51. Теория химического строения Бутлерова и ее историческое значение

К концу 50-х гг. 19 в. были созданы главнейшие предпосылки для разработки общей теории химического строения. В 1861г. эта теория действительно была сформулирована в своих основных положениях. Ее создателем был русский ученый А.М.Бутлеров.

В 1861 г. Бутлеров отправился за границу, где выступал со своим знаменитым докладом «О химическом строении веществ», который он начал словами: «Ныне, после открытия массы неожиданных и важных фактов, почти все сознают, что теоретическая сторона химии не соответствует ее фактическому развитию. Теория типов, принятая теперь большинством, начинает оказываться недостаточною…». Далее, после критического обзора некоторых положений теории типов Бутлеров указывает: «…в настоящее время лишь атомность составляет определенное и неизменное свойство элементов и может служить основанием общей теории, и в самом, деле, основываясь на ней, возможно, кажется идти довольно далеко в наших научных соображениях».

Отвергая затем точку зрения Жерара о невозможности судить о положении атомов внутри частицы, Бутлеров переходит к центральному положению своего доклада. «Исходя из мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу.

Известное правило, что натура сложной частицы определяется натурой, количеством и расположением элементных составных частей, я считал бы возможным покамест изменить следующим образом: химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».

В докладе Бутлеров не только впервые дает определение понятия «химическое строение», но и развивает теорию взаимных химических связей и взаимовлияния атомов внутри молекулы.

Бутлеров отчетливо понимал значение правильного объяснения изомерии для развития теории химического строения. Ещё в 1861 он предпринял специальные исследования с целью выяснения некоторых спорных вопросов изомерии. В некоторых статьях он рассмотрел изомерию с точки зрения принципа постоянной атомности элементов и равнозначности их единиц сродства. Наряду с многочисленными примерами изомерии, легко объяснимыми, встречались и такие, которые в то время не могли быть рационально объяснены (цис и транс). Затруднения возникли и в случаях установления изомерии углеводородов, галогенпроизводных, кислот и соединений др классов.

В 1865 Марковников опубликовал стать., в которой описал пути расчета числа возможных изомеров в различных случаях. Бутлеров всецело поддержал эту работу, которая оказалась следствием последовательного применения теории химического строения.

Большое значение для утверждения теории химического строения приобрел синтез третичного спирта, осуществленный Бутлеровым. Для дальнейшего развития теории химического строения большое значение получило учение о взаимном влиянии атомов в молекулах соединений. Сама идея о влиянии атомов уже фигурировала в докладе Бутлерова (1861). В дальнейшем он указал, что многоатомные элементы проявляют в сложных молекулах различные отношения в зависимости от природы элементов, с которыми они связаны. Важным событием для утверждения теории химического соединения было установление химического строения бензола и ароматических соединений.

Основные положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения).

2. Химическое строение можно устанавливать химическими методами. (В настоящее время используются также современные физические методы).

3. Свойства веществ зависят от их химического строения.

4. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.

5. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга.

52. Возникновение специальной и общей теории относительности.

СТО. В основу электродинамики движущихся тел Эйнштейн положил два основных принципа. Во-первых, принцип относительности. Во-вторых, принцип постоянства скорости света. Эти два принципа являются обобщением опытных фактов. Первый из них следует из целого ряда опытов, относящихся к электродинамике и оптике движущихся тел, и в частности из опыта Майкельсона.

Второй принцип, хоть он ещё и не основывался на непосредственном эксперименте, тем не менее казался Эйнштейну вполне естественным. Эти два принципа противоречат друг другу с точки зрения основных представлений физики: они противоречивы, если правильными считать формулы преобразования Галилея. Поэтому, если признать, что эти два принципа действуют одновременно, то надо отказаться от формул преобразования Галилея и попытаться найти другие формулы преобразования. Так и поступил Энштейн. Он показал, что принятие принципа относительности и постоянства скорости света приводит к новым формулам преобразования координат, включая и преобразования времени, являющимися формулами преобразования Лоренца.

У Эйнштейна эти преобразования являются истинными преобразованиями координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой. Вместе с этим замена галилеевых преобразований преобразованиями Лоренца означает у Энштейна замену классических пространственно-временных представлений новыми представлениями. Эта замена связана с отказом от признания абсолютного характера размеров тел и отрезков времени и независимости этих величин от их относительного движения. По Энштейну изменение размеров тел не является абсолютным, а носит относительный характер. То же обстоит и со временем. До Энштейна считали, что время течет везде одинаково, Энштейн утверждает обратное.

Помимо формул преобразования координат и времени Эйнштейн также получает релятивистскую формулу сложения, или преобразования скоростей, полученную независимо от него Пуанкаре. Затем Эйнштейн переходит к электродинамике и выводит формулы преобразования Лоренца для напряженности электрического и магнитного полей. Наконец, Эйнштейн исследует вопрос об изменении выражения для принципа Доплера в оптике.

