Физика для всех. Молекулы - Лев Ландау

Замечательная догадка древнегреческих мыслителей, родившаяся 24 века назад, позднее была надолго забыта. Более тысячи лет в ученом мире безраздельно господствовало ошибочное учение Аристотеля. Утверждая, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, Аристотель категорически отрицал существование атомов. Любое тело можно делить до бесконечности - учил Аристотель.

В 1647 г. француз Пьер Гассенди издал книгу, в которой смело отрицал учение Аристотеля и утверждал, что все вещества в мире состоят из неделимых частичек - атомов. Атомы отличаются друг от друга формой, размерами и массой.

Соглашаясь с учением древних атомистов, Гассенди развил это учение дальше. Он объяснил, каким именно образом могут возникать и возникают в мире миллионы разнообразных тел природы. Для этого, утверждал он, не нужно большого числа различных атомов. Ведь атом - это все равно что строительный материал для домов. Из трех различных видов стройматериалов - кирпичей, досок и бревен - можно построить огромное число самых разнообразных домов. Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы; эти группы Гассенди назвал "молекулами", т. е. "массочками" (от латинского слова "молес" - масса).

Молекулы различных тел отличаются одна от другой числом и видом ("сортом") входящих в них атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных комбинаций - молекул. Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел.

Однако еще многое во взглядах Гассенди было ошибочно. Так, он считал, что имеются особые атомы для тепла, холода, вкуса и запаха. Как и другие ученые того времени, он не мог полностью освободиться от влияния Аристотеля, признавал его невещественные элементы.

В сочинениях М. В. Ломоносова - великого просветителя и основателя науки в России - содержатся следующие мысли, получившие подтверждение на опыте много позднее.

Ломоносов пишет, что молекула может быть однородной и разнородной. В первом случае в молекуле группируются однородные атомы. Во втором - молекула состоит из атомов, отличных один от другого. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то его надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов" Ломоносов называет его смешанным.

Теперь мы хорошо знаем, что различные тела природы имеют именно такое строение. В самом деле" возьмем, например, газ кислород; в каждой его молекуле содержится по два одинаковых атома кислорода. Это молекула простого вещества. Если же атомы, составляющие молекулы, различны,- это уже "смешанное", сложное химическое соединение. Молекулы его состоят из атомов тех химических элементов, которые входят в состав этого соединения.

Можно сказать и иначе: каждое простое вещество построено из атомов одного химического элемента; сложное вещество включает в себя атомы двух и более элементов.

Ряд мыслителей говорили об атомах, приводя логические доводы в пользу их существования. По-настоящему ввел атомы в науку и сделал их предметом исследования английский ученый Дальтон. Дальтон показал, что существуют химические закономерности, которые можно объяснить лишь используя представления об атомах.

"После Дальтона атомы прочно вошли в науку. Однако еще очень долго находились ученые, которые "не верили в атомы". Один из них писал в самом конце прошлого века, что через несколько десятилетии атомы "удастся разыскать лишь в пыли библиотек".

Сейчас подобные суждения кажутся смешными. Мы знаем сейчас так много подробностей о "жизни" атома, что сомневаться в его существовании - все равно, что подвергать сомнению реальность Черного моря.

Относительные массы атомов определили химики. Сначала за единицу была принята масса атома водорода. Относительная атомная масса азота оказалась равной примерно 14, кислорода - примерно 16, хлора - примерно 35,5. Впоследствии был сделан несколько иной выбор единицы - число 16,0000 приписывалось природному кислороду. Атомная масса водорода оказалась равной в этой шкале 1,008.

В настоящее время решено взять за основу не кислород и не водород, а изотоп углерода 12С. Измерив массу этого атома способом, кратко описанным в первой книге при изложении системы СИ, делим на двенадцать. Полученное число называется атомной единицей массы. Число, пользующееся сегодня наибольшим доверием, таково:

Теперь мы можем обратиться к воображению читателя и дать ему возможность почувствовать малость этой цифры. Представьте себе, что у каждого человека на земном шаре вы потребуете по миллиарду молекул. Сколько же вещества соберется таким образом? Несколько миллиардных долей грамма.

Или еще такое сравнение: земной шар во столько раз тяжелее яблока, во сколько раз яблоко тяжелее атома водорода.

