет изучить атомную структуру вещества с ее соответствующими размерами и формами, расположением центров атомов и углов между химическими связями. В качестве примера успешного применения рентгеноструктурного анализа укажем на расположение атомов в кристалле алмаза (рис. 5.10). Как известно, в кристалле графита она другая.

Масс-спектометрический анализ позволяет «взвесить» ионы. Исследуемое вещество переводится, например, лазерным лучом, в ионное состояние. Сначала ионы фокусируются и ускоряются электрическим полем. Затем они направляются в область магнитного поля. Под его действием они движутся по окружностям, радиус которых, при прочих равных условиях, тем больше, чем больше масса иона.

Рис. 5.10. Кристаллическая ячейка алмаза Данные измерений позволяют вычислить массы ионов, а затем и нейтральных атомов, причем с большой точностью. Посредством непростых размышлений устанавливаются соотношения между переменными, т. е. законы, уточняются также принципы химии. Обработка результатов измерений является индукцией. Изображенный на рис. 5.10 геометрический образ кристаллической ячейки алмаза является результатом индукции. В эксперименте его нет. Он создается исследователем на основе результатов эксперимента. Результаты индукции во многом определяются научной компетентностью исследователя. Чем более он компетентен, тем концептуально содержательнее будут его выводы. Часто думают, что эксперимент «все расставляет по местам». В действительности это не так. Он, как правило, дает основание судить о правильности результатов дедукции. Но, с другой стороны, результаты эксперимента сами вызывают многие вопросы. Например, при анализе спектров часто не удается идентифицировать природу некоторых их пиков. И тогда вновь наступает час гипотез. Индуктивные выводы дают импульсы для стадии дедукции, в частности, ранее использованные приближенные методы, как правило, пересматриваются.

Таким образом, процесс познания никогда нс заканчивается на какойлибо стадии его развития. Ученые не ведут погони за абсолютной истиной. У них вообще нет никаких оснований предполагать ее наличие. Деятельность ученых направлена на обеспечение прогресса научного знания. История развития науки свидетельствует о том, что он всегда возможен и жизненно необходим постольку, поскольку человечество стремится не к деградации, а к совершенствованию.

Современная химия встречается с многочисленными проблемными аспектами. Они изучаются в рамках философии химии. К сожалению, в рамках данной книги нет места для их обсуждения. Читатель, испытывающий интерес к философии химии, имеет возможность обратиться к специальной литературе.

Выводы.

• • Поступь химического знания состоит в том, что дедукция, аддукция (эксперимент), индукция и абдукция дополняют друг друга. Каждая предыдущая стадия познания является фундаментом для последующего этапа.
• • Та или иная стадия познания состоялась, если она придаст импульс развития последующей ступени развития знания. Чтобы дедукция достигла стадии эксперимента, в ней используются приближенные методы.
• • В современном химическом эксперименте центральное место занимают инструментальные методы, в частности метод ядерно-магнитного резонанса.
• • Современная химия встречается с многочисленными проблемными аспектами, которые обсуждаются в рамках философии химии.