В заключение своей работы Эйнштейн показывает, что из его теории следует, что масса всякого тела не является постоянной величиной, а зависит от его скорости. Он находит также выражение для кинетической энергии, отличное от выражения классической физики.

Далее Эйнштейн доказывает, что между массой и энергией всякого тела существует связь. Путем простых рассуждений, Эйнштейн показывает, что если тело теряет энергию вследствие электромагнитного излучения, то масса этого тела должна уменьшаться прямо пропорционально энергии (E/c²). Обобщая это положение он и сформулировал общий закон: «Масса тела есть мера содержания энергии в этом теле».

Работа Эйнштейна, в которой были сформулированы основные положения специальной теории относительности, скоро вызвала ряд новых исследований, направленных прежде всего на развитие и уточнение конкретных вопросов этой теории.

Большую роль в распространении СТО сыграл созданный Минковским математический аппарат, с помощью которой автор дал изящную математическую интерпретацию этой теории. Минковский использовал понятие четырехмерного многообразия, каждый элемент которого определяется четырьмя величинами, из которых три являются обычными пространственными координатами, а четвертая представляет собой время в соответствующих единицах. Минковский вводит для четырехмерного многообразия определенные величины, аналогичные векторам и тензорам в обычном трехмерном пространстве.

Если согласно СТО, все законы инвариантны относительно преобразований Лоренца – их можно представить в виде математических соотношений между четырехмерными векторами и тензорами. Т.о., СТО приобретает изящную математическую форму, а физические законы приобретают геометрическую форму.

ОТО. В то время, как вокруг СТО начала развертываться дискуссия, Эйнштейн продолжает работать над вопросами этой теории и в 1907 г. сформулировал так называемый принцип эквивалентности.

В 1907 г. Планк высказал мнение, что гравитационные и инертные свойства имеют одну и ту же природу. Но так как согласно теории относительности, энергия обладает инерцией, по терминологии Планка, то она должна обладать и тяжестью.

В том же году Эйнштейн, основываясь на равенстве между инерционной и тяжелой массой, впервые высказал идею об эквивалентности сил инерции и сил тяготения. Эту идею он развил для однородных полей тяготения в 1911 г.

До Эйнштейна было хорошо известно, что действие сил инерции, обусловленных ускоренным движением тел (возникающих в ускоренно движущихся системах отсчета) аналогично действию сил однородного поля тяготения соответствующей величины.

Эйнштейн обобщает этот факт и высказывает гипотезу об эквивалентности инерциальных систем отсчета при наличии сил тяготения и систем отсчета, движущихся ускоренно, не только для механических, но и для электромагнитных процессов. Это обобщение сразу приводит Эйнштейна к новым результатам. Так, если в ускоренной системе отчета луч света должен испытывать искривление, то соответствующее искривление он должен испытывать в инерциальной системе отсчета, в которой действует эквивалентное однородное поле тяготения. Другой эффект, к которому приводит принцип эквивалентности, заключается в изменении частоты света в результате поля тяготения. Так как частота света в неинерциальной системе отсчета зависит от ускорения этой системы, то в инерциальной системе с полем тяготения частота света также должна изменяться в зависимости от величины этого поля.

В эквивалентности равноускоренных систем отсчета и инерциальных систем, в которых действует поле тяготения, Эйнштейн увидел возможность обобщения принципа относительности. Он выдвинул идею о том, что равноправны не только все инерциальные системы, но и все системы, в том числе и неинерциальные, если принять во внимание существование полей тяготения. Эйнштейн полагает, что как наблюдатель, находящийся в инерциальной системе отсчета, никакими средствами не может определить, движется ли он или покоится относительно некоего абсолютного пространства, так и наблюдатель в неинерциальной системе отсчета не может определить движется ли он ускоренно или находится под действием поля тяготения.

Однако эквивалентность сил инерции систем тяготения имеет место лишь локально для бесконечно малых областей пространства и времени и не выполняется для конечных пространств и конечных отрезков времени. Поэтому в дальнейшем при построении ОТО Эйнштейн вынужден был применять принцип локальной эквивалентности.

В 1916 г. Эйнштейн закончил в основном построение ОТО. При этом он как раз и воспользовался понятиями и математическим аппаратом неэвклидовой геометрии. Основные понятия этих геометрий: кривизна пространства, расстояние между бесконечно близкими точками и др. – получили широкое применение в физическом учение о пространстве, времени и тяготении, чем и является теория относительности.

В основу ОТО лег локальный принцип эквивалентности, который был сформулирован им следующим образом: «Для бесконечно малых четырехмерных областей при подходящем выборе систем координат справедлива теория в более узком смысле (СТО)»

Большое значение для широкого признания ОТО, а вместе с ней и СТО имели измерения отклонения лучей света, проходящих около Солнца.