John Dalton был английским химиком, физиком и метеорологом. Он наиболее известен введением атомной теории в химию и своими исследованиями дальтонизма, иногда называемого в его честь Daltonism.
Ранняя жизнь
John Dalton родился в семье квакеров из Eaglesfield, недалеко от Cockermouth, в Cumberland, Англия. Его отец был ткачом. Он получил начальное образование от своего отца и от квакера John Fletcher, который управлял частной школой в близлежащей деревне Pardshaw Hall. Семья Dalton была слишком бедна, чтобы долго его поддерживать, и с десяти лет он начал зарабатывать себе на жизнь, служа у богатого местного квакера Elihu Robinson.
Ранняя карьера
В возрасте 15 лет Dalton присоединился к своему старшему брату Jonathan в управлении квакерской школой в Kendal, Westmorland, примерно в 45 милях 72 км от своего дома. Примерно в 23 года Dalton, возможно, рассматривал возможность изучения права или медицины, но его родственники этого не поддерживали, возможно, потому что, будучи диссидентом, ему было запрещено посещать английские университеты.
Он получил много научных знаний от неформального обучения у John Gough, слепого философа, одаренного в науках и искусствах. В возрасте 27 лет он был назначен преподавателем математики и естественной философии в "New College" в Manchester, диссидентской академии, которая являлась линейным предшественником Harris Manchester College, Oxford, после ряда перемещений. Он оставался там до 34 лет, когда ухудшающееся финансовое положение колледжа заставило его уйти в отставку и начать новую карьеру в качестве частного учителя математики и естественной философии.
Научная работа
Метеорология
Ранняя жизнь Dalton находилась под влиянием видного квакера Elihu Robinson, компетентного метеоролога и производителя инструментов из Eaglesfield, Cumbria, который заинтересовал его проблемами математики и метеорологии. В течение своих лет в Kendal Dalton внес решения на проблемы и ответил на вопросы по различным предметам в The Ladies' Diary и the Gentleman's Diary. В 1787 году в возрасте 21 года он начал свой метеорологический дневник, в который в течение следующих 57 лет занес более 200 000 наблюдений. Примерно в это же время он переоткрыл теорию атмосферной циркуляции George Hadley, известную сейчас как ячейка Hadley. В 1793 году первая публикация Dalton, Meteorological Observations and Essays, содержала зародыши нескольких его более поздних открытий, но несмотря на оригинальность его подхода, другие ученые мало на них обращали внимание. Второе сочинение Dalton, Elements of English Grammar or A new system of grammatical instruction: for the use of schools and academies, было опубликовано в 1801 году.
Измерение гор
После того как Dalton покинул Lake District, он ежегодно возвращался туда, чтобы провести свой отпуск, занимаясь метеорологией, что включало много пешеходных экскурсий в горы. До появления самолетов и метеорологических зондов единственным способом проведения измерений температуры и влажности на высоте было восхождение на гору. Dalton оценивал высоту с помощью барометра. Ordnance Survey не публиковал карты Lake District до 1860-х годов. До тех пор Dalton был одним из немногих специалистов по высотам гор в регионе. Его часто сопровождал Jonathan Otley, который также изучал высоты местных вершин, используя цифры Dalton для сравнения и проверки своей работы. Otley опубликовал свою информацию на своей карте 1818 года. Otley стал как помощником, так и другом Dalton.
Дальтонизм
В 1794 году, вскоре после его приезда в Manchester, Dalton был избран членом Manchester Literary and Philosophical Society, "Lit & Phil", и несколько недель спустя он представил свою первую статью об "Extraordinary facts relating to the vision of colours", в которой он высказал предположение, что недостаток цветового восприятия вызван обесцвечиванием жидкой среды глазного яблока. Поскольку он и его брат были дальтониками, он понял, что это состояние должно быть наследственным.
