Физика для всех. Молекулы - Лев Ландау

Физика для всех. Молекулы

Во второй из четырех книг 'Физики для всех' рассказано о строении вещества, о физических явлениях и процессах, которые происходят в реальных кристаллах и определяют их свойства. Читатель знакомится с различными фазовыми состояниями вещества, со структурой и свойствами жидких и твердых растворов, структурой кристаллов и молекул, с основными законами термодинамики.

Лев Давидович Ландау, Александр Исаакович Китайгородский

6-е изд., стер - Москва: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984 - с.208

Предисловие к четвертому изданию

Этой книге дано название "Молекулы". В нее вошли без изменений многие главы из второй половины прежней книги "Физика для всех" Л. Д. Ландау и А. И. Китайгородского.

Книга посвящена в основном разнообразным аспектам учения о строении вещества. Однако атом остается здесь пока тем, чем он был для Демокрита,- неделимой частицей. Разумеется, в книге затронуты и проблемы, связанные с движением молекул. Ведь они лежат в основе современного понимания тепловых явлений. И, конечно, в ней не оставлены без внимания вопросы, касающиеся фазовых переходов.

За годы, прошедшие со времени выхода предыдущих изданий "Физики для всех", резко возросли наши сведения о строении молекул, об их взаимодействии друг с другом. Много мостиков было перекинуто между проблемами молекулярной структуры вещества и его свойствами. Это обстоятельство побудило меня включить в эту книгу довольно значительный по объему новый материал.

Мне кажется, что давно уже наступило время введения в стандартные учебники общих сведений о молекулах, которые более сложны, чем молекулы кислорода, азота и углекислого газа. До сего времени в большинстве курсов физики авторы не считают нужным вести разговор о более сложных комбинациях атомов. А ведь макромолекулы прочно вошли в наш быт в виде разнообразных синтетических материалов! Создана молекулярная биология, которая объясняет явления жизни на языке молекул белков и нуклеиновых кислот.

Точно так же незаслуженно опускаются обычно вопросы, касающиеся химических реакций. А ведь речь идет о физическом процессе столкновения молекул, сопровождающемся их перестройкой. Насколько легче объяснить слушателю или читателю сущность ядерных реакций, если он знаком с совершенно аналогичным поведением молекул.

При переработке книги оказалось целесообразным перенести некоторые разделы прежней "Физики для всех" в последующие выпуски.

В частности, мы сочли возможным ограничиться лишь несколькими словами о звуке в главе, посвященной молекулярной механике.

Точно так же показалось целесообразным отложить разговор об особенностях волнового движения до рассмотрения электромагнитных явлений.

В целом четыре выпуска нового издания "Физики для всех" ("Физические тела", "Молекулы", "Электроны", "Фотоны и ядра") будут охватывать изложение основ физики.

Апрель 1978

А. И. Китайгородский

Кирпичи мироздания

Элементы

Из чего построен окружающий нас мир? Первые дошедшие до нас ответы на этот вопрос родились в Древней Греции более 25 веков тому назад.

Ответы кажутся на первый взгляд донельзя странными, и мы должны были бы потратить много бумаги, чтобы объяснить читателю логику древних мудрецов - Фалеса, утверждавшего, что все состоит из воды, Анаксимена, говорившего, что мир построен из воздуха,; или Гераклита, по мнению которого все состоит из огня.

Несообразность подобных объяснений заставила более поздних греческих "любителей мудрости" (так переводится слово "философ") увеличить число первооснов или, как их называли в древнем мире, элементов. Эмпедокл утверждал, что элементов четыре: земля,; вода, воздух и огонь. В это учение внес окончательные (на очень долгое время) поправки Аристотель.

Согласно Аристотелю, все тела состоят из одного и того же вещества, но это вещество может принимать различные свойства. Этих невещественных элементов-свойств четыре: холод, тепло, влажность и сухость. Соединяясь по два и будучи приданы веществу, элементы-свойства Аристотеля образуют элементы Эмпедокла. Так, сухое и холодное вещество дает землю, сухое и горячее - огонь, влажное и холодное - воду и, наконец, влажное и горячее - воздух.