Обратная величина от mA называется числом Авогадро:

Это огромное число имеет следующий смысл. Возьмем вещество в таком количестве, чтобы число граммов равнялось относительной массе атома или молекулы М. Такое количество химики давно назвали грамм-атомом или грамм-молекулой (часто для краткости говорят: моль). Хотя mА в системе СИ относится к атому углёрода 12С, практически NA любых атомов или молекул имеют массу, равную относительной массе атома или молекулы, выраженной в граммах.

С введением "моля" в качестве независимой единицы число Авогадро перестало быть отвлеченным числом. В единицах СИ оно имеет размерность моль-1.

Что такое теплота

Чем отличается горячее тело от холодного? На этот вопрос до начала XIX века отвечали так: горячее тело содержит больше теплорода (или теплотвора), чем холодное. Совершенно так же, как суп более соленый, если содержит больше соли. А что такое теплород? На это следовал ответ: "Теплород - это тепловая материя, это элементарный огонь". Таинственно и непонятно. А по сути дела, это ответ такой же, как объяснение, что такое веревка: "Веревка - это вервие простое".

Наряду с теорией теплорода уже давно существовал другой взгляд на природу теплоты. Его отстаивали с большим блеском многие выдающиеся ученые XVI - XVIII столетий.

Фрэнсис Бэкон в своей книге "Новый органон" писал: "Сама теплота в своей сущности есть не что иное, как движение... Теплота состоит в переменном движении мельчайших частей тела".

Роберт Гук в книге "Микрография" утверждал: "Теплота есть непрерывное движение частей тела... Нет такого тела, частички которого были бы в покое".

Особенно отчетливые высказывания такого же рода мы находим у Ломоносова (1745 г.) в его работе "Размышления о причине тепла и холода". В этом сочинении отрицается существование теплорода и говорится, что "теплота состоит во внутреннем движении частичек материи".

Очень образно говорил Румфорд в конце XVIII века: "Тело тем горячее, чем интенсивнее движутся частички, из которых оно построено, подобно тому как колокол звучит тем громче, чем сильнее он колеблется".

В этих замечательных догадках, намного опередивших свое время, кроются основы наших современных взглядов на природу тепла.

Бывают иногда тихие, спокойные, ясные дни. Листочки на деревьях замерли, даже легкая рябь не возмутит водяной глади. Все окружающее застыло в строгой торжественной неподвижности. Покоится видимый мир. Но что при этом происходит в мире атомов и молекул?

Физика наших дней может много рассказать об этом. Никогда, ни при каких условиях не прекращается невидимое движение частичек, из которых построен мир.

Почему же мы не видим всех этих движений? Частицы движутся, а тело покоится. Как это может быть?..

Не приходилось ли вам когда-либо наблюдать рой мошек? В безветренную погоду рой как бы висит в воздухе. А внутри роя идет интенсивная жизнь. Сотня насекомых метнулась вправо, но в этот же момент столько же метнулось влево. Весь рой остался на том же месте и не изменил своей формы.

Невидимые движения атомов и молекул носят такой же хаотический, беспорядочный характер. Если какие-то молекулы ушли из объема, то их место заняли другие. А так как новые пришельцы ничуть не отличаются от ушедших молекул, то тело остается все тем же. Беспорядочное, хаотическое движение частиц не меняет свойств видимого мира.

Однако не пустой ли это разговор, может спросить нас читатель. Чем эти, пусть красивые, рассуждения доказательнее теории теплорода? Разве кто-нибудь видел вечное тепловое движение частичек вещества?

Тепловое движение частичек можно увидеть, и притом при помощи самого скромного микроскопа. Первым наблюдал это явление еще более ста лет назад английский ботаник Броун.

Рассматривая под микроскопом внутреннее строение растения, он заметил, что крошечные частички вещества, плавающие в соке растения, беспрерывно движутся во всех направлениях. Ботаник заинтересовался, какие силы заставляют частички двигаться? Может быть, это какие-то живые существа? Ученый решил рассмотреть под микроскопом мелкие частички глины, взмученные в воде. Но и эти, несомненно неживые, частички не находились в покое, они были охвачены непрерывным хаотическим движением. Чем меньше частички, тем быстрее они двигались. Долго рассматривал ботаник эту каплю воды, но так и не мог дождаться, когда движение частичек прекратится. Их будто постоянно толкали какие-то невидимые силы.