Хотя теория Dalton потеряла авторитет при его жизни, тщательный и методичный характер его исследований своей визуальной проблемы был настолько широко признан, что Daltonism стал распространенным термином для дальтонизма. Исследование сохраненного глазного яблока Dalton в 1995 году показало, что у Dalton была менее распространенная форма дальтонизма, дейтеранопия, при которой отсутствуют колбочки, чувствительные к средней длине волны, а не функционируют с мутантной формой пигмента, как при наиболее распространенном типе дальтонизма, дейтеранопии. Помимо синего и фиолетового оптического спектра он мог распознать только один цвет - желтый, или, как он сказал в статье:
Та часть изображения, которую другие называют красной, кажется мне не более чем оттенком или дефектом света; после этого оранжевый, желтый и зеленый кажутся одним цветом, который спускается довольно равномерно от интенсивного к редкому желтому, создавая то, что я назвал бы различными оттенками желтого.
Газовые законы
В 1800 году Dalton стал секретарем Manchester Literary and Philosophical Society, а в следующем году он представил важный цикл лекций под названием "Experimental Essays" о составе смешанных газов; о давлении пара и других паров при различных температурах в вакууме и в воздухе; об испарении; и о тепловом расширении газов. Четыре эссе, представленные между 2 и 30 октября 1801 года, были опубликованы в Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester в 1802 году.
Второе эссе начинается с замечания:
Едва ли можно сомневаться в возможности сведения всех упругих жидкостей любого рода в жидкости; и мы не должны отчаиваться в их получении при низких температурах и при сильном давлении, оказываемом на неразделенные газы далее.
После описания экспериментов по определению давления пара в различных точках между 0 и 100 °C 32 и 212 °F, Dalton пришел к выводу из наблюдений давления паров шести различных жидкостей, что изменение давления паров для всех жидкостей эквивалентно при одинаковом изменении температуры, считая от пара любого заданного давления.
В четвертом эссе он замечает:
Я не вижу достаточных оснований полагать, что все упругие жидкости при одинаковом давлении расширяются теплом одинаково, и что при любом заданном расширении ртути соответствующее расширение воздуха пропорционально немного меньше, чем при более высокой температуре. ... Поэтому кажется, что общие законы, касающиеся абсолютного количества и природы тепла, с большей вероятностью могут быть получены из упругих жидкостей, чем из других веществ.
Он сформулировал закон Gay-Lussac, опубликованный в 1802 году Joseph Louis Gay-Lussac Gay-Lussac приписал открытие неопубликованной работе 1780-х годов Jacques Charles. В течение двух или трех лет после лекций Dalton опубликовал несколько статей по аналогичным темам. "On the Absorption of Gases by Water and other Liquids" прочитанная как лекция 21 октября 1803 года, впервые опубликованная в 1805 году, содержала его закон парциальных давлений, известный теперь как закон Dalton.
Атомная теория
Наиболее важные из всех исследований Dalton касаются атомной теории в химии. Хотя его имя неразрывно связано с этой теорией, происхождение атомной теории Dalton не полностью понятно. Теория могла быть предложена ему либо исследованиями этилена газа олефина и метана карбюрированного водорода, либо анализом закиси азота протооксида азота и диоксида азота дейтооксида азота, оба взгляда опираются на авторитет Thomas Thomson.
С 1814 по 1819 год ирландский химик William Higgins утверждал, что Dalton плагиировал его идеи, но теория Higgins не касалась относительной атомной массы. Однако недавние доказательства предполагают, что развитие мышления Dalton могло быть под влиянием идей другого ирландского химика Bryan Higgins, дяди William. Bryan верил, что атом - это тяжелая центральная частица, окруженная атмосферой флюида, предполагаемого вещества тепла того времени. Размер атома определялся диаметром атмосферы флюида. На основе доказательств Dalton был осведомлен о теории Bryan и принял очень похожие идеи и язык, но он никогда не признавал предвосхищение Bryan его модели флюида. Однако существенная новизна атомной теории Dalton заключается в том, что он предоставил метод расчета относительных атомных весов для химических элементов, что не сделали ни Bryan, ни William Higgins; его приоритет для этого решающего шага оспаривается.