Впрочем, ввиду трудности ответа на ряд вопросов философы древности добавили к четырем элементам-свойствам еще "божественную квинтэссенцию". Это что-то вроде бога-повара, готовящего одно блюдо из разнородных элементов-свойств. Ссылкой на бога, разумеется, нетрудно дать разъяснение любому недоумению.

Впрочем, очень долгое время - почти вплоть до XVIII века - мало кто отваживался недоумевать и задавать вопросы. Учение Аристотеля было признано церковью, и сомнение в его справедливости было ересью.

И все же сомнения эти возникали. Породила их алхимия.

В далекие времена, в глубь которых мы можем заглянуть, читая древние рукописи, человек знал, что все окружающие нас тела способны превращаться в другие. Горение, обжиг руды, сплавление металлов - все эти явления были хорошо известны.

Это, казалось бы, не противоречило учению Аристотеля. При любом превращении менялась, так сказать, "дозировка" элементов. Если весь мир состоит всего лишь из четырех элементов, то возможности превращения тел должны быть очень велики. Нужно найти лишь секрет, как сделать, чтобы из любого тела можно было получать любое другое.

До чего заманчива задача сделать золото, или найти особый, необыкновенный "философский камень", дающий его обладателю богатство, власть, вечную молодость. Науку об изготовлении золота, философского камня, о превращении любого тела в любое другое древние арабы назвали алхимией.

Столетиями продолжалась работа людей, посвятивших себя решению этой задачи. Алхимики не научились делать золото, не нашли философского камня, но зато собрали много ценных фактов о превращении тел. Эти факты послужили в конце концов смертным приговором для алхимии. В XVII веке многим стало ясно, что число основных веществ - элементов несравненно больше четырех. Ртуть, свинец, сера, золото, сурьма оказались неразлагаемыми веществами, уже нельзя было говорить, что эти вещества построены из элементов. Пришлось, напротив, причислить их к элементам мира.

В 1668 г. в Англии вышла в свет книга Роберта Бойля "Скептический химик, или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков". Здесь мы находим совершенно новое определение элемента. Это уже не неуловимый, таинственный невещественный элемент алхимиков. Теперь элемент - это вещество, составная часть тела.

Это укладывается в современное определение понятия элемента.

Список элементов Бойля был невелик. К правильному списку Бойль присоединил еще и огонь. Впрочем, идеи об элементах-свойствах жили и после него. Даже в списке великого француза Лавуазье (1743-1794), которого считают основателем химии, наряду с действительными элементами фигурируют и невесомые элементы: теплотвор и световое вещество.

В первой половине XVIII века было известно 15 элементов, а к концу века число их возросло до 35. Правда, лишь 23 из них - действительные элементы, остальные же - или несуществующие элементы, или вещества, как едкие натр и калий, которые оказались сложными.

К середине XIX века в химических руководствах описывалось уже свыше 50 неразложимых веществ.

Толчком для сознательных поисков неоткрытых элементов явился периодический закон великого русского химика Менделеева. Здесь еще рано говорить об этом законе. Скажем лишь, что своим законом Менделеев установил, как надо искать еще не открытые элементы.

К началу XX века были открыты почти все встречающиеся в природе элементы.

Атомы и молекулы

Около 2000 лет назад в Древнем Риме была написана оригинальная поэма. Ее автором был римский поэт Лукреций Кар. "О природе вещей" - так называлась поэма Лукреция. Звучными стихами рассказал Лукреций в своем поэтическом произведении о взглядах древнегреческого философа Демокрита на мир.

Что это были за взгляды? Это было учение о мельчайших, невидимых частичках, из которых построен весь наш мир. Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение.

Вот, например, вода. При сильном нагревании она превращается в невидимый пар и улетучивается. Как это можно объяснить? Ясно, что такое свойство воды связано с ее внутренним строением.

Или почему, например, мы ощущаем запахи цветов на расстоянии?

Размышляя над подобными вопросами, Демокрит пришел к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными, на самом же деле они состоят из мельчайших частиц. У различных тел эти частицы различны по форме, но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Поэтому-то любое тело и кажется нам сплошным.

Демокрит назвал такие мельчайшие, неделимые далее частички, из которых состоят вода и все другие тела, "атомами", что по-гречески означает "неделимые".