Исследование лабораторных записных книжек Dalton, обнаруженных в помещениях Manchester Literary and Philosophical Society, пришло к выводу, что далеко от того, чтобы Dalton был направлен своим поиском объяснения закона множественных пропорций к идее о том, что химическое соединение состоит во взаимодействии атомов определенного и характеристического веса, идея атомов возникла в его уме как чисто физическая концепция, навязанная ему изучением физических свойств атмосферы и других газов. Первые опубликованные указания на эту идею можно найти в конце его статьи "On the Absorption of Gases by Water and other Liquids", уже упомянутой. Там он говорит:
Почему вода не допускает свой объем всех видов газа одинаково? Я тщательно рассмотрел этот вопрос, и хотя я не в состоянии полностью удовлетворить себя, я почти убежден, что это обстоятельство зависит от веса и количества предельных частиц различных газов.
Затем он предлагает относительные веса для атомов нескольких элементов, без дальнейших деталей.
Основные положения атомной теории Dalton, как она в конечном итоге развивалась, следующие:
- Элементы состоят из чрезвычайно малых частиц, называемых атомами.
- Атомы данного элемента идентичны по размеру, массе и другим свойствам; атомы различных элементов отличаются по размеру, массе и другим свойствам.
- Атомы не могут быть разделены, созданы или уничтожены.
- Атомы различных элементов соединяются в простых целых числовых отношениях для образования химических соединений.
- В химических реакциях атомы соединяются, разделяются или переупорядочиваются.
В его первом расширенном опубликованном обсуждении атомной теории 1808 года Dalton предложил дополнительное и противоречивое "правило наибольшей простоты". Это правило не могло быть независимо подтверждено, но какое-то предположение было необходимо, чтобы предложить формулы для нескольких простых молекул, на которых зависел расчет атомных весов. Это правило диктовало, что если было известно, что атомы двух различных элементов образуют только одно соединение, например водород и кислород образуют воду или водород и азот образуют аммиак, то молекулы этого соединения должны считаться состоящими из одного атома каждого элемента. Для элементов, которые соединялись в множественных отношениях, например для двух известных в то время оксидов углерода или трех оксидов азота, их соединения считались наиболее простыми из возможных. Например, если известны два таких соединения, одно должно состоять из одного атома каждого элемента, а другое должно состоять из одного атома одного элемента и двух атомов другого.
Это было просто предположением, вытекающим из веры в простоту природы. Тогда ученым не было доступно никаких доказательств, чтобы вывести, сколько атомов каждого элемента соединяются для образования молекул. Но это или какое-то другое подобное правило было абсолютно необходимо для любой зарождающейся теории, поскольку нужна была предположительная молекулярная формула, чтобы вычислить относительные атомные веса. "Правило наибольшей простоты" Dalton заставило его предположить, что формула для воды была OH, а для аммиака была NH, что совершенно отличается от нашего современного понимания H2O, NH3. С другой стороны, его правило простоты привело его к предложению правильных современных формул для двух оксидов углерода CO и CO2. Несмотря на неопределенность в основе атомной теории Dalton, принципы теории выжили.
Атомные веса
Dalton опубликовал свою первую таблицу относительных атомных весов, содержащую шесть элементов водород, кислород, азот, углерод, серу и фосфор, относительно веса атома водорода, условно принимаемого за 1. Поскольку это были только относительные веса, к ним не прилагается единица веса. Dalton не дал никаких указаний в этой статье, как он пришел к этим числам, но в его лабораторной записной книжке от 6 сентября 1803 года есть список, в котором он изложил относительные веса атомов ряда элементов, полученные из анализа воды, аммиака, диоксида углерода и т. д. химиками того времени.
Распространение этой идеи на вещества в целом необходимо привело его к закону множественных пропорций, и сравнение с экспериментом блестяще подтвердило его вывод. В статье "On the Proportion of the Several Gases in the Atmosphere", прочитанной им в ноябре 1802 года, закон множественных пропорций кажется предугадываемым в словах:
Элементы кислорода могут соединяться с определенной частью азотного газа или с двойной этой частью, но не с промежуточным количеством.
